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        淺談靜電場(chǎng)概念教學(xué)方法

        2016-05-14 11:41:19單華文
        關(guān)鍵詞:控制變量法

        單華文

        [摘 要] 利用控制變量法引入描述靜電場(chǎng)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(shí)踐進(jìn)行分析探討。

        [關(guān)鍵詞] 控制變量法 電場(chǎng)強(qiáng)度 電勢(shì)和電勢(shì)差

        [中圖分類號(hào)] G633.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 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(gè)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(gè)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(chǎng)是高中物理電磁學(xué)的基礎(chǔ),靜電場(chǎng)特點(diǎn)是看不見(jiàn)、摸不到、無(wú)氣味的,它的特性是對(duì)放入其中的檢驗(yàn)電荷有力的作用。在電場(chǎng)中移動(dòng)電荷,電場(chǎng)力會(huì)做功,電勢(shì)能改變,靜電場(chǎng)具有力和能的雙重特性。所以靜電場(chǎng)是客觀存在的一種看不見(jiàn)的特殊物質(zhì),非常抽象。描述靜電場(chǎng)引入了許多物理概念和物理量,如電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)、電勢(shì)差,電場(chǎng)力、電勢(shì)能等。學(xué)生在學(xué)習(xí)靜電場(chǎng)的過(guò)程中出現(xiàn)了許多困惑,為什么要引入電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)和電勢(shì)差?為什么電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)和電勢(shì)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(guò)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(chǎng)的概念和物理量。以下是我在教學(xué)過(guò)程中的具體做法,就是利用控制變量法引入描述靜電場(chǎng)的概念和定義物理量,首先讓檢驗(yàn)電荷的電量q不變,改變檢驗(yàn)電荷在電場(chǎng)中的位置,然后讓檢驗(yàn)電荷在電場(chǎng)中的位置保持不變,改變檢驗(yàn)電荷的電量q。

        電場(chǎng)強(qiáng)度的教學(xué)過(guò)程中,電荷之間的相互作用是通過(guò)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的,在靜電場(chǎng)中不同的位置放入同一個(gè)檢驗(yàn)電荷q,通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究就會(huì)發(fā)現(xiàn)同一個(gè)檢驗(yàn)電荷q在靜電場(chǎng)中不同的位置受到的電場(chǎng)力不同,這就說(shuō)明靜電場(chǎng)中不同的位置電場(chǎng)是不同的,這個(gè)不同導(dǎo)致了檢驗(yàn)電荷受到的電場(chǎng)力不同,究竟是電場(chǎng)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(gè)物理量來(lái)描述這個(gè)不同,物理學(xué)中就把這個(gè)物理量定義為電場(chǎng)強(qiáng)度E,物理學(xué)中規(guī)定同一個(gè)檢驗(yàn)電荷q受到的力越大的地方電場(chǎng)越強(qiáng),受到的力越小的地方電場(chǎng)越弱,這就說(shuō)明電場(chǎng)是有強(qiáng)弱的,所以電場(chǎng)強(qiáng)度就是用來(lái)描述電場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量,引入它是為了確定電場(chǎng)力。那怎么定義電場(chǎng)強(qiáng)度呢?如果在靜電場(chǎng)中同一個(gè)位置放入不同的檢驗(yàn)電荷q,通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究就會(huì)發(fā)現(xiàn)檢驗(yàn)電荷不同受到的電場(chǎng)力F就不同,但同一個(gè)位置處檢驗(yàn)電荷受到的電場(chǎng)力F與檢驗(yàn)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(gè)常數(shù),不同的位置這個(gè)常數(shù)不同,同一個(gè)位置這個(gè)常數(shù)k是一個(gè)定值,這就說(shuō)明這個(gè)常數(shù)是由靜電場(chǎng)決定的,與放入的檢驗(yàn)電荷q無(wú)關(guān),靜電場(chǎng)中k越大的地方檢驗(yàn)電荷受到的力越大,k越小的地方檢驗(yàn)電荷受到的電場(chǎng)力越小,k和我們想定義的電場(chǎng)強(qiáng)度完全相符,所以物理學(xué)中把這個(gè)常數(shù)定義為電場(chǎng)強(qiáng)度E,E=F/q就是電場(chǎng)強(qiáng)度的定義式,而F=qE就是電場(chǎng)力的決定式,由此可以看出電場(chǎng)力F與兩個(gè)因素有關(guān),內(nèi)因電荷電量q和外因電場(chǎng)強(qiáng)度E。

        電勢(shì)的教學(xué)過(guò)程中,仍然用控制變量法。如果設(shè)想把一個(gè)檢驗(yàn)電荷q放入靜電場(chǎng)中,在電場(chǎng)力的作用下就會(huì)加速運(yùn)動(dòng),電場(chǎng)力對(duì)檢驗(yàn)電荷做正功,它的動(dòng)能就會(huì)越來(lái)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(shuō)明檢驗(yàn)電荷在電場(chǎng)中具有其他形式的能量,檢驗(yàn)電荷在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同的位置動(dòng)能不同,所以檢驗(yàn)電荷的這個(gè)未知能量也就在不同位置會(huì)不同,那這個(gè)未知能量究竟是什么能量呢?物理學(xué)中就把這個(gè)能量定義為電勢(shì)能EP,根據(jù)功能原理,電荷在電場(chǎng)的某一個(gè)位置的電勢(shì)能,等于把它從這個(gè)位置移動(dòng)到零勢(shì)能位置時(shí)電場(chǎng)力做的功。同一個(gè)檢驗(yàn)電荷q在電場(chǎng)的不同位置電勢(shì)能EP不同。如果電場(chǎng)是勻強(qiáng)電場(chǎng),檢驗(yàn)電荷仍然會(huì)加速運(yùn)動(dòng),動(dòng)能仍然會(huì)越來(lái)越多,電勢(shì)能就越來(lái)越少,所以同一個(gè)檢驗(yàn)電荷q在電場(chǎng)的不同位置電勢(shì)能EP不同,肯定不是電場(chǎng)強(qiáng)度不同導(dǎo)致的,說(shuō)明電場(chǎng)的不同位置,還有另外一個(gè)物理量不同,物理學(xué)中就把這個(gè)物理量定義為電勢(shì)φ。那怎么定義電勢(shì)φ?如果在靜電場(chǎng)的同一個(gè)位置再放入不同的檢驗(yàn)電荷q,電勢(shì)能EP就不同,但電勢(shì)能和檢驗(yàn)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(gè)常數(shù),不同的位置這個(gè)常數(shù)不同,同一個(gè)位置這個(gè)常數(shù)k是一個(gè)定值,這就說(shuō)明這個(gè)常數(shù)是由靜電場(chǎng)決定的,與放入的檢驗(yàn)電荷q無(wú)關(guān),物理學(xué)中就把這個(gè)常數(shù)定義為電勢(shì),φ=EP/q這就是電勢(shì)的定義式,

        由此可以看出電勢(shì)能EP與兩個(gè)因素有關(guān),內(nèi)因電荷電量q和外因電勢(shì)φ。

        電勢(shì)差的教學(xué)過(guò)程中,一個(gè)檢驗(yàn)電荷q在靜電場(chǎng)中受到電場(chǎng)力的作用而運(yùn)動(dòng),電場(chǎng)力對(duì)檢驗(yàn)電荷做功,檢驗(yàn)電荷的動(dòng)能和電勢(shì)能之間相互轉(zhuǎn)化,電場(chǎng)力做正功,電勢(shì)能減少,動(dòng)能增加,電場(chǎng)力做負(fù)功,電勢(shì)能增加,動(dòng)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(shì)差UAB,就是兩點(diǎn)之間電勢(shì)的差值,UAB=WAB/q這就是電勢(shì)差的定義式。

        通過(guò)這樣的教學(xué)過(guò)程,學(xué)生們就理解了為什么要引入電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)和電勢(shì)差。

        (責(zé)任編輯 易志毅)

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