淺議CAI中電場變化的模擬描述

姚富華

（重慶市忠縣職業(yè)教育中心，重慶 404300）

一、電場的形象化描述

為了形象的描述電場，人們引入了電場線。用電場線描述電場時，電場的疏密可以表示電場強(qiáng)度的大小，即電場線密處電場強(qiáng)度大，電場線疏處電場強(qiáng)度小。在講解電場線時，我們應(yīng)向?qū)W生澄清以下問題：

1.電場線是為了使電場形象化而假想的線，它是描述電場的重要輔助手段，并非真實(shí)存在的線。

2.任何兩條電場線之間的地方也存在電場，也有電場線。電荷周圍任何一點(diǎn)都有電場，都可以畫出電場線來，但我們通常只畫幾根能反映其基本特點(diǎn)的電場線就行了。

3.不同的電場，場強(qiáng)的分布不同，它們的電場線的形狀也不同。

4.用電場線表示某一電場時，電場線的疏密可以表示電場強(qiáng)度的大小，即電場線密處電場強(qiáng)度大，電場線的疏處電場強(qiáng)度小。

二、CAI中，電場變化的模擬描述方法

1.通過電場線的增減（密度改變）來模擬描述電場隨時間的變化；其二，通過電場線的粗細(xì)改變來模擬描述電場隨時間的變化。

三、用電場線的增減模擬描述電場的變化

1.成因

用電場線的增減（密度改變）來模擬描述電場隨時間的變化，是基于“電場線表示某一電場時，電場線的疏密可以表示電場強(qiáng)度的大小，即電場線密處電場強(qiáng)度大，電場線的疏處電場強(qiáng)度小，”這一方法為基礎(chǔ)，從而形成了在CAI中用增加電場線（密度增大）來表示電場強(qiáng)度增大，用減少電場線（密度減小）來表示電場強(qiáng)度減小。也就是：既用電場線的疏密來描述電場在空間（不同位置）的強(qiáng)弱分布，也用電場線的疏密改變來描述電場（隨時間）的強(qiáng)弱變化。

2.兩種具體的實(shí)現(xiàn)方式及其比較

2.1 用電場線的密度倍增和倍減分別表示電場強(qiáng)度的增大與減小。例如:模擬一勻強(qiáng)電場的逐漸減弱（見圖1），甲圖中減少標(biāo)有“4”的電場線后，密度減小一倍變?yōu)橐覉D，乙圖中減少標(biāo)有“3”的電場線后，密度減小一倍變?yōu)楸麍D...通過計(jì)算機(jī)依次將乙圖替代甲圖，丙圖替代乙圖,

圖1

丁圖替代丙圖...從而就出現(xiàn)電場線逐漸減少的視覺效果。反之，依次用電場線多的替代電場線少的，則出現(xiàn)電場線逐漸增多的視覺效果。

采用這種方式的好處是：替代圖中的電場線與被替代圖中不消除的（或原有的）電場線能完全重合，因此不消除的（或原有的）電場線將出現(xiàn)靜止不動的視覺效果，與增減（動）的電場線形成鮮明的對比，從而產(chǎn)生生動的增減效果。

采用這種方式的不足之處是：電場線的根數(shù)變化較大（基本上是倍增或倍減），往往會形成“突變”的感覺。

2.2 用電場線的密度逐漸增大和減小分別表示電場強(qiáng)度的增大與減小,即讓電場線每次增減的根數(shù)少一些，從而避免產(chǎn)生“突變”的視覺效果,以克服第一種方式的不足。

但用這種方式卻又產(chǎn)生一個新的不足之處：由于電場線的密度（電場線間的距離）不是倍增或倍減，因而替代圖中的電場線與被替代圖中不消除的（或原有的）電場線不能實(shí)現(xiàn)重合。見圖2，乙中的電場線不能與甲中任何一組電場線重合，丙中的電場線也不能與乙中任何一組電場線重合...因此在演示過程中，出現(xiàn)明顯的晃動感,形成“原有電場線消失后，新的電場線產(chǎn)生”（替換）的視覺效果，而增減的視覺效果則不理想。

圖2

3.用電場線的增減模擬描述電場的變化之不足

用電場線的增減模擬描述電場的變化，兩種具體的實(shí)現(xiàn)方式有以下共同的不足之處：

3.1 在模擬描述電場逐漸減弱時，為了保證有一個“較長”的變化過程讓學(xué)生觀察，則開始的電場線根數(shù)要很多，（模擬描述電場逐漸增強(qiáng)時，則最后的電場線根數(shù)要很多。）而太多的電場線又有礙于學(xué)生觀察引起電場變化的相關(guān)因素。

3.2 通過電場線的增減（密度改變）來模擬描述電場隨時間的變化，將會出現(xiàn)“一些地方在電場強(qiáng)度增大后才有電場線，有的地方的電場線由于電場強(qiáng)度的減小而消失”的情形，容易使學(xué)生產(chǎn)生：“電場中有的地方?jīng)]有電場線”的錯覺，從而對學(xué)生理解“任何兩條電場線之間的地方也存在電場，也有電場線，電場中任何一點(diǎn)都有電場，都可以畫出電場線來?！痹斐烧系K，形成誤導(dǎo)。

3.3 容易使學(xué)生錯誤理解“用電場線表示某一電場時，電場線的疏密可以表示電場強(qiáng)度的大小，即電場線密處電場強(qiáng)度大，電場線的疏處電場強(qiáng)度小?！边@句話的適用條件，造成學(xué)生將“用電場線的疏密描述電場強(qiáng)度的大小”延伸到兩個電場（變化前后的電場）的比較，使學(xué)生錯誤地認(rèn)為：兩個電場的強(qiáng)弱之分是通過它們電場線的疏密來判斷，從而使定性問題復(fù)雜化。

3.4 容易使學(xué)生把“電場在空間的強(qiáng)弱分布”與“電場（隨時間）的強(qiáng)弱變化”混為一談。

四、論用電場線的粗細(xì)改變模擬描述電場的變化

在CAI中，通過電場線的粗細(xì)改變來模擬描述電場強(qiáng)度隨時間發(fā)生的改變，主要用于電場的強(qiáng)弱發(fā)生改變時，電場線的基本形狀保持不變的情形，而中師、中專、高中物理學(xué)中所涉及到的電場變化基本上是這種情形。用電場線的粗細(xì)改變來模擬描述電場的這種變化，表現(xiàn)出以下優(yōu)勢：

1.電場線的粗細(xì)變化能生動模擬電場強(qiáng)度隨時間的“漸變”過程，因?yàn)樵贑AI中，電場線的粗細(xì)逐漸改變是很容易實(shí)現(xiàn)的。

2.由于這種方法所用的電場線較少(見圖3)，從而使畫面中有大量的剩余空間，能方便的展現(xiàn)引起電場變化的相關(guān)因素之改變，使學(xué)生清楚地觀察到它們之間的聯(lián)系,最終實(shí)現(xiàn)CAI的輔助教學(xué)目的。

圖3

綜上所述，在CAI中，用電場線的粗細(xì)改變模擬描述電場的變化，優(yōu)于用電場線的增減模擬描述電場的變化。