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）