薛昊

摘 要：電勢、電勢能是中學(xué)物理教學(xué)的難點之一，學(xué)生難以構(gòu)建相關(guān)的物理概念，其中重要的原因之一就是缺少實驗來輔助學(xué)生深入理解物理概念和相關(guān)規(guī)律.本文利用簡單器材設(shè)計了一個小實驗，讓學(xué)生直接感受到電荷在電場中具有電勢能，此實驗突破了學(xué)習(xí)電勢能的難點.

關(guān)鍵詞：電勢能;實驗;難點

電場是高中物理選修3-1部分內(nèi)容，由于電場看不見、摸不著，教學(xué)上雖然交代了電場與實物是物質(zhì)存在的兩種不同形式，但學(xué)生仍難以理解，對于區(qū)別于實物的具有空間可入性的電場還是難以接受.同時，電勢能、電勢是電場中重要的物理概念，也是高中物理教學(xué)的難點之一，關(guān)于電勢能和電勢的教學(xué)與討論的研究工作很多，也致力于關(guān)于如何讓學(xué)生理解電勢能等相關(guān)概念，但是由于缺乏相關(guān)的物理實驗支撐，所以對學(xué)生來說，很難建構(gòu)這兩個相關(guān)的物理概念.為了幫助學(xué)生形象理解，筆者從能量轉(zhuǎn)化與守恒定律出發(fā)，設(shè)計了一個能夠讓學(xué)生直接感受到電荷在電場中具有電勢能的實驗.

一、實驗裝置

學(xué)生電源（12V），靜電感應(yīng)起電機(jī)（J23108275）、平行金屬板一對（直徑20cm）、多個泡沫小球（外裹金屬箔），鐵架臺一個.實驗用金屬箔球的選擇可以是直徑為1-3cm的圓型球（也可以是直徑為2.5cm，厚為1.5cm的圓柱體），金箔可選包裝盒內(nèi)層的鋁箔，另外，我們還需要橡膠棒和毛皮.實驗裝置如圖1和圖2所示.

二、實驗設(shè)計

實驗中我們利用圓盤狀平行板電容器作為提供勻強(qiáng)電場的裝置，圓盤直徑為20cm，板間距為5-8cm.極板通過與毛皮摩擦過的橡膠棒接觸帶電，極板上電荷均勻分布，可視為等勢體.為了讓實驗效果顯著，圓柱形金屬箔球的直徑達(dá)到2.5cm， 厚度為1.5cm.圓柱形金屬箔球的帶電方式可以有三種：與毛皮摩擦的橡膠棒接觸帶電;與帶電圓盤極板接觸帶電;利用靜電感應(yīng)，將圓柱形金屬箔球置于平行板之間偏離中間位置的區(qū)域，靜電感應(yīng)使箔球帶電.

三、實驗過程及現(xiàn)象

如圖1所示，原來靜止在下極板上的金屬箔球在感應(yīng)起電機(jī)工作后，上下跳動起來，有的小球能撞到上極板.也就是說，感應(yīng)起電機(jī)的兩個接線柱和兩個平行極板相連接，將金屬箔球放置于下極板上，搖動感應(yīng)起電機(jī)手柄，由于受到電場力作用，金屬箔球受力迅速上升，與上極板接觸后，金屬箔球帶正電，從而金屬箔球會在電場力作用下實現(xiàn)往復(fù)運動.

四、實驗分析

下極板上的金箔球帶有與下極板同種的電荷，因為相互排斥，我們觀察到的實驗現(xiàn)象為金屬箔球向上運動，運動和高度的提升意味著箔球自身動能和重力勢能的增加，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，可以得出這樣的結(jié)論：箔球所增加的機(jī)械能應(yīng)該是由其它某種形式的能量轉(zhuǎn)化而來的，而這種能量應(yīng)該是由于帶電箔球處于電場中所具有的能量.其與重力場中處于某一高度的物體具有重力勢能類似，處于靜電場中的帶電體具有一定的勢能，稱為電勢能.

五、實驗效果

上述實驗現(xiàn)象較明顯，演示效果較好，但也會由于某些因素的影響而使實驗受到干擾，下面我們分析該實驗的可能影響因素及避免方法.首先考慮實驗損耗，通常情況下，由于實驗次數(shù)的增加，摩擦?xí)垢袘?yīng)起電機(jī)的兩個小鐵刷逐漸磨損，導(dǎo)致帶電量不足并影響到實驗效果.其次考慮環(huán)境因素的影響，如果空氣不夠干燥，通常需要利用電熱風(fēng)將起電機(jī)及周圍空間保持干燥，實驗效果會更佳.最后關(guān)于實驗現(xiàn)象的演示，可能會出現(xiàn)小球運動速度過快，學(xué)生觀察不到位的情況.可人為設(shè)計降低小球運動速度的方法，從而延長實驗時間，提升學(xué)生的觀察效果.大致方法如下：用絕緣木夾夾著箔球，使箔球與毛皮摩擦過的橡膠棒相接觸，使之呈負(fù)電性，之后將帶電箔球放入平行板之間，松開箔球，箔球會在電場力作用下向上運動，由于帶電方式改變，使箔球帶電量減小，其所受到的電場力減小，小球速度變小，從而便于學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象.

參考文獻(xiàn)：

[1]杜新滿.用類比法講解電勢能、電勢[J].技術(shù)物理教學(xué)，2013（03）：82-83.

[2]趙凡中.解讀電勢能、電勢、電勢差的關(guān)系[J].中學(xué)生數(shù)理化（高二版），2012（z2）：40-41.

[3]陳輝.讓思維貫通教學(xué) 讓素養(yǎng)無痕生成—“電勢能和電勢”教學(xué)反思[J].物理之友，2018（08）：28-30+33.

[4]馬永喜.有關(guān)電勢差、電勢與電勢能教學(xué)的建議[J].中學(xué)物理，2008（07）：17-19.

[5]周長春.尊重認(rèn)知規(guī)律 化解思維障礙—五種版本教科書編排電勢能、電勢、電勢差內(nèi)容的比較[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2011（12）：2-4.

[6]彭長繼.細(xì)化類比理解 強(qiáng)化數(shù)學(xué)量化—《電勢能電勢與電勢差》教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)物理，2016（13）：27-28.

[7]王治國.“電勢能和電勢”教學(xué)低效性分析與教學(xué)建議[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（13）：19-21.

[8]張雅美.電勢能（教學(xué)設(shè)計）[J].新課標(biāo)（下），2018（04）：119.