電勢差教學(xué)中演示實驗的探究

李秀芬

摘 要：實驗是物理的靈魂，演示實驗是最高效的物理實驗教學(xué)策略。電勢差這一知識點概念性強、抽象、理解難度大，又是高考的重點，教材中對這一知識點沒有編排演示實驗，使得電勢差的教學(xué)成為教師課堂教學(xué)中的“難題”。本文通過高效精彩的演示實驗，將抽象的電勢差概念具體形象化，賦予枯燥難懂的電勢差靈性，打破以往“灌輸式”的教學(xué)模式，開創(chuàng)了電勢差教學(xué)的新思路。

關(guān)鍵詞：電勢差 電場力做功 等勢面 高效課堂

孤立帶電體很難與周圍環(huán)境絕緣，空氣和實驗操作中的接觸都會使帶電體的電荷量迅速減少，使其很難形成穩(wěn)定而強大的電場，這就是教材中電場這部分內(nèi)容沒有編排演示實驗的原因。而范式起電機能很好地解決這個問題。

范式起電機（Van de Graaff generator）是一種能產(chǎn)生很高電壓的靜電高壓發(fā)生裝置。如圖所示，大金屬球電極由有機玻璃圓筒支撐，上下有兩個輥，下輥與電機相連。當(dāng)接通電源時，下輥通過膠帶帶動上輥運轉(zhuǎn)，這樣上輥與膠帶摩擦產(chǎn)生負(fù)電荷，大量的負(fù)電荷就被上輥旁的上集電梳收集到大金屬球電極上；同時，膠帶與上輥摩擦產(chǎn)生正電荷，大量的正電荷被膠帶輸送到下輥，被下輥旁的下集電梳收集進(jìn)入大地。而下輥產(chǎn)生的負(fù)電荷，由膠帶運送到上輥，被上集電梳收集到大金屬球電極上。電機不停地運轉(zhuǎn)，不斷反復(fù)上述過程，從而產(chǎn)生很高的電位。在實驗中范式起電機的大金屬球電極就充當(dāng)了“場源電荷”的角色。由于起電機能源源不斷為大金屬球電極輸送電荷，所以大金屬球電極的帶電量不會因為周圍環(huán)境的影響而減少，它就能產(chǎn)生穩(wěn)定而強大的電場，供教師進(jìn)行電勢差的演示實驗。

有了穩(wěn)定而強大的電場后，下面就來做一個神奇而有趣的實驗——在電場中點亮日光燈管。這個奇妙的過程能夠十分形象地說明電場中電勢差是客觀存在的。具體做法如下：

首先，準(zhǔn)備實驗儀器。范式起電機和日光燈管必不可少，還需要方便操作的絕緣橡膠手套。

然后，便是具體操作。先將日光燈管固定在玻璃支架上，將燈管沿著金屬球半徑方向水平放置，要保證燈管與金屬球高度相同，這樣實驗現(xiàn)象才會更明顯。然后打開范式起電機，就可以看到日光燈管亮了！如圖1所示，沒有通電，日光燈卻能發(fā)光，這是多么神奇呀！

圖1

接著，讓日光燈管遠(yuǎn)離金屬球，放置方位不變，戴上手套，用手握住日光燈管，打開范式起電機，將日光燈管緩慢地移近金屬球，可以觀察到日光燈管越來越亮，直到最后可以照亮整個教室。如圖2所示，沒有通電，日光燈管從哪兒得到這么大的能量？真是太神奇了！

圖2

緊接著，還有更神奇的現(xiàn)象。用一根接地線接觸燈管的遠(yuǎn)端，可以看到整個日光燈管都亮了！如圖3所示。

圖3

最后，改變?nèi)展鉄艄艿奈恢?，將日光燈管沿著與金屬球半徑垂直的方位水平放置，日光燈管竟然不亮了！

這個神奇而又有趣的演示實驗?zāi)苷f明什么呢？怎樣圍繞實驗現(xiàn)象開展電勢差的教學(xué)呢？有了這個有趣的演示實驗，就能直觀又形象地引入“電勢差”的概念。比如，設(shè)計問題：“燈管亮了說明了什么？使燈管發(fā)光的能量是從哪里來的？”啟發(fā)學(xué)生思考并總結(jié)：燈管亮了說明燈管兩端有電壓，也就是存在電勢差；燈管處于金屬球的電場中，那么電勢差就是由金屬球的電場提供的。使燈管發(fā)光的能量是通過電場力對帶電粒子做功由電勢能轉(zhuǎn)化而來的。

由演示實驗引入電勢差，既直接又形象。學(xué)生真真切切地看見了電勢差存在的證據(jù)，印象深刻，實驗法要比類比法和講解法更易于讓學(xué)生接受，大大降低了學(xué)生的理解難度。教師不需要過多的語言，也大大降低了教師的教學(xué)難度，真正實現(xiàn)了高效教學(xué)。所以，用演示實驗引入電勢差概念是教學(xué)上的創(chuàng)新和突破。

引入電勢差概念之后，就可以利用演示實驗幫助學(xué)生準(zhǔn)確地理解電勢差的物理意義，即電勢差是描述電場能量的物理量，通過實驗還可以解釋電勢差和電場力做功的關(guān)系。設(shè)計這樣的問題：“將燈管緩慢地水平移近金屬球，燈管為什么越來越亮？”啟發(fā)學(xué)生分析：將燈管緩慢地水平移近金屬球，燈管越來越亮說明燈管兩端的電勢差越來越大。從電場力做功的角度看，越靠近金屬球，電場力越大，相同的位移電場力做的功就越大，轉(zhuǎn)化的電勢能就越多，燈管獲得的能量就越多，燈管就越來越亮。而用一根接地線接觸燈管的遠(yuǎn)端，燈管遠(yuǎn)端的電勢變?yōu)榱?，燈管兩端的電勢差更大了。最后總結(jié)：電勢差越大，電場力做的功越大，電勢能轉(zhuǎn)化得越多，實驗現(xiàn)象與公式WAB=qUAB的表述一致?？梢杂脠D4描述這個過程。

理解清楚電勢差的物理意義之后，還可以利用這個演示實驗幫助學(xué)生總結(jié)點電荷電場等勢面的特點。同樣，為了引導(dǎo)學(xué)生思考，設(shè)計這樣的問題：“將燈管沿著與金屬球半徑垂直的方位水平放置，燈管為什么不亮了？”啟發(fā)學(xué)生總結(jié)：將燈管沿著與金屬球半徑垂直的方位水平放置，燈管不亮了，因為燈管兩端接近等勢，電勢差接近于零。用實驗研究等勢面是物理教學(xué)的新思路、新方法。對于學(xué)生來說，能從實驗中親自總結(jié)出等勢面的特點，加深了他們對等勢面概念的理解。圖5描述了這種情形。

綜上所述，電勢差概念的引入、電勢差與電場力做功的關(guān)系、點電荷電場等勢面的特點，這三個教學(xué)重難點都可以通過“在電場中點亮日光燈管”這個演示實驗突破。通過日光燈管的發(fā)光現(xiàn)象給大家展現(xiàn)看不見摸不著的電勢差，化抽象枯燥為形象有趣，活化了電勢差和等勢面這樣抽象難懂的概念，能很好地幫助學(xué)生理解電勢差和等勢面的知識。解開這個神秘的現(xiàn)象，便看到了電勢差的真實存在。神奇的演示實驗現(xiàn)象激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，且該實驗操作簡單，現(xiàn)象明顯，不易失敗，非常適合課堂現(xiàn)場演示，使電勢差的課堂教學(xué)簡單易行，課堂效率大幅度提高，這種探索和改進(jìn)可以說為電勢差教學(xué)開創(chuàng)了一條新途徑。