單華文
[摘 要] 利用控制變量法引入描述靜電場的物理概念和定義物理量。為什么要引入相關(guān)物理概念和物理量,為什么要這樣定義物理量?下面結(jié)合教學(xué)實踐進行分析探討。
[關(guān)鍵詞] 控制變量法 電場強度 電勢和電勢差
[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674 6058(2016)17 0074
物理概念教學(xué),必須讓學(xué)生知道為什么要引入這個概念和物理量,為什么要這樣定義物理量,只有清楚了這幾個為什么,學(xué)生才能真正理解相關(guān)概念和物理量的意義。
靜電場是高中物理電磁學(xué)的基礎(chǔ),靜電場特點是看不見、摸不到、無氣味的,它的特性是對放入其中的檢驗電荷有力的作用。在電場中移動電荷,電場力會做功,電勢能改變,靜電場具有力和能的雙重特性。所以靜電場是客觀存在的一種看不見的特殊物質(zhì),非常抽象。描述靜電場引入了許多物理概念和物理量,如電場強度、電勢、電勢差,電場力、電勢能等。學(xué)生在學(xué)習(xí)靜電場的過程中出現(xiàn)了許多困惑,為什么要引入電場強度、電勢和電勢差?為什么電場強度、電勢和電勢差都用比值法定義?為什么用課本中的那種方式定義?這些物理量之間究竟存在什么樣的關(guān)系?所以教師在教學(xué)過程中要解決學(xué)生的這些困惑,學(xué)生才能真正理解描述靜電場的概念和物理量。以下是我在教學(xué)過程中的具體做法,就是利用控制變量法引入描述靜電場的概念和定義物理量,首先讓檢驗電荷的電量q不變,改變檢驗電荷在電場中的位置,然后讓檢驗電荷在電場中的位置保持不變,改變檢驗電荷的電量q。
電場強度的教學(xué)過程中,電荷之間的相互作用是通過電場實現(xiàn)的,在靜電場中不同的位置放入同一個檢驗電荷q,通過實驗探究就會發(fā)現(xiàn)同一個檢驗電荷q在靜電場中不同的位置受到的電場力不同,這就說明靜電場中不同的位置電場是不同的,這個不同導(dǎo)致了檢驗電荷受到的電場力不同,究竟是電場中不同位置的什么不同導(dǎo)致了力不同呢?所以就得引入一個物理量來描述這個不同,物理學(xué)中就把這個物理量定義為電場強度E,物理學(xué)中規(guī)定同一個檢驗電荷q受到的力越大的地方電場越強,受到的力越小的地方電場越弱,這就說明電場是有強弱的,所以電場強度就是用來描述電場強弱的物理量,引入它是為了確定電場力。那怎么定義電場強度呢?如果在靜電場中同一個位置放入不同的檢驗電荷q,通過實驗探究就會發(fā)現(xiàn)檢驗電荷不同受到的電場力F就不同,但同一個位置處檢驗電荷受到的電場力F與檢驗電荷的電量q成正比,F(xiàn)∝q,如果用數(shù)學(xué)表示有F=kq,k=F/q,k是一個常數(shù),不同的位置這個常數(shù)不同,同一個位置這個常數(shù)k是一個定值,這就說明這個常數(shù)是由靜電場決定的,與放入的檢驗電荷q無關(guān),靜電場中k越大的地方檢驗電荷受到的力越大,k越小的地方檢驗電荷受到的電場力越小,k和我們想定義的電場強度完全相符,所以物理學(xué)中把這個常數(shù)定義為電場強度E,E=F/q就是電場強度的定義式,而F=qE就是電場力的決定式,由此可以看出電場力F與兩個因素有關(guān),內(nèi)因電荷電量q和外因電場強度E。
電勢的教學(xué)過程中,仍然用控制變量法。如果設(shè)想把一個檢驗電荷q放入靜電場中,在電場力的作用下就會加速運動,電場力對檢驗電荷做正功,它的動能就會越來越多,根據(jù)能量守恒定律,一定是電荷的其他形式的能量在減少,這就說明檢驗電荷在電場中具有其他形式的能量,檢驗電荷在運動過程中不同的位置動能不同,所以檢驗電荷的這個未知能量也就在不同位置會不同,那這個未知能量究竟是什么能量呢?物理學(xué)中就把這個能量定義為電勢能EP,根據(jù)功能原理,電荷在電場的某一個位置的電勢能,等于把它從這個位置移動到零勢能位置時電場力做的功。同一個檢驗電荷q在電場的不同位置電勢能EP不同。如果電場是勻強電場,檢驗電荷仍然會加速運動,動能仍然會越來越多,電勢能就越來越少,所以同一個檢驗電荷q在電場的不同位置電勢能EP不同,肯定不是電場強度不同導(dǎo)致的,說明電場的不同位置,還有另外一個物理量不同,物理學(xué)中就把這個物理量定義為電勢φ。那怎么定義電勢φ?如果在靜電場的同一個位置再放入不同的檢驗電荷q,電勢能EP就不同,但電勢能和檢驗電荷的電量卻成正比,EP∝q,用數(shù)學(xué)表示有EP=kq,k是一個常數(shù),不同的位置這個常數(shù)不同,同一個位置這個常數(shù)k是一個定值,這就說明這個常數(shù)是由靜電場決定的,與放入的檢驗電荷q無關(guān),物理學(xué)中就把這個常數(shù)定義為電勢,φ=EP/q這就是電勢的定義式,
由此可以看出電勢能EP與兩個因素有關(guān),內(nèi)因電荷電量q和外因電勢φ。
電勢差的教學(xué)過程中,一個檢驗電荷q在靜電場中受到電場力的作用而運動,電場力對檢驗電荷做功,檢驗電荷的動能和電勢能之間相互轉(zhuǎn)化,電場力做正功,電勢能減少,動能增加,電場力做負功,電勢能增加,動能減少,根據(jù)功能原理,WAB=EpA-EPB=qφA-qφB=q(φA-φB),物理學(xué)中把(φA-φB)定義為電勢差UAB,就是兩點之間電勢的差值,UAB=WAB/q這就是電勢差的定義式。
通過這樣的教學(xué)過程,學(xué)生們就理解了為什么要引入電場強度、電勢和電勢差。
(責(zé)任編輯 易志毅)