張 健 李春密

(1. 北京師范大學第二附屬中學,北京 100088; 2. 北京師范大學,北京 100875)

1 物理觀念的內(nèi)涵與理解

愛因斯坦曾說“在建立一個物理學理論時,基本觀念起了最主要的作用．物理書上充滿了復雜的數(shù)學公式,但是所有的物理理論都是起源于思維和觀念,而不是公式．”[1]物理觀念是物理世界在人腦中留下的概括的形象,是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華,是人對物理世界的根本認識,是從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎．物理科學的發(fā)展,最集中地反映在物理觀念的變更上．

物理觀念是物理核心素養(yǎng)的內(nèi)核,在物理科學體系中占有重要地位．鑒于社會發(fā)展需求和中學生的學習特點與認識水平,新課程改革在物理觀念中提出“物質(zhì)觀、運動觀、相互作用觀和能量觀”,以4種觀念為核心開展概念的進階教學,初、高中教學一而貫之．

(1) 物質(zhì)觀念.物理學研究自然界基本的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與最基本的運動規(guī)律,對于物質(zhì)的研究包括物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)的存在形態(tài)與物質(zhì)的運動等．物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索伴隨著物質(zhì)觀的發(fā)展與革新．比如物質(zhì)形態(tài)是從實物粒子到場,認識到場是一種特殊的物質(zhì)且具有能量和動量,是一次飛躍．物質(zhì)觀念是我們分析和解決物理問題的出發(fā)點,從這個意義上講,物質(zhì)觀念是物理觀念的核心．

(2) 運動觀念.描述物體的運動并發(fā)現(xiàn)運動規(guī)律是物理學的重要任務之一．在運動的描述過程中伴隨著對于時間、空間、參考系的認識的深化,即時空觀的發(fā)展．在運動的描述中總結(jié)運動規(guī)律,探討運動背后的原因,這是對變化類問題的一般化的研究方法,可以將這種科學方法遷移到社會現(xiàn)象的研究．

(3) 能量觀念.能量是物理學乃至整個自然科學領域最核心的概念之一．從機械運動中提出了動能的概念,從流體研究中提出了重力勢能;通過對熱現(xiàn)象的研究提出了內(nèi)能的概念;通過對電場和磁場的研究與物質(zhì)性的認識,提出了靜電能、磁場能、電磁場能等,這是對能量認識的進階發(fā)展;自然界存在不同形式的能量,能量總量保持不變,這就是能量守恒定律．能量守恒定律是隱藏在自然界各種形式運動與不同類型相互作用背后的支配規(guī)律,自然界一切物理過程的發(fā)生必須遵從能量守恒定律,違背能量守恒的現(xiàn)象是不會發(fā)生的．能量守恒定律是人類對自然規(guī)律認識的一次飛躍,是指導人類探索自然的方法論與新視角．

(4) 相互作用觀念.自然界中物質(zhì)間存在著普遍的聯(lián)系與相互作用,人們對于物體與物體之間的相互作用經(jīng)歷了從直覺觀察到思辨分析、從宏觀世界到微觀世界、從實物到場、從超距作用到近距作用等觀念上的重大突破．在高中物理教學中,應該幫助學生認識并理解4種基本相互作用及其作用方式、作用特點,運用物質(zhì)間相互作用的機制來理解物質(zhì)世界的存在、發(fā)展和演化,運用相互作用的觀點去思考運動現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)隱含在現(xiàn)象背后的規(guī)律．

通過高中物理教學,應幫助學生形成物質(zhì)觀念、運動觀念與相互作用觀念、能量的觀念等,并能夠從經(jīng)典物理到近代物理體會物理觀念的發(fā)展與變化;能夠從物理學的視角正確描述和解釋自然現(xiàn)象,綜合運用所學的物理知識解決實際問題;能有效地指導工作和生活實踐．

2 “靜電場”教學與物理觀念的滲透

2.1 靜電場的教學分析

“靜電場”一章是高中階段電學內(nèi)容的開始,具有承上(力學)啟下(電磁學)的重要作用,其核心內(nèi)容是電場的概念及描述電場特性的物理量．

本章重點研究靜電荷產(chǎn)生的靜電場的性質(zhì),是從電荷在電場中受力和電荷在電場中具有能量兩個角度出發(fā),滲透相互作用觀念與能量觀念;靜電場是繼引力場教學后又一次面對“場”的問題,能正確認識場的物質(zhì)性和客觀存在性是有困難的,這是對學生物質(zhì)觀念的發(fā)展;在電場中帶電粒子的運動研究豐富了學生對運動觀念的認識．不難發(fā)現(xiàn),“靜電場”一章教學對發(fā)展學生的物理觀念、豐富認知圖式具有重要作用．

2.2 基于靜電場教學,滲透物理觀念

2.2.1 靜電場與物質(zhì)觀

高二年級的學生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了初步的認識．知道物質(zhì)是由分子或原子組成的,原子由原子核和核外電子組成,對于固體、液體和氣體的性質(zhì)有了一定的認識,但是認知局限于宏觀的、“看得見、摸得著”的物質(zhì)．

靜電場一章是對學生物質(zhì)觀念認知的一次重大突破,體現(xiàn)在以下的兩方面．首先,本章涉及帶電的微觀粒子,如電子、金屬中的正離子、氣體電離后形成的正負離子、等離子體等,這些物質(zhì)不容易直接觀察到,形成認識障礙．

在教學中可以通過實驗幫助學生認識到微觀粒子的存在,增強感性認識．演示圖1的陰極射線管實驗,在熒光板上看到一條綠色的線跡,電子束在磁場作用下還能發(fā)生偏轉(zhuǎn),認識到電子的真實存在．通過電風吹蠟燭(圖2)實驗,講解空氣分子被電離后出現(xiàn)了正、負離子,定向運動形成的“風”可以使蠟焰搖曳,甚至被“吹滅”．如此,“不可見”的微粒被觀察到了,促進了學生物質(zhì)觀念發(fā)展．

圖1

圖2

其次,《物理課程標準》提出“要了解靜電場,初步了解場是物質(zhì)存在的形式之一”,這是具有難度的．因為電磁場是一種真實存在的物質(zhì),但是與人們直觀能體察到的、占據(jù)有限空間的物體不同,抽象性強．它是通過被作用物體運動之變化來表現(xiàn)自身性質(zhì)的．雖然電磁場不能被“看見”,但是它的強弱可以被測量到,這為研究場這種物質(zhì)提供了有效的手段．在高中物理教學中使學生相信“場的客觀存在”關鍵在于感受到“場”,具體可以采用以下兩種策略．

策略1.《物理原理與問題(Physics Principles and Problems)》中描述到電場“靜電力與你在第8章中學過的萬有引力類似,都與兩個質(zhì)點間距離的平方成反比．這兩種力都能作用到很遠的距離．那么,一個力又是怎樣穿越過似乎空無一物的空間而對物體產(chǎn)生作用的呢?法拉第認為,如果一個帶電物體A能對位于空間中任一點處的另一個帶電物體B產(chǎn)生作用,那么帶電物體A必然以某種方式使空間的特性發(fā)生了改變,而物體B則感受到了空間的這種改變,并因此受到了反應它所在空間的這種特性的作用力．人們稱改變了空間的這種特性稱為電場．”[2]力是具有物質(zhì)性的,既然電荷在電場中受到了力的作用,那么電場就是具有物質(zhì)性的,這是一種邏輯推理的結(jié)果．

策略2.通過“靜電場點亮日光燈”實驗證明電場具有物質(zhì)性．實驗裝置如圖3所示,在范德格拉夫起電機金屬球殼旁邊,沿其半徑方向放置一個日光燈管;打開起電機開關,會看到日光燈發(fā)光．

學生看到這一場景后驚訝不已,備受震撼,激發(fā)了學生的好奇心和求知欲．教師引導學生分析日光燈亮起來的原因,學生直觀看到了日光燈從帶電體周圍空間獲得了能量,認識到了電場的真實存在性,也為電勢能的講解做好鋪墊．

2.2.2 靜電場與相互作用觀

學生在初中物理學習中已經(jīng)定性地認識到電荷間相互作用的規(guī)律:同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引;高中階段可以通過庫侖定律定量計算點電荷間的相互作用力．

牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力時的基本思想是:所有具有質(zhì)量的物體之間都存在著吸引力,這種作用是超距的,不需要物與物的接觸．至于庫侖力,既然與萬有引力如此相似,人們自然認為電力也是一種超距作用,因為從表面來看,當一個物體帶上正電荷后,在離開它很遠地方的另一個帶負電的物體就立即能夠受到它的吸引力,這個力像是越過了兩者的空間在瞬時間直接傳過去的．

但是超距作用觀念與生活中常見現(xiàn)象得出的認識不相符合．我們推桌子時,通過手和桌子直接接觸,力作用在桌子上;馬拉車時,通過繩子和車直接接觸,力作用在車上．這些現(xiàn)象中,任何一種作用都是通過物體與物體直接接觸而傳遞的．難道庫侖力與引力就能不通過任何媒介傳播?這引發(fā)了越來越多物理學家的思考．直到19世紀30年代,英國物理學家法拉第才對超距作用提出了不同的看法,并首先對于電磁相互作用引入了場的概念,即帶電體、磁體或電流周圍空間存在一種由電或磁產(chǎn)生的物質(zhì),它無處不在,起到傳遞電、磁力的媒介作用,法拉第稱之為“場”．由此學生認識到庫侖力不是超距作用的,是電場對電荷的作用力,可通過圖3說明作用機制．

圖3 電荷之間通過電場相互作用

圖4 帶電粒子在電場中運動

在后續(xù)學習中,不再畫出場源電荷,僅畫出電場線表示電場的存在,對放入其中的電荷能產(chǎn)生力的作用,如圖4,這其實是一種相互作用觀念的轉(zhuǎn)變:是場對電荷產(chǎn)生了力的作用,無需知道場源電荷情況如何．

從“超距作用”到“場的傳遞”是一次思維的飛躍,是一次相互作用觀念的豐富與發(fā)展,在教學中介紹這段發(fā)展歷史,讓學生體會科學思維的發(fā)展過程與科學概念的建立過程．

2.2.3 靜電場與運動觀

運動是物理學研究的經(jīng)典問題之一,在物理學不同發(fā)展階段對運動有著不同的認識與理解．在高一階段的力學學習中,主要涉及質(zhì)點的機械運動——直線運動、拋體運動、圓周運動與機械振動,學生認識了運動的相對性原理、獨立性原理,掌握了運動矢量的合成與分解的方法,為研究帶電粒子在電磁場中的電磁運動打下了基礎．

在電場中,帶電粒子的運動形式由受到的電場力決定．研究氫原子核外電子繞核運動的問題,采用勻速圓周運動的模型,庫侖力提供向心力F庫=Fn,可推出電子在不同半徑處原子系統(tǒng)的能量,為后續(xù)玻爾模型的提出奠定基礎．研究帶電粒子在勻強電場中的運動,受到恒力qE作用,在教學中可以與重力場中質(zhì)點的運動進行類比分析,幫助學生認識到帶電粒子可以做勻變速直線運動、勻變速曲線運動,使學生容易地構(gòu)建起帶電粒子運動的模型;再討論示波管中電場的加速過程、偏轉(zhuǎn)過程,加深過程的理解與分析,豐富學生對運動的認知圖示．通過上述內(nèi)容的學習,使學生認識到同一運動形式可以在不同情境中發(fā)生,起支配作用的物理規(guī)律卻是一樣的,研究方法是一致的．

示波管原理是本章的教學重點,“顯示波形”的原理是其中的難點,這里包含著物理學研究運動的基本方法——運動的合成．在這部分內(nèi)容的教學中可以采用以下的3個教學環(huán)節(jié),幫助學生理解掃描電壓的作用、屏幕上波形的數(shù)目與掃描頻率的關系等．

環(huán)節(jié)1.兩人合作,先在白紙中央畫一條直線OO1使它平行于紙的長邊,作為圖像的橫坐標軸．一個人用手使鉛筆在白紙上沿垂直于OO1的方向振動,另一個人沿OO1的方向勻速拖動白紙,紙上就畫出了一條描述筆尖振動情況的x-t圖像．

環(huán)節(jié)2.分析演示簡諧運動圖像的裝置,當盛沙漏斗下面的薄木板N被勻速地拉出時,擺動著的漏斗中漏出的沙在板上形成曲線顯示出擺的位移隨時間變化的關系(如圖5),板上的直線OO1代表時間軸,如圖乙所示是擺中的沙在木板上形成的曲線．比較兩組曲線,引導學生分析拉動紙板的速度與波形數(shù)目的關系．

圖5 沙擺位移與時間變化關系

環(huán)節(jié)3.在示波器中,周期性掃描的鋸齒波電壓(圖乙)使電子在水平方向做勻速直線運動,類似于被勻速拉動的薄木板;周期性的偏轉(zhuǎn)電壓(圖甲)使電子在豎直方向運動,通過掃描信號將波形展開(如圖6)．通過以上環(huán)節(jié)的鋪墊,學生能相對容易地理解示波管原理與波形成因．

圖6 偏轉(zhuǎn)電壓與掃描電壓

在示波管原理教學中,學生要經(jīng)歷從宏觀低速物體的運動觀跨越到微觀高速粒子的運動觀,這是運動觀念的深刻轉(zhuǎn)變．示波管的電子槍中熾熱的金屬絲可以發(fā)射電子,在金屬絲和金屬板之間加以電壓U=2500 V,發(fā)射出的電子在真空中加速后,從金屬板的小孔穿出,穿出時電子的速度約3.0×107m/s,接近1/10光速,這個結(jié)果令學生感到驚訝.由于電子的速度很大,交變電壓信號周期較長,同一電子穿過電場的過程可認為電場沒有變化,是穩(wěn)定的勻強電場,這種近似處理方法是學生對運動觀的發(fā)展與深化,在后續(xù)“磁偏轉(zhuǎn)”、回旋加速器中也有涉及．

2.2.4 靜電場與能量觀

能量觀是指學生對能量相關問題的基本認識,從能量視角來解釋自然界的運動和變化,是物理學一種典型的認識、理解和思考方式．物理能量觀念涵蓋5個基本觀點:能量本質(zhì)觀、能量形式觀、能量轉(zhuǎn)化觀、能量耗散觀和能量守恒觀．[3]通過靜電場一章學習,可以加深對能量觀各方面的認識和理解．

如果把一個靜止的檢驗電荷放在電場中,它將在電場力的作用下做加速運動,經(jīng)過一段時間后獲得一定的速度．從功和能的關系來看,在這個過程中,電場力對檢驗電荷做正功,電荷的動能增加了．學生已經(jīng)知道功是能量轉(zhuǎn)化的量度,那么在這個問題中是什么能轉(zhuǎn)化為檢驗電荷的動能呢?教學中可以把檢驗電荷在電場力作用下的運動和地表物體在重力作用下的運動對比一下,學生不難猜測:檢驗電荷的動能是由一種和電場相聯(lián)系的勢能轉(zhuǎn)化而來的;然后引導學生分析:要說明這種勢能的存在,就需要證明電場力是一種與重力類似的保守力——做功與路徑無關;以勻強電場、點電荷形成的電場為例,證明電場力對檢驗電荷做功只與該電荷的起點和終點的位置有關而與移動的路徑無關,即電場力是保守力,順理成章地建構(gòu)起“電勢能”的概念．

“電勢能”這一概念比較抽象,在教學中可以與重力勢能、彈性勢能進行對比研究，如表1所示

表1

通過比較分析,可以幫助學生加深對勢能的理解,系統(tǒng)地建構(gòu)并豐富頭腦中的能量圖式．

圖7 電容器充電與放電實驗圖

3 結(jié)語

在靜電場這一章的教學實踐中,要充分了解學生通過初中、高一物理學習所形成的物理觀念的情況,基于學生的學情設計教學．可以通過類比、實驗演示、動畫模擬等方法為學生概念的生成搭建腳手架,使學生頭腦中的認知圖式、運動圖景在原有的基礎上不斷豐富和發(fā)展,促進物理觀念的形成與深化．