肖麗英

（江蘇省太倉高級(jí)中學(xué)，江蘇 太倉 215400）

物理學(xué)是一門精確的定量科學(xué)，物理學(xué)科學(xué)方法的精髓在于：用模型描述自然，用數(shù)學(xué)表達(dá)模型；用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?在學(xué)習(xí)物理的過程中，如對(duì)物理現(xiàn)象、物理概念、物理規(guī)律等只能定性描述，僅僅是對(duì)物理的感知，只有將物理問題數(shù)學(xué)化，通過數(shù)學(xué)結(jié)果進(jìn)一步準(zhǔn)確地描述研究對(duì)象的特性，用數(shù)學(xué)方式把物理概念、規(guī)律表示出來，才是真正對(duì)物理的可知和成熟，定量才是思維從感性到理性發(fā)展的提升.在物理教學(xué)中，應(yīng)充分分析教學(xué)內(nèi)容，了解學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，定性可以讓學(xué)生對(duì)物理量進(jìn)行簡單區(qū)分，從而引發(fā)猜想；定量才能引導(dǎo)學(xué)生作深入研究，驗(yàn)證猜想.合理設(shè)計(jì)教學(xué)，使學(xué)生重演知識(shí)構(gòu)建過程，從定性感知走向定量描述，從元認(rèn)知出發(fā)促使思維發(fā)展.下面以“電容器的電容”為例，設(shè)計(jì)從定性到定量研究問題，幫助學(xué)生構(gòu)建電容這一抽象概念.

1 從定性到定量探究充放電過程，初步認(rèn)識(shí)電容器

本節(jié)的學(xué)習(xí)首先要先認(rèn)識(shí)電容器，了解電容器的充放電過程，知道電容器的作用.讓學(xué)生有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，為電容概念的學(xué)習(xí)設(shè)置第一個(gè)臺(tái)階.

圖1

教學(xué)片斷1：電容器的充放電過程.

由圖1所示電路，用靈敏電流計(jì)觀察充電和放電現(xiàn)象.了解充電電流和放電電流的方向，定性知道電流的大小.由于充電和放電時(shí)間非常短，機(jī)械式電流表指針阻尼不大，由于慣性會(huì)左右晃動(dòng).學(xué)生在了解了充電和放電電流的方向不同，大小有變化后.自然會(huì)有疑問：充電和放電電流隨時(shí)間有怎樣的變化規(guī)律呢？

在圖1中用DIS電流傳感器替代靈敏電流計(jì)，通過數(shù)字采集器連接計(jì)算機(jī)，可以定量觀察充放電過程中電流的大小方向隨時(shí)間的變化情況如圖2所示.

圖2

用電流計(jì)只能定性了解電流的大小變化，而DIS電流傳感器則可以觀測(cè)到具體數(shù)值，更加精確，有利于學(xué)生進(jìn)一步提出電壓、電荷量等物理量的測(cè)量.

2 從定性到定量探究同一電容器的Q與U關(guān)系，認(rèn)識(shí)的比值

教材直接給出了電容器帶電荷量與兩極間電壓成正比這一結(jié)論，不利于學(xué)生接受.可以先通過簡單的定性實(shí)驗(yàn)研究電容器所帶電荷量與其兩極板間電勢(shì)差的關(guān)系.

教學(xué)片斷2：定性觀察同一電容器Q與U的關(guān)系.

分別用10V、20V直流電壓給電容器（36V，22000μF）充電，然后再放電.用10V充電后極板間產(chǎn)生電火花，伴隨著放電的聲音；用20V電壓充電后，讓電容器放電，會(huì)看到電火花更大，放電的聲音更大.這表明電容器充電電壓越高，充到的電荷量越大.對(duì)此，我們自然會(huì)猜想到：電容器所帶電荷量與其兩極板間電勢(shì)差有可能成正比關(guān)系.

定性觀察引入，使學(xué)生視覺和聽覺上產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激，印象深刻，并且引發(fā)學(xué)生興趣，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究定量關(guān)系的好奇心.定性實(shí)驗(yàn)引發(fā)猜想，定量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想.

教學(xué)斷片3：用數(shù)字傳感器定量測(cè)定Q與U.

圖3

如圖3連接電路，為了增大充放電時(shí)間，可以串聯(lián)一個(gè)大電阻（20kΩ）在電容器旁邊.

用DIS電壓和電流傳感器，可以很清楚地看到在充電和放電過程中，電容器兩板上電壓和電流隨時(shí)間的瞬間變化，測(cè)定電流和電壓時(shí)反應(yīng)更迅速.通過數(shù)據(jù)采集器與電腦連接，可以直接在屏幕上顯示電流i與電壓u隨時(shí)間的變化.如圖4，（a）圖為i-t圖像，（b）圖為u-t圖像，根據(jù)i-t圖像與橫軸所圍著的面積可以求電荷量Q.

圖4

電容器分別加1.5V、3.0V、6.0V 電壓充電，觀察電容器的充電電流，并且利用積分求得充電電荷量，可以清楚地觀察到隨著電壓的增加，電荷量成比例的增加，如圖5（a）、（b）、（c）所示.

圖5

表1

3 從定性到定量探究不同電容器的，理解電容定義

對(duì)一個(gè)電容器的Q與U做定量的測(cè)定，顯然還不能表征所有電容器，需要大量的觀察和實(shí)驗(yàn)，從中找出共性的特征.

教學(xué)片斷4：定性觀察不同電容器的等壓放電現(xiàn)象.

用兩個(gè)不同的電容器，加同樣電壓10V后，給電子鐘供電，可以看到電子鐘秒針走過的格數(shù)不同，說明同種電壓情況下，不同電容器貯存的電荷量Q不同，不同電容器貯存電荷的本領(lǐng)不同.如何判斷電容器貯存電荷本領(lǐng)的大小呢？引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)方案.

教學(xué)片斷5：定量測(cè)定不同電容器的Q與U.

換另一個(gè)電容器B做同樣的實(shí)驗(yàn)，測(cè)定在不同電壓下貯存的電荷量，發(fā)現(xiàn)加同樣的電壓，充到的電荷量與電容器A（教學(xué)片斷5中所用電容器）不同，但是電荷量隨電壓的增加也是等比例增加，如圖6（a）、（b）、（c）所示.

圖6

表2

學(xué)生初次接觸一個(gè)物理量時(shí)，總希望知道它到底是什么.從定性到定量，來研究電容概念，設(shè)置了一些認(rèn)識(shí)理解新概念的臺(tái)階，便于學(xué)生掌握物理量的本質(zhì)和物理意義.這樣的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生先對(duì)電容的本質(zhì)現(xiàn)象有了相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識(shí)，再讓學(xué)生自己抓住“主要矛盾”、忽略“次要矛盾”，親自參與概念抽象過程的探究，讓思維發(fā)展從元認(rèn)知起點(diǎn)出發(fā)，順應(yīng)了認(rèn)識(shí)事物的順序，發(fā)展了學(xué)生的思維能力.