■首都師范大學(xué)附屬育新學(xué)校 楊曉峰 李 濤

電壓在初中物理教學(xué)過程中是一個(gè)比較抽象的概念，為幫助學(xué)生降低理解難度，曾經(jīng)有不同的觀點(diǎn)。以現(xiàn)行的北師大版教材為例，水壓是形成水流的原因，抽水機(jī)是保持水壓的裝置。與抽水機(jī)類似，電源就是把從電源正極經(jīng)導(dǎo)線和用電器流向電源負(fù)極的電荷再?gòu)碾娫磧?nèi)部移到電源正極，在電路兩端保持一定的電壓，就能形成持續(xù)的電流。使用類比的方法可以幫助學(xué)生理解電壓的作用。但如此類比僅僅是電壓術(shù)語(yǔ)的類比，而且有研究者認(rèn)為：把水壓和電壓對(duì)比來講，容易使學(xué)生誤認(rèn)為電壓本質(zhì)上也是一種力。為了讓學(xué)生了解電壓在力方面的特性，從而理解電壓是使電荷定向移動(dòng)形成電流的原因，為此，我們認(rèn)為使用類比法進(jìn)行電壓概念教學(xué)是有必要的。

導(dǎo)體中形成電流的原因，實(shí)質(zhì)上是因?yàn)樵陔妶?chǎng)力的作用下，導(dǎo)體中的自由電荷從高電勢(shì)向低電勢(shì)運(yùn)動(dòng)形成電流，電場(chǎng)力做功，將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。但初中生還沒有學(xué)習(xí)電場(chǎng)的有關(guān)概念，那初中生是否學(xué)習(xí)過相似的科學(xué)知識(shí)呢？仔細(xì)審視初中生已學(xué)習(xí)過的內(nèi)容，重力場(chǎng)與電場(chǎng)都是保守立場(chǎng)，電勢(shì)差與地勢(shì)差在科學(xué)上有很多相似之處。同時(shí)，初中生已經(jīng)有了重力的概念，知道物體在重力的作用下，會(huì)從高地勢(shì)向低地勢(shì)運(yùn)動(dòng)，以及物體在運(yùn)動(dòng)過程中的能量轉(zhuǎn)化。

一、對(duì)初中物理教材中有關(guān)電壓概念的修改與補(bǔ)充

（一）微觀電荷與宏觀小球類比

電學(xué)中很多概念都是非常抽象的，初中生在學(xué)習(xí)過程中是很難憑空想象電荷運(yùn)動(dòng)的樣子。認(rèn)知負(fù)荷理論指出：知識(shí)本身的難易程度決定著內(nèi)在的認(rèn)知負(fù)荷，是無法改變的。而教師對(duì)知識(shí)的呈現(xiàn)方式則決定了外在的認(rèn)知負(fù)荷。因此，為降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，將微觀電荷比喻成宏觀小球，將電流比喻成小球的流動(dòng)。研究電荷定向運(yùn)動(dòng)形成電流的原因，也就可以通過研究水平放置的玻璃管中的小球運(yùn)動(dòng)情況來類比。

（二）電場(chǎng)力與重力類比

初中生雖然沒有學(xué)習(xí)電場(chǎng)力，但已經(jīng)知道電荷之間的相互作用力，即同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。同時(shí)，重力也可以說成是地球?qū)π∏虻囊?，將裝滿小球的玻璃管稍微傾斜，小球便在地球引力的作用下，由高地勢(shì)向低地勢(shì)流動(dòng)，并且在此過程中撞擊風(fēng)車葉片對(duì)外做功。由此，學(xué)生很容易聯(lián)想到在導(dǎo)體兩端如果累積了正負(fù)電荷，導(dǎo)體中大量的自由電荷便會(huì)在電荷間的引力或斥力的作用下向某一個(gè)方向流動(dòng)形成電流。為了增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，增加演示實(shí)驗(yàn)。首先，使用靜電起電機(jī)，使兩個(gè)平行板帶電，然后把一個(gè)氖管通過導(dǎo)線與兩個(gè)平行板相連，可以清晰地看到氖管閃亮了一下。這樣，學(xué)生能很直觀地理解導(dǎo)體中的電荷是在電荷間的引力與斥力的作用下定向運(yùn)動(dòng)形成電流，并將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。

（三）電勢(shì)差與地勢(shì)差類比

水平放置的玻璃管中的小球，雖然受到地球的引力，但這些小球是在同一水平面上即小球的地勢(shì)相同，小球不會(huì)流動(dòng)。只有當(dāng)玻璃管傾斜時(shí)即存在地勢(shì)差時(shí)，小球才會(huì)在地球引力的作用下由玻璃管的一端流向另一端。與此相似，電學(xué)中也存在類似地勢(shì)的特征，也有高低之分即電勢(shì)。由此，學(xué)生可以理解導(dǎo)體中的自由電荷是在電荷間的引力與斥力的作用下，由高電勢(shì)向低電勢(shì)流動(dòng)從而形成電流，如果電荷在同一個(gè)電勢(shì)面上則不會(huì)流動(dòng)形成電流。所以導(dǎo)體中形成電流的條件就是要有電勢(shì)差。另外，也可以指出電源外部電路的電勢(shì)差就成了電壓。由此，電壓的概念才在學(xué)生的頭腦中初步形成。

（四）電荷運(yùn)動(dòng)中的能量轉(zhuǎn)化

物理概念只有結(jié)合實(shí)例才能使學(xué)生理解深入。充電后的平行板只能使氖管一閃而滅，正如被流動(dòng)的小球撞擊的風(fēng)車不能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這是因?yàn)樾∏驈母叩貏?shì)向低地勢(shì)流動(dòng)的過程中可以對(duì)外做功轉(zhuǎn)化為風(fēng)車的機(jī)械能，當(dāng)小球都流到低地勢(shì)處即處在同一地勢(shì)時(shí)就不再流動(dòng)。同時(shí)，在此可以指出并不是小球被消耗了，小球并沒有消失，只是地勢(shì)差沒有了，小球的能量轉(zhuǎn)移了。此時(shí)只有將小球再次搬運(yùn)到高地勢(shì)，小球才能繼續(xù)流動(dòng)持續(xù)對(duì)外做功。而將小球從低地勢(shì)搬運(yùn)到高地勢(shì)就是外界對(duì)小球做功，是其他形式能轉(zhuǎn)化為小球的機(jī)械能。與此相似，只有不停地把低電勢(shì)的電荷搬運(yùn)到高電勢(shì)處，這個(gè)過程就是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。電荷才能在力的作用下持續(xù)運(yùn)動(dòng)形成持續(xù)電流，才會(huì)對(duì)外做功，將電能轉(zhuǎn)化為其他形式能，如此往復(fù)。搬運(yùn)電荷的裝置就稱為電源，電源是提供電能與電壓的裝置。

二、研究總結(jié)與討論

物理概念是客觀事物的共同屬性與本質(zhì)在人腦中的反映，物理概念的生成既需要大量的感知活動(dòng)、經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為依托，也需要依靠科學(xué)方法才能使學(xué)生形成清晰的物理概念。電壓概念是一個(gè)非常抽象的科學(xué)概念，它既不是能量，也不是力，學(xué)生缺少直接的感性認(rèn)識(shí)。類比法在物理學(xué)習(xí)中能幫助學(xué)生練習(xí)感性認(rèn)識(shí)，拓寬物理圖景，同時(shí)類比法又是極具物理特色的科學(xué)方法。因此，初中生使用類比法建立電壓的概念是一個(gè)非常正確的策略。在教材中將電壓與水壓進(jìn)行類比，電壓的本質(zhì)是電勢(shì)差，是具有“相對(duì)”意義的物理量，有一定的空間距離感，而水壓是一種力。因此，用水壓比喻電壓，效果不盡人意，而電勢(shì)差與地勢(shì)差有著很多相似的地方。同時(shí)，在初中階段引入電勢(shì)與電勢(shì)差的概念并不會(huì)增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，它作為概括性更高的先行組織者為電壓概念的理解提供了觀念上的“固定點(diǎn)”，并促使了知識(shí)的結(jié)構(gòu)化，而且本設(shè)計(jì)在形式與科學(xué)性上都一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行類比。使用類比策略更有利于學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)電壓，從而更好地突破了學(xué)生對(duì)電壓內(nèi)涵認(rèn)識(shí)的難點(diǎn)。

總之，在教學(xué)過程中，雖然使用類比、先行組織等方法能幫助學(xué)生建立電壓的概念，但是，結(jié)合實(shí)例的應(yīng)用更是學(xué)生理解電壓的重要補(bǔ)充與延伸。因此，應(yīng)后續(xù)安排學(xué)生用電壓表測(cè)量導(dǎo)體兩端的電壓，幫助學(xué)生理解電壓就是導(dǎo)體兩端的電勢(shì)差，從而取得更好的教學(xué)效果。