劉建浩

(浙江慈溪中學(xué) 浙江 寧波 315300)

中學(xué)物理學(xué)主要內(nèi)容有力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理學(xué).學(xué)生開始首先學(xué)習(xí)的是力學(xué)，與力學(xué)知識(shí)相比，學(xué)生在實(shí)際生活中更難獲得與電場(chǎng)知識(shí)相關(guān)的感性認(rèn)識(shí)和直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)；學(xué)生在無(wú)感性認(rèn)識(shí)的抽象環(huán)境中學(xué)習(xí)，導(dǎo)致了學(xué)習(xí)困難和惰性知識(shí)的產(chǎn)生.

情境認(rèn)知理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)者通過(guò)具體情境建構(gòu)知識(shí)，又通過(guò)具體情境活動(dòng)不斷鞏固和發(fā)展所學(xué)知識(shí).在新課教學(xué)中，教師盡量通過(guò)聯(lián)系生活實(shí)際和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境，使學(xué)生能夠在具體情境中建構(gòu)知識(shí)；在學(xué)生學(xué)完相關(guān)新課知識(shí)之后,本文作者創(chuàng)設(shè)了兩個(gè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境，讓學(xué)生通過(guò)情境建?；顒?dòng)鞏固、發(fā)展、激活所學(xué)的知識(shí).

1 手搖電鈴

1.1 實(shí)驗(yàn)情境

如圖1所示，兩平行金屬圓板間放一懸掛的金屬小球(金屬小球直徑為2 cm，兩金屬圓板間距約3.5 cm)，感應(yīng)起電機(jī)兩放電叉分別與兩金屬板接觸；勻速搖動(dòng)感應(yīng)起電機(jī)，懸掛的小球不停地來(lái)回撞擊金屬板，發(fā)出悅耳的金屬鈴聲.

圖1 “手搖電鈴”實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 情境問(wèn)題與情境建模

問(wèn)題1：金屬小球?yàn)槭裁磿?huì)不停地振動(dòng)？

如圖2所示，設(shè)左金屬板帶正電，右金屬板帶負(fù)電，兩板中心部分電場(chǎng)近似看作水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng).金屬小球與左金屬板相碰以后帶上正電，在電場(chǎng)力作用下向右運(yùn)動(dòng)，與右金屬板相碰以后帶上負(fù)電，在電場(chǎng)力作用下向左運(yùn)動(dòng)，不斷重復(fù).

圖2 “手搖電鈴”實(shí)驗(yàn)原理圖

問(wèn)題2：金屬小球一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，搬運(yùn)多少電荷？(設(shè)每次與金屬板相碰后小球帶電荷量大小都為q)

帶電荷量為+q的小球與負(fù)極板相碰以后，帶電荷量變?yōu)?q，有2q的負(fù)電荷從負(fù)極板傳遞給金屬小球；帶電荷量為-q的小球與正極板相碰以后，帶電荷量變?yōu)?q，有2q的負(fù)電荷從金屬小球傳遞給金屬板.所以金屬小球一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從負(fù)極板搬運(yùn)2q的負(fù)電荷到正極板.

問(wèn)題3:進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕坪屠硐牖幚恚瑢懗鲂∏虬徇\(yùn)電荷的過(guò)程中產(chǎn)生的平均電流大小的表達(dá)式.

適當(dāng)?shù)慕坪屠硐牖幚?兩金屬板間距相對(duì)擺長(zhǎng)很小，小球的運(yùn)動(dòng)近似看作直線運(yùn)動(dòng)，細(xì)線拉力與小球重力互相抵消；兩板間距相對(duì)金屬板直徑很小，兩板中心處電場(chǎng)近似看作勻強(qiáng)電場(chǎng)，小球在電場(chǎng)力作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)；感應(yīng)起電機(jī)勻速搖動(dòng)，因此假設(shè)兩金屬板間電壓恒為U(可用靜電計(jì)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)靜電計(jì)指針略有抖動(dòng)，偏角基本恒定).假設(shè)小球與金屬板相碰后速度立即變?yōu)榱?，設(shè)小球的質(zhì)量為m，兩金屬板距離為d，小球帶電荷量大小恒為q.

推導(dǎo)小球搬運(yùn)電荷的過(guò)程中產(chǎn)生的平均電流大小的表達(dá)式:

設(shè)一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為2t

則平均電流

(1)

勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度

其中

所以

(2)

由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得

(3)

由式(1)～(3)得

從表達(dá)式可以看出，距離d和質(zhì)量m越大平均電流越小，電壓U和帶電荷量q越大平均電流越大，基本符合直覺(jué)感受.

2 瘋狂的錫箔小球

2.1 實(shí)驗(yàn)情境

如圖3所示，兩金屬圓板上下平行放置，5個(gè)錫箔揉成的小球放在下面金屬板上；為防止錫箔小球跳出金屬板外，金屬板間再夾一圓環(huán)狀透明塑料圈，塑料圈由常見5 L純凈水瓶裁剪而成；感應(yīng)起電機(jī)兩放電叉分別與上下金屬板接觸，勻速搖動(dòng)感應(yīng)起電機(jī)，觀察到錫箔小球瘋狂地上下跳躍.

圖3 “瘋狂的錫箔小球”實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 情境問(wèn)題與情境建模

問(wèn)題1:錫箔小球?yàn)槭裁磿?huì)上下運(yùn)動(dòng)？

如圖4所示，設(shè)下極板帶正電，上極板帶負(fù)電.錫箔小球與下極板接觸帶上正電，受到向上的電場(chǎng)力大于重力，向上做加速度運(yùn)動(dòng)；小球與上極板相碰而帶上負(fù)電，受到向下的電場(chǎng)力與重力作用，向下做加速運(yùn)動(dòng)再次與下極板接觸，不斷重復(fù).

圖4 “瘋狂的錫箔小球”實(shí)驗(yàn)原理圖

問(wèn)題2:錫箔小球往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，搬運(yùn)多少電荷？(設(shè)每次與金屬板相碰后小球帶電荷量大小都為q)

與“手搖電鈴”原因相同，錫箔小球一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從負(fù)極板搬運(yùn)2q的負(fù)電荷到正極板.

問(wèn)題3:假如兩金屬板之間，只有一個(gè)錫箔小球，進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕坪屠硐牖幚?，寫出小球搬運(yùn)電荷過(guò)程中產(chǎn)生的平均電流大小的表達(dá)式.

適當(dāng)?shù)慕坪屠硐牖幚?兩板間距相對(duì)金屬板直徑很小，兩板中心處電場(chǎng)近似看作勻強(qiáng)電場(chǎng)；感應(yīng)起電機(jī)勻速搖動(dòng)，因此假設(shè)兩金屬板間電壓恒為U；假設(shè)小球與金屬板相碰后速度立即變?yōu)榱?；設(shè)小球的質(zhì)量為m，兩金屬板距離為d，小球帶電荷量大小恒為q.

推導(dǎo)小球搬運(yùn)電荷的過(guò)程中產(chǎn)生的平均電流大小的表達(dá)式:

小球向上運(yùn)動(dòng)的加速度

其中

所以

(4)

同理小球向下運(yùn)動(dòng)的加速度

(5)

設(shè)小球向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t1則

(6)

設(shè)小球向下運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t2則

(7)

小球搬運(yùn)電荷的過(guò)程中產(chǎn)生的平均電流強(qiáng)度

(8)

由式(4)～(8)解得

創(chuàng)設(shè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境進(jìn)行情境化學(xué)習(xí)，鞏固、發(fā)展、激活所學(xué)的知識(shí)，使所學(xué)知識(shí)具備實(shí)踐作用；創(chuàng)設(shè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境進(jìn)行情境化學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)真實(shí)情境建立物理模型的能力，訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維，提升學(xué)生核心素養(yǎng).