(江蘇省梁豐高級(jí)中學(xué),江蘇 蘇州 215600)

1 引言

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)。筆者基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向，設(shè)計(jì)“電勢能和電勢”的教學(xué),在知識(shí)建構(gòu)的過程中下功夫,設(shè)計(jì)系列核心問題,創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,讓學(xué)生在與情境的有效互動(dòng)中,深度體驗(yàn)科學(xué)探究,習(xí)得科學(xué)思維方法,建構(gòu)物理概念和規(guī)律,提升物理核心素養(yǎng)。

2 導(dǎo)入自創(chuàng)實(shí)驗(yàn),激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,點(diǎn)燃思維火花

圖1

演示實(shí)驗(yàn)：金屬小球通過絕緣細(xì)線懸掛于兩極板間,用靜電感應(yīng)起電機(jī)給平行板電容器充電并保持連接(如圖1)。要求學(xué)生觀察小球在電容器極板間的運(yùn)動(dòng)情況,并分析原因。

實(shí)驗(yàn)操作1：用絕緣棒撥動(dòng)小球與一帶電極板接觸,由靜止釋放。

生：小球在兩板間擺動(dòng),能撞到極板，并發(fā)出響亮的撞擊聲。

師：小球與一帶電極板接觸帶上同種電荷,釋放后受靜電力排斥,擺向另一極板,接觸瞬間帶上同種電荷,因排斥擺回撞到原來的極板,重復(fù)這樣的運(yùn)動(dòng),一直來回?cái)[動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)操作2：將靜電感應(yīng)起電機(jī)兩金屬球短接使電容器放電。

生：小球仍在兩板間擺動(dòng),但不再撞到極板。

師：為什么不再撞擊極板？

生：沒有電場,小球不再受到電場力作用。

興趣是動(dòng)機(jī)的先導(dǎo),是思維的源泉。“電場擺”演示實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供直觀、感性的材料,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,引發(fā)求知欲望,點(diǎn)燃思維火花。筆者在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí),力求新奇生動(dòng),富有吸引力,使課堂更具趣味性和啟發(fā)性,讓學(xué)生感受物理之美,進(jìn)而養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣,促進(jìn)適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展所需的必備品格與關(guān)鍵能力的形成。

3 基于核心問題,提煉物理規(guī)律,建構(gòu)物理概念

3.1 探究電場力(靜電力)做功的特點(diǎn)

思考與討論1：如圖2所示，在勻強(qiáng)電場中試探電荷+q分別沿路徑1、2、3從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn),計(jì)算這幾種情況下靜電力對(duì)電荷所做的功W。

圖2

生：(1)q沿直線1從A到B，靜電力做功W=F|AB|cosα=qE|AC|；

(2)q沿折線2從A到B，靜電力做功W=F|AC|+F|CB|cos90°=qE|AC|；

(3)q沿曲線3從A到B(采用無數(shù)組跟靜電力平行和垂直的折線來逼近曲線AB的方法)，靜電力做功W=W1+W2+W3+……=qE|AC|。

師：通過以上推導(dǎo)結(jié)果,可以得出什么結(jié)論？這與什么力做功相似呢？

生：靜電力做功與路徑無關(guān),只與電荷的起始位置和終止位置有關(guān)，靜電力做功與重力做功相似。

推廣：由勻強(qiáng)電場推導(dǎo)出來的這個(gè)結(jié)論,也適用于非勻強(qiáng)電場。

借助典型例題,引領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)用極限方法求解問題,并通過分析3個(gè)小問的推導(dǎo)結(jié)果,提煉物理結(jié)論,培養(yǎng)學(xué)生分析、歸納知識(shí)的能力,讓學(xué)生真切感受科學(xué)思維的魅力,提升物理核心素養(yǎng)。

3.2 探究電勢能

師：演示自由釋放粉筆頭,重力做功使重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,那么在演示實(shí)驗(yàn)中靜電力做功,是什么能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能呢？

生：其他形式的勢能。

定義：電荷在電場中具有跟位置相關(guān)的勢能叫做電勢能,用符號(hào)Ep表示。

思考與討論2：靜電力做功與電勢能變化有什么關(guān)系？

(1) 類比重力做功與重力勢能變化關(guān)系猜想。

生：由重力做功等于重力勢能的減少量,猜想靜電力做功等于電勢能的減少量。

圖3

(2) 實(shí)例分析：如圖3所示，帶正電的點(diǎn)電荷不計(jì)重力，先后分別將正電荷“從A點(diǎn)移到B點(diǎn)”和“從B點(diǎn)移到A點(diǎn)”。

師：①電荷所受靜電力方向向右,位移向右,所以靜電力做正功,由動(dòng)能定理，動(dòng)能增大；由能量守恒定律，增大的動(dòng)能是由減少的電勢能轉(zhuǎn)化而來,即WAB=ΔEk=-ΔEp。

生：②靜電力做負(fù)功,由動(dòng)能定理知：動(dòng)能減少；由能量守恒定律知：減少的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為增大的電勢能,即WAB=ΔEk=-ΔEp

總結(jié)：靜電力做的功等于電勢能的減少量，即：WAB=-ΔEp=EpA-EpB。

基于核心問題,引導(dǎo)學(xué)生兩次通過知識(shí)的類比,分別引出電勢能概念,在親歷猜想、實(shí)例分析和理論推導(dǎo)后,提煉靜電力做功與電勢能變化關(guān)系,讓學(xué)生深刻體驗(yàn)到新知識(shí)的得出也可以通過類比舊知識(shí)而獲取,提升了學(xué)生理論分析能力、邏輯思維能力和知識(shí)遷移能力,無痕培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)。

思考與討論3：在上題中,點(diǎn)電荷從A點(diǎn)移到B點(diǎn),電場力做功4×10-9J,再從B點(diǎn)移到D點(diǎn),克服電場力做功3×10-9J,求：(1) 點(diǎn)電荷從A點(diǎn)移到B點(diǎn),再到D點(diǎn)的全過程電勢能變化了多少？(2) 取B點(diǎn)為零電勢能點(diǎn),則點(diǎn)電荷在A點(diǎn)的電勢能為多少？D點(diǎn)呢？(3) 若取D點(diǎn)為零電勢能點(diǎn),則點(diǎn)電荷在A點(diǎn)和B點(diǎn)的電勢能各為多少？

生：(1) 由題意知WAB=4×10-9J,WBD=-3×10-9J,全過程電場力做功WAD=WAB+WBD=1×10-9J,做正功，所以電勢能減少1×10-9J。

變式1：若為帶負(fù)電的點(diǎn)電荷呢？

生：若電性為負(fù),則WAB=-4×10-9J,WBD=3×10-9J,全過程WAD=WAB+WBD=-1×10-9J,做負(fù)功，所以電勢能增加1×10-9J。

師：點(diǎn)電荷電性不同,所受電場力方向相反,所以同樣從A點(diǎn)移到B點(diǎn)，即經(jīng)過相同的位移，靜電力做功正負(fù)相反,電荷電勢能變化正負(fù)相反。這是重力場中重力做功與電場中靜電力做功的差別。所以,利用類比學(xué)習(xí)、遷移相關(guān)知識(shí)時(shí)要注意差異性。

生：由(2)知EpB=0,因?yàn)殪o電力做的功等于電勢能的減少量WAB=EpA-EpB=EpA-0,所以EpA=WAB=4×10-9J。

總結(jié)：電荷在某點(diǎn)的電勢能,等于靜電力把它從該點(diǎn)移到零勢能點(diǎn)所做的功。即EpA=WAB(以B為電勢能零點(diǎn))。規(guī)定：通常取大地表面或離場源電荷無限遠(yuǎn)處為零電勢能點(diǎn)。

生：(2)同理EpD=WDB=-WBD=3×10-9J。

生：(3)EpD=0,所以EpA=WAD=1×10-9J，EpB=WBD=-3×10-9J。

變式2：若點(diǎn)電荷帶負(fù)電呢？

生：若點(diǎn)電荷帶負(fù)電,則WAB=-4×10-9J,WBD=3×10-9J,所以EpA=WAD=WAB+WBD=-1×10-9J,EpB=WBD=3×10-9J。

師：在(2)、(3)中零電勢能點(diǎn)選取不同,同一點(diǎn)電荷在同一點(diǎn)A的電勢能不同,得出電勢能的相對(duì)性:與零勢能點(diǎn)的選取有關(guān),先確定零勢能點(diǎn)的位置才能確定電荷在某點(diǎn)的電勢能,由(1)知電荷在某兩點(diǎn)之間的電勢能之差與零勢能點(diǎn)的選取無關(guān)。

師：電荷在(3)中B點(diǎn)的電勢能為負(fù)值,表示電荷在該處的電勢能比零還要小,得出電勢能是標(biāo)量,無方向但有正負(fù)。

師：在(3)中,零電勢能點(diǎn)不變,僅改變電荷電性后在同一點(diǎn)的電勢能不同,得出電勢能與電荷有關(guān)。若電場消失呢,該電荷還具有電勢能嗎？顯然沒有了,電勢能由電場和電荷共同決定,屬于電場和電荷系統(tǒng)所共有的,具有系統(tǒng)性。

總結(jié)：電勢能的特點(diǎn)——相對(duì)性、標(biāo)量性、系統(tǒng)性。

聚焦物理概念,精心設(shè)計(jì)問題,創(chuàng)設(shè)不同情境,依托教師導(dǎo)學(xué),引領(lǐng)學(xué)生思維由表及里,由淺入深,循序漸進(jìn),有效化解難點(diǎn),自主建構(gòu)物理知識(shí)。讓學(xué)生深度體驗(yàn)物理規(guī)律的提煉和物理概念的建構(gòu)過程，以培養(yǎng)其物理核心素養(yǎng)。

3.3 探究電勢

師：我們用什么方法來定義電場強(qiáng)度？

生：通過試探電荷在電場中所受靜電力與電荷所帶電量的比值來定義。

師：下面我們再用比值定義法探究描述電場性質(zhì)的一個(gè)物理量。

圖4

思考與討論4：如圖4所示，取O點(diǎn)的電勢能為零,則電荷+q在A處的電勢能為多少？

生：EpA=WAO=qELcosθ。

表1

師：由表1可知：比值EpA/q與試探電荷的電荷量及正負(fù)均無關(guān),且比值在電場中同一點(diǎn)是相同的；而在不同點(diǎn)該比值一般是不同的,所以只與電場及該點(diǎn)在電場中的位置有關(guān)。

師生互動(dòng),得出結(jié)論,建立電勢概念，對(duì)定義、表達(dá)式、單位和意義做相關(guān)討論。

通過復(fù)習(xí)電場強(qiáng)度的比值定義法,引導(dǎo)學(xué)生深度體驗(yàn)后自主建構(gòu)電勢概念,并能進(jìn)行簡單描述,培養(yǎng)了學(xué)生分析、歸納知識(shí)的能力。

思考與討論5：在“思考與討論3”中,點(diǎn)電荷電量為1×10-9C,則(2)、(3)中各點(diǎn)的電勢分別為多少？

生：由(2)知EpA=4×10-9J,EpC=3×10-9J，所以φA=EpA/q=4V,φC=EpB/q=3V。

生：由(3)知EpA=1×10-9J,EpB=-3×10-9J,所以φA=EpA/q=1V,φB=EpB/q=-3V。

變式3：若(3)中點(diǎn)電荷帶負(fù)電如何？

生：EpA=-1×10-9J,EpB=3×10-9J,所以φA=EpA/q=1V,φB=EpB/q=-3V。

師：在(2)、(3)中零勢能點(diǎn)(即零電勢點(diǎn))選取不同,同一點(diǎn)A的電勢也不同,得出電勢與零電勢點(diǎn)的選擇有關(guān),即具有相對(duì)性。注意：零電勢的選擇是任意的,通常取大地或無窮遠(yuǎn)處為零。

師：在(3)中B點(diǎn)的電勢為負(fù)值,表示電荷在該點(diǎn)的電勢比零還要小,電勢是標(biāo)量。

師：在“思考與討論4”中比值Ep/q與試探電荷無關(guān),只與電場本身有關(guān),得出電勢的固有性。

基于核心問題,進(jìn)行類比,導(dǎo)出電勢特性,領(lǐng)悟知識(shí)的相通性,發(fā)展了學(xué)生科學(xué)思維,并將其內(nèi)化為處理未知問題的品質(zhì)和能力,無痕培養(yǎng)了學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

討論與交流：沿著電場線移動(dòng)正電荷,電場力做正功,電勢能減小,電勢減小。沿著電場線移動(dòng)負(fù)電荷,電場力做負(fù)功,電勢能增大,電勢減小。從而得出“沿著電場線方向電勢逐漸降低”的結(jié)論。

在整個(gè)教學(xué)過程中,筆者只是提出問題,創(chuàng)設(shè)情境,適當(dāng)啟發(fā)和點(diǎn)撥,學(xué)生自主探究,深度體驗(yàn),建構(gòu)概念,提煉規(guī)律,鞏固提升,掌握知識(shí),體驗(yàn)成功的快樂,感受科學(xué)思維,品質(zhì)得到了培養(yǎng),智力得到了發(fā)展。從而實(shí)現(xiàn)了讓思維貫通教學(xué),讓學(xué)習(xí)真正發(fā)生,讓核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)無痕達(dá)成。

4 結(jié)語

基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的課堂教學(xué),要求教師在教學(xué)中不斷為學(xué)生創(chuàng)設(shè)問題解決的機(jī)會(huì),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,積極動(dòng)腦猜想與思考、討論與交流,自主獲取知識(shí),在主動(dòng)探究的深度體驗(yàn)中養(yǎng)成行為習(xí)慣,發(fā)展關(guān)鍵能力,讓學(xué)生在今后的生活和工作中遇到未知問題時(shí),會(huì)運(yùn)用科學(xué)方法來解決,這種收獲讓學(xué)生終身受益,也體現(xiàn)了物理教學(xué)對(duì)提升學(xué)生核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用。

基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的課堂教學(xué),要求教師的每一節(jié)課不再只是簡單的“復(fù)制粘貼”,而要有所創(chuàng)新,從“知識(shí)傳遞”轉(zhuǎn)向“知識(shí)建構(gòu)”,這就需要教師不斷學(xué)習(xí),提升自己,凝練教學(xué)主張,形成獨(dú)特風(fēng)格,提高課堂教學(xué)有效性。