創(chuàng)設(shè)實驗情境 激活惰性知識
——以電場中的兩個實驗為例

劉建浩

(浙江慈溪中學(xué) 浙江 寧波 315300)

中學(xué)物理學(xué)主要內(nèi)容有力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理學(xué).學(xué)生開始首先學(xué)習的是力學(xué)，與力學(xué)知識相比，學(xué)生在實際生活中更難獲得與電場知識相關(guān)的感性認識和直覺經(jīng)驗；學(xué)生在無感性認識的抽象環(huán)境中學(xué)習，導(dǎo)致了學(xué)習困難和惰性知識的產(chǎn)生.

情境認知理論認為，學(xué)習者通過具體情境建構(gòu)知識，又通過具體情境活動不斷鞏固和發(fā)展所學(xué)知識.在新課教學(xué)中，教師盡量通過聯(lián)系生活實際和設(shè)計實驗創(chuàng)設(shè)情境，使學(xué)生能夠在具體情境中建構(gòu)知識；在學(xué)生學(xué)完相關(guān)新課知識之后,本文作者創(chuàng)設(shè)了兩個真實實驗情境，讓學(xué)生通過情境建?；顒屿柟獭l(fā)展、激活所學(xué)的知識.

1 手搖電鈴

1.1 實驗情境

如圖1所示，兩平行金屬圓板間放一懸掛的金屬小球(金屬小球直徑為2 cm，兩金屬圓板間距約3.5 cm)，感應(yīng)起電機兩放電叉分別與兩金屬板接觸；勻速搖動感應(yīng)起電機，懸掛的小球不停地來回撞擊金屬板，發(fā)出悅耳的金屬鈴聲.

圖1 “手搖電鈴”實驗裝置圖

1.2 情境問題與情境建模

問題1：金屬小球為什么會不停地振動？

如圖2所示，設(shè)左金屬板帶正電，右金屬板帶負電，兩板中心部分電場近似看作水平向右的勻強電場.金屬小球與左金屬板相碰以后帶上正電，在電場力作用下向右運動，與右金屬板相碰以后帶上負電，在電場力作用下向左運動，不斷重復(fù).

圖2 “手搖電鈴”實驗原理圖

問題2：金屬小球一次往復(fù)運動，搬運多少電荷？(設(shè)每次與金屬板相碰后小球帶電荷量大小都為q)

帶電荷量為+q的小球與負極板相碰以后，帶電荷量變?yōu)?q，有2q的負電荷從負極板傳遞給金屬小球；帶電荷量為-q的小球與正極板相碰以后，帶電荷量變?yōu)?q，有2q的負電荷從金屬小球傳遞給金屬板.所以金屬小球一次往復(fù)運動，從負極板搬運2q的負電荷到正極板.

問題3:進行適當?shù)慕坪屠硐牖幚?，寫出小球搬運電荷的過程中產(chǎn)生的平均電流大小的表達式.

適當?shù)慕坪屠硐牖幚?兩金屬板間距相對擺長很小，小球的運動近似看作直線運動，細線拉力與小球重力互相抵消；兩板間距相對金屬板直徑很小，兩板中心處電場近似看作勻強電場，小球在電場力作用下做勻加速直線運動；感應(yīng)起電機勻速搖動，因此假設(shè)兩金屬板間電壓恒為U(可用靜電計檢測，發(fā)現(xiàn)靜電計指針略有抖動，偏角基本恒定).假設(shè)小球與金屬板相碰后速度立即變?yōu)榱悖O(shè)小球的質(zhì)量為m，兩金屬板距離為d，小球帶電荷量大小恒為q.

推導(dǎo)小球搬運電荷的過程中產(chǎn)生的平均電流大小的表達式:

設(shè)一次往復(fù)運動的時間為2t

則平均電流

(1)

勻加速運動的加速度

其中

所以

(2)

由運動學(xué)公式得

(3)

由式(1)～(3)得

從表達式可以看出，距離d和質(zhì)量m越大平均電流越小，電壓U和帶電荷量q越大平均電流越大，基本符合直覺感受.

2 瘋狂的錫箔小球

2.1 實驗情境

如圖3所示，兩金屬圓板上下平行放置，5個錫箔揉成的小球放在下面金屬板上；為防止錫箔小球跳出金屬板外，金屬板間再夾一圓環(huán)狀透明塑料圈，塑料圈由常見5 L純凈水瓶裁剪而成；感應(yīng)起電機兩放電叉分別與上下金屬板接觸，勻速搖動感應(yīng)起電機，觀察到錫箔小球瘋狂地上下跳躍.

圖3 “瘋狂的錫箔小球”實驗裝置圖

2.2 情境問題與情境建模

問題1:錫箔小球為什么會上下運動？

如圖4所示，設(shè)下極板帶正電，上極板帶負電.錫箔小球與下極板接觸帶上正電，受到向上的電場力大于重力，向上做加速度運動；小球與上極板相碰而帶上負電，受到向下的電場力與重力作用，向下做加速運動再次與下極板接觸，不斷重復(fù).

圖4 “瘋狂的錫箔小球”實驗原理圖

問題2:錫箔小球往復(fù)運動一次，搬運多少電荷？(設(shè)每次與金屬板相碰后小球帶電荷量大小都為q)

與“手搖電鈴”原因相同，錫箔小球一次往復(fù)運動，從負極板搬運2q的負電荷到正極板.

問題3:假如兩金屬板之間，只有一個錫箔小球，進行適當?shù)慕坪屠硐牖幚?，寫出小球搬運電荷過程中產(chǎn)生的平均電流大小的表達式.

適當?shù)慕坪屠硐牖幚?兩板間距相對金屬板直徑很小，兩板中心處電場近似看作勻強電場；感應(yīng)起電機勻速搖動，因此假設(shè)兩金屬板間電壓恒為U；假設(shè)小球與金屬板相碰后速度立即變?yōu)榱悖辉O(shè)小球的質(zhì)量為m，兩金屬板距離為d，小球帶電荷量大小恒為q.

推導(dǎo)小球搬運電荷的過程中產(chǎn)生的平均電流大小的表達式:

小球向上運動的加速度

其中

所以

(4)

同理小球向下運動的加速度

(5)

設(shè)小球向上運動的時間為t1則

(6)

設(shè)小球向下運動的時間為t2則

(7)

小球搬運電荷的過程中產(chǎn)生的平均電流強度

(8)

由式(4)～(8)解得

創(chuàng)設(shè)真實實驗情境進行情境化學(xué)習，鞏固、發(fā)展、激活所學(xué)的知識，使所學(xué)知識具備實踐作用；創(chuàng)設(shè)真實實驗情境進行情境化學(xué)習，培養(yǎng)學(xué)生通過真實情境建立物理模型的能力，訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維，提升學(xué)生核心素養(yǎng).