鄧穎

摘? ?要：文章通過設計兩個創(chuàng)新演示實驗來深化學生對“電源”和“電場”概念的理解。物理概念是建立物理學大廈的基石，是學生對物理概念深刻理解的基礎。在學習抽象的物理概念時，以實驗作為學生認知的起點，從現(xiàn)象到探究科學本質(zhì)，可以有效提升學生的核心素養(yǎng)。

關鍵詞：電源;電場;電場強度;創(chuàng)新實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）12-0030-3

1? ? 創(chuàng)新演示實驗演示電荷周圍存在電場，深化對電場概念的理解

案例1 人教版高中物理選修3-1 “電場”教學設計

1.1? ? 用氖管與范德格拉夫起電機使“電場”可視化

電場是高中物理最難理解的概念之一，因為電場本身具有抽象性，看不見摸不著，學生很難正確理解。用創(chuàng)新實驗證明電荷周圍存在看不見的特殊物質(zhì)是電場。創(chuàng)新演示實驗一：如圖1所示，懸掛的小球發(fā)生了偏移，電荷之間產(chǎn)生了相互作用。法拉第認為電荷之間的作用是通過電場產(chǎn)生的，若將帶電小球移除，改變場源電荷M（用范德格拉夫起電機充當M），M在周圍空間產(chǎn)生的電場仍將使懸掛的小球再次發(fā)生偏移。

創(chuàng)新演示實驗：演示電荷周圍存在電場。實驗器材有范德格拉夫起電機（范式起電機）、氖管（試電筆中的氖管）、透明吸管。將起電機開關打開，手持氖管一端靠近范式起電機但不要接觸，看到氖管發(fā)出橙色的光，遠離起電機，氖泡熄滅，如圖2所示。將氖泡放入到透明吸管中，然后手持吸管靠近范式起電機，也會看到氖泡發(fā)光，如圖3所示。從實驗效果來看，手持氖管發(fā)光強度更大，原因是氖管兩側(cè)的電勢差決定發(fā)光強度，手持氖管時手持的一端相當于直接接地，這樣氖泡兩端電勢差大，發(fā)光強度也強。

原理說明：范式起電機的原理見人教版高中物理選修3-1第38頁。當范式起電機工作時，殼上分布著正電荷，我們手持氖管靠近起電機，在帶電球殼周圍形成了強電場，電場使得氖泡發(fā)光。根據(jù)實驗現(xiàn)象說明帶電球周圍存在一種看不見的物質(zhì)——電場，電場可以使氖管發(fā)光，說明電場是有能量的，同時可以更好地理解場和實物是物質(zhì)存在的兩種不同形式。

氖管發(fā)出橙色光容易引起視覺注意，這里用其他各種顏色的發(fā)光二極管來演示也可以，但實驗效果不及氖管好。也可以將多個氖管串聯(lián)來演示電場存在，在距離帶電金屬球殼較遠的位置氖管會發(fā)光，如圖4所示。演示實驗操作的一個重要指標就是可視性，氖管發(fā)光強度越大證明效果越好。

1.2? ? 創(chuàng)新演示實驗演示電場有強弱和方向

實驗器材：范德格拉夫起電機（范式起電機）、7個3 V白色發(fā)光二極管、吸管一根、銅導線一根、剪刀一把、鱷魚鉗一把。

實驗演示：首先，將導線剝皮，用銅線將發(fā)光二極管正負極引腳依次連接，然后將吸管用剪刀從中間剪開一條直線，將連接好的發(fā)光二極管放入吸管內(nèi)部，吸管起到固定作用，如圖5所示。其次，接通范式起電機電源，發(fā)光二極管靠近范式起電機，在距離金屬球殼一定距離時可以看見二極管發(fā)光（觀察實驗可得：白色二極管發(fā)出的光線強度最強，其他各種顏色亮度相對較弱），如圖6所示（在較暗環(huán)境觀察，效果更好）。距離范式起電機越近，二極管發(fā)光亮度越大，說明電場是有強弱的，距離場源電荷越近，電場強度越大。最后，改變二極管方向，發(fā)現(xiàn)在距離球殼相同的位置二極管不發(fā)光，如圖7所示。在演示實驗之前，可以先演示二極管具有單向?qū)щ娦?，更有益于學生理解電場是有方向的。也可以用單個發(fā)光二極管來演示，串聯(lián)二極管是為了實驗的可視性，便于學生觀察。二極管的單向?qū)щ娦钥梢院芎玫卣f明靜電場的方向性。實驗時，多個二極管串聯(lián)后，在遠處可以明顯觀察到二極管發(fā)光，能更清晰地演示電場的強弱和方向性。

說明：使用范式起電機時，金屬球殼上均勻分布著同種電荷，在球殼外部空間的電場分布著等效于球殼上的電荷集中到球心處產(chǎn)生的電場。距離球心越遠，電場越弱。這里通過二極管發(fā)光強度來反映電場的強弱，越靠近球殼二極管越亮，越遠越暗，說明球殼空間的電場分布與空間位置有關，并由電場本身決定。而在同樣的位置，改變二極管的方向，二級管不發(fā)光，說明電場有方向性。該創(chuàng)新實驗操作簡單，可以很好地說明電場本身具有大小和方向。

點評：關于“電場”的教學實驗設計從教材上的實驗出發(fā)，懸掛帶電小球受到場源電荷作用而偏離豎直方向;用范式起電機替代場源電荷，說明場源電荷周圍存在看不見的特殊物質(zhì)——電場;用二極管和范式起電機直觀展示了電場有強弱和方向。該實驗設計取材簡單，有較高的教學價值，具有可視性和趣味性。

2? ? 創(chuàng)新實驗將抽象物理模型用實驗演示，深化概念理解

案例2 人教版高中物理選修3-1“電流和電源”教學設計

如圖8所示， A、B兩個導體帶等量異種電荷，A導體帶正電，B導體帶負電，用導線連接，電子從B移動到A，中和以后A、B電勢相等不能提供持續(xù)電流，如圖9所示。要想維持A、B之間的穩(wěn)定電勢差需要引入一個裝置使得到達A的電子移動到B，如圖10所示。建立抽象的物理電路模型，在實際的物理情境或?qū)嶒炛С窒?，更利于學生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

物理建模的基礎是從實際問題開始，因此，物理教學所研究的問題應該從真實物理情境出發(fā)進行分析、判斷，簡化、抽象出物理問題與物理模型，然后依據(jù)物理知識、科學思維和數(shù)學工具進行推導演算，最后解決問題。

筆者緊密結(jié)合教材，設計出一個創(chuàng)新演示實驗。實驗器材：靜電感應起電機、5個家庭用220 V試電筆（內(nèi)部有氖管）。

實驗準備：首先，拆出試電筆管內(nèi)的氖管，然后取一根直徑稍微大點的透明塑料吸管，用剪刀在吸管一側(cè)剪出細縫，將氖管依次放入內(nèi)部，最后用銅線連接成圓環(huán)形，以方便套在起電機兩極的小球上，如圖11所示。

實驗步驟：

（1）直接將感應起電機兩極靠近，手搖起電機產(chǎn)生放電現(xiàn)象，說明起電機的兩個小球帶有異種電荷，同時說明兩小球的極性。

（2）將感應起電機兩極之間的距離拉大，短暫搖動起電機使兩極帶電，然后將做好的5個串聯(lián)氖管放上去（關閉室內(nèi)燈光，拉上窗簾便于觀察）。實驗發(fā)現(xiàn)，氖管發(fā)光后迅速熄滅。

（3）持續(xù)搖動起電機，氖管持續(xù)發(fā)光。

物理建模1：根據(jù)以上實驗情境，可以畫出如下電路，如圖12所示。A、B小球帶有等量異種電荷（對應感應起電機兩個萊頓瓶存儲的電荷），電流從帶正電荷的A極通過氖管流到帶負電荷的B極。

為了簡化問題，我們假設導電的是正電荷（實際是帶負電的電子），隨著正電荷移動到負極與負電荷中和，兩極之間的電勢差逐漸降低，當完全中和后（如圖13），沒有電流經(jīng)過，氖管無法發(fā)光。如果想要維持A、B兩極之間的電勢差，就需要把移動到B極的正電荷搬運到A極，如圖14所示，電源P就是維持兩極之間存在穩(wěn)定電勢差的裝置。這樣可以順利過渡到“電動勢”一節(jié)的教學。

物理模型2：依據(jù)圖14的等效電路建立閉合電路的電場線分布模型，如圖15所示。在外電路，電流從正極流向負極，所以外電路電場線從正極沿著導線指向負極。由于電源正、負極之間總是穩(wěn)定保持一定數(shù)量的正、負電荷，所以電源內(nèi)部存在由正極指向負極的電場。在外電路，正電荷從正極移動到負極，電場力做正功，電勢能減少，轉(zhuǎn)化為其他形式的能。在電源內(nèi)部，非靜電力做功（如范式起電機是將機械能轉(zhuǎn)化為電勢能）。在將正電荷從電源負極移動到正極的過程中，電場力做負功，電勢能增加。

點評：“電流和電源”的教學設計通過一個簡單、有趣的實驗將“電源和電動勢”結(jié)合到一起。電源的作用是維持電源兩極之間有穩(wěn)定的電勢差，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。

創(chuàng)新演示實驗可以激發(fā)學生的學習興趣，從實際的物理現(xiàn)象出發(fā)，簡化、抽象、構(gòu)建閉合電路模型，清晰體現(xiàn)了電源外部電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，而電源內(nèi)部是其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能。通過實驗事實和物理建模，學生可以深刻地理解電源的作用和能量轉(zhuǎn)化。

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）