“電勢(shì)能、電勢(shì)”教學(xué)之我見

葉道雄

電勢(shì)能、電勢(shì)、電勢(shì)差、電場力作功等是靜電場中非常重要的概念，具有抽象、復(fù)雜等特點(diǎn)，使學(xué)生難于掌握。筆者從事多年高中物理教學(xué)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)這一部分知識(shí)掌握得很差，尤其是概念之間聯(lián)系更是深感頭疼。根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合教學(xué)實(shí)際，我發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵在于：學(xué)生對(duì)概念理解立足點(diǎn)低、知識(shí)零星散亂，缺少一根貫穿概念的主線。鑒于此，筆者大膽地將教材的處理方式進(jìn)行了創(chuàng)新，使得主線清晰、成形，學(xué)生掌握知識(shí)脈絡(luò)清楚、循序漸進(jìn)、思維嚴(yán)密、理論高度高，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生抽象思維能力，極大地提高了學(xué)生理解問題的能力。

（一）教材對(duì)“電勢(shì)差、電勢(shì)”的處理：

1、電勢(shì)差：

①“人教版”必修本第二冊(cè)127頁，教材采用類比的方法：

②電場中A、B兩點(diǎn)電勢(shì)差

③電勢(shì)差意義：只反映了電場本身的性質(zhì),電場中兩點(diǎn)間的電勢(shì)差越大，在這兩點(diǎn)間移動(dòng)相同電荷電場力作功越多。

2、電勢(shì) ：

①用電勢(shì)差來定義電勢(shì)

②重力場中的高度差、高度來類比電場中電勢(shì)差、電勢(shì)

重力場中選一個(gè)參考面，重力場中各點(diǎn)高度可以表達(dá)出來。

電場中選一個(gè)參考面，電場中各點(diǎn)電勢(shì)可以表達(dá)出來

③電勢(shì)定義：電場中某點(diǎn)的電勢(shì)，等于單位正電荷由該點(diǎn)移到參考點(diǎn)（零勢(shì)點(diǎn)）時(shí)由場力作的功。

推證：如圖示，設(shè)電場中 B=O，求 A。

將單位正電荷由A點(diǎn)移到B點(diǎn)，有W=qUAB=q（ A- B）

3、電勢(shì)能：

①用重力場中物體重力勢(shì)能來類比電場中電荷的電勢(shì)能。

②類比分析：

重力作正功，物體重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其它形式能；重力作了多少正功，物體就有多少重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其它形式能。

電場力作正功，電荷電勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其它形式能；電場力作了多少正功，電荷就有多少電勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其它形式能。

教材完全采用一種類比法手段，重力場類比電場，講述了電勢(shì)差、電勢(shì)、電勢(shì)能這三個(gè)概念。學(xué)生對(duì)重力場熟悉，由此掌握這些概念也較容易，也符合學(xué)生“由已知到未知”，“由此及彼”、“循序漸進(jìn)”的思維方式。筆者前幾年教學(xué)也采用了教材這種處理方式，效果也比較好，但同時(shí)也遇到一些成績好，思維好的同學(xué)提出了一些問題：比如為什么提出電場中電勢(shì)差概念？可不可以先講電勢(shì)，再講電勢(shì)差？重力場中自由釋放物體，物體總是由高處向低處運(yùn)動(dòng)，電場中自由釋放電荷，它一定從高電勢(shì)向低電勢(shì)運(yùn)動(dòng)嗎？此外教材只是提出了電勢(shì)能，筆者在教學(xué)中給學(xué)生提了一個(gè)問題：同學(xué)們能否猜想出電勢(shì)能的表達(dá)式？不少同學(xué)用類比法得出結(jié)論：電勢(shì)能應(yīng)該是電場力與電勢(shì)乘積，即 （這顯然是錯(cuò)誤的）。無獨(dú)有偶，有的同學(xué)認(rèn)為重力場中高度差為△h=WG/G，那么電場中電勢(shì)差應(yīng)是U=W電/F電，而不應(yīng)該是U=W電/q。況且φ是描述電場的能的性質(zhì)的物理量，而在教材中 的定義體現(xiàn)不出這個(gè)意義。

鑒于以上情況，筆者對(duì)教材內(nèi)容重新進(jìn)行了處理，使得主線明晰，邏輯嚴(yán)密，概念準(zhǔn)確，學(xué)生一系列的問題得到解決。在此筆者愿意告知同仁，共同商榷，以便探索出一種好的處理方式，努力提高教學(xué)水平。若有不妥之處，還請(qǐng)同仁批評(píng)指正。

（二）電勢(shì)能、電勢(shì)的教學(xué)

1、電勢(shì)能：

①電荷在電場中具有能量

推證：

由能量守恒定律可知：在真空中孤立電荷電場中自由釋放—試探電荷可知：該電荷動(dòng)能會(huì)增加，必然伴隨著某種能量減少?？赏浦撛囂诫姾稍陔妶鲋芯哂心撤N能量。

由功能關(guān)系可知：上例中電荷q的運(yùn)動(dòng)過程，電場力作了正功，功是能的轉(zhuǎn)化的量度，該過程一定實(shí)現(xiàn)了能的轉(zhuǎn)化，可推知該電荷在電場具有某種能量。

由能的概念可知：物體能對(duì)外作功則物體就具有能量。

如圖示一輕彈簧，一端與一試探索電荷相連，另一端與一擋板相連（以下簡稱裝置），該裝置放在真空中孤立點(diǎn)電荷電場中，擋板固定，易知試探電荷會(huì)壓縮彈簧，即對(duì)彈簧作功，可推知：該試探電荷在電場中具有能量。

②我們將電荷在電場中具有的能量叫電荷的電場能，習(xí)慣上叫電勢(shì)能。

③電勢(shì)能 是標(biāo)量，單位：焦耳。

④電勢(shì)能的具體值具有相對(duì)性：

A、與重力場中重力勢(shì)能相類比，要確定重力勢(shì)能值，必須要選一個(gè)零勢(shì)面。同樣要確定電勢(shì)能值也需先確定一個(gè)零勢(shì)面。

B、零電勢(shì)面選取是任意的，一般選無窮遠(yuǎn)處或大地的電勢(shì)為零。

C、 值的確定：由功能關(guān)系可知電荷在電場中某點(diǎn)所具有的電勢(shì)能等于該電荷從該點(diǎn)移到零勢(shì)面處電場力作的功。（與重力場相類比，物體在重力場中某點(diǎn)的重力勢(shì)能，它等于將重物移到零勢(shì)面處重力作的功）。

D、 值有正負(fù)之分，可帶符號(hào)比較大小，即正電勢(shì)能一定大于零，零一定大于負(fù)電勢(shì)能。

2、電勢(shì)：

教法：與E的定義進(jìn)行類比教學(xué)。

電荷在電場中要受到電場力作用 電荷在電場中具有電勢(shì)能

同一試探電荷在不同點(diǎn)受到電場力不同 同一試探電荷在電場中不同點(diǎn)具有的電勢(shì)能不同

同一點(diǎn)分別放上不同電量的試探電荷，電荷在該點(diǎn)電場力不同，且知F∝q 同一點(diǎn)分別放上不同電量的試探電荷，電荷具有的電勢(shì)能不同且知 ∝q

定義E= 定義電勢(shì) =

①電勢(shì)定義：我們將試探電荷在電場中某點(diǎn)具有的電勢(shì)能與電荷電量的比值定義為該點(diǎn)的電勢(shì)。

②定義式：

③對(duì) 的理解：

A、 雖然由電荷具有的電勢(shì)能 和電荷電量定義的，但 并不由 .q決定，不能說 與 成正比，與q成反比。

B、 是描述電場的能的性質(zhì)的物理量，僅由電場本身決定，與是否存在試探電荷無關(guān)。

C、 是狀態(tài)量，只有電場中某點(diǎn)才談電勢(shì)。

D、 具有相對(duì)性，具體的值與零勢(shì)面選取有關(guān)。（因?yàn)?具有相對(duì)性）。

E、 越高的地方，正電荷具有的電勢(shì)能越大，負(fù)電荷具有的電勢(shì)能越小。

F、 的合成遵循法則：代數(shù)和。

G、 、 有正有負(fù)，可比較大小（帶符號(hào)）。

3、電勢(shì)差U（又叫電壓）

①定義：

②U的值與零勢(shì)面選取無關(guān)。

③UAB的大小反映電場中A、B兩點(diǎn)電勢(shì)的差值。

④UAB大小反映在A、B兩點(diǎn)移動(dòng)電荷作功的多少。（A、B兩點(diǎn)UAB越大，在A、B間移動(dòng)相同電荷電場力作的功越多，反之，作功越少）。

4、電場力作功：

重力作正功，EP減少 電場力作正功， 減少

重力作負(fù)功，EP增加 電場力作負(fù)功， 增加

重力作功的值與EP變化值相等 電場力作功的值與 變化值相等

①電場力作功與電勢(shì)能關(guān)系：（類比法教學(xué)）

A、

B、電場力作功引起 的變化：電場力作正功， 減少；電場力作負(fù)功， 增加，量值相等。

C、 的變化僅由電場力作功判定，與電荷是否受其它力，其它力是否作功均無關(guān)，與電荷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)情況無關(guān)。

D、重力、彈簧彈力、分子力、電場力作功會(huì)引起相應(yīng)的勢(shì)能變化，規(guī)律完全相似。

②電場力作功

推證：將一試探電荷從A移到B點(diǎn)；

A、電場力作功只與電荷電量，始、末位置電勢(shì)差決定，與電荷的具體運(yùn)動(dòng)過程無關(guān)，即與路徑無關(guān)。

B、電場力作功特點(diǎn)與重力作功特點(diǎn)完全類似。

C、電場力作功的求法：

（1）WAB=qUAB(適用于一切電場，是電場力作功的定義式)

（2）WAB=-△ε（適用于一切電場， ）

（3）WAB=qE·S· （只適用于勻強(qiáng)電場）

5、電場線與電勢(shì)

①沿著電場線的方向，電勢(shì)越來越低。

推證：如圖：將一正試探電荷由電場中A點(diǎn)

移動(dòng)到B點(diǎn)：WAB>0

易證：

（讓學(xué)生推導(dǎo)將一負(fù)電荷由A點(diǎn)移到B點(diǎn)情況，教師指導(dǎo)）

②電場線方向是電勢(shì)降低的方向，反過來電勢(shì)降低的方向不一定是電場線的方向。

比如：A→B，A→C，A→D，A→E的方向均為高度降低的方向，

而只有A→B方向?yàn)樨Q直向下方向。

類比于：沿豎直向下的方向高度降低，但并不是高度降低的方向一定是豎直向下的方向。

③電場線的方向?yàn)殡妱?shì)降落最快的方向。

類比于：豎直向下的方向?yàn)楦叨冉德渥羁斓姆较颉?/p>

④選無窮無處為零勢(shì)面，易知：真空中孤立的正點(diǎn)電荷形成的電場中各點(diǎn)電勢(shì)為正，負(fù)點(diǎn)電荷周圍電勢(shì)為負(fù)。

以上是筆者對(duì)這部分教材的處理。筆者認(rèn)為：能量貫穿于整個(gè)高中物理始終，用能量觀點(diǎn)來分析、研究問題往往容易抓住物理問題本質(zhì)，思路清晰、解法便捷，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生思維很有好處，因此對(duì)這部分教材的處理，筆者首先從電勢(shì)能這個(gè)概念入手，采用了類比的方法，逐個(gè)講述，一氣呵成。學(xué)生反響很好，通過講述，他們對(duì)這些概念有了更深、更進(jìn)一步的掌握。2008年11月

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