人教版《物理》“第九章 靜電場(chǎng)及其應(yīng)用”教材編寫說明

摘?要：概括介紹新版人教版《物理》必修第三冊(cè)第九章的編寫說明，以使教師從核心素養(yǎng)角度進(jìn)行教學(xué).

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);編寫說明

文章編號(hào)：1008-4134（2020）01-0007?中圖分類號(hào)：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：方貴榮（1964-），男，云南陸良人，本科，中學(xué)特級(jí)教師，碩士生導(dǎo)師，教育部“國培計(jì)劃”專家，研究方向：課程教學(xué)論.

1?全章概述

本章是人教版《物理》必修三的第九章，也是高中學(xué)生學(xué)習(xí)電學(xué)的開始，其內(nèi)容是高中階段重要的基礎(chǔ)內(nèi)容之一，既是電磁學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，又是其他物理學(xué)知識(shí)的重要基礎(chǔ)，是在過去教材傳統(tǒng)內(nèi)容上，選取了四節(jié)內(nèi)容，重點(diǎn)介紹電荷的產(chǎn)生及其相互作用，電場(chǎng)的性質(zhì)以及靜電的防止與應(yīng)用，把靜電力做功及電勢(shì)能方面的知識(shí)安排到下一章.這一章在研究方法上是應(yīng)用力學(xué)中學(xué)習(xí)的力與運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，對(duì)電荷的產(chǎn)生與中和、電荷的相互作用等現(xiàn)象的分析與討論，其學(xué)習(xí)過程也是對(duì)力與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的再學(xué)習(xí)過程.

本章共4節(jié)，其知識(shí)線索為：一是電荷的產(chǎn)生與屬性.明確摩擦和感應(yīng)是產(chǎn)生電荷的基本方式，電荷是物質(zhì)的基本屬性之一，電荷有正負(fù)兩種，正負(fù)電荷會(huì)發(fā)生中和，對(duì)一個(gè)與外界不發(fā)生電荷交換的系統(tǒng)，電荷量不會(huì)發(fā)生變化.二是電荷間的相互作用規(guī)律.明確電荷間存在相互作用，同性相斥，異性相吸，作用規(guī)律為庫侖定律（與電荷量的乘積成正比，與距離的平方成反比）. 三是電場(chǎng)及其描述.明確電荷在其周圍空間激發(fā)了電場(chǎng)，電場(chǎng)是一種客觀存在，電荷間的相互作用力是通過電場(chǎng)產(chǎn)生的，電場(chǎng)有強(qiáng)弱，其大小與方向由電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行定量描述，也可由電場(chǎng)線進(jìn)行粗略的描述.四是靜電的防止與利用.明確生產(chǎn)、生活中會(huì)產(chǎn)生大量靜電，這些靜電有時(shí)對(duì)人的生命財(cái)產(chǎn)是有害的，應(yīng)該加以防止，有時(shí)又可以利用其為生產(chǎn)生活提供便利.

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，教材在保持知識(shí)的系統(tǒng)性基礎(chǔ)上，更加注重物理學(xué)科核心素養(yǎng)的滲透.具體安排如下.

1.1?物理觀念

教材從電荷產(chǎn)生的本質(zhì)——物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，試圖讓學(xué)生知道，電荷是物質(zhì)的一種基本屬性，從電場(chǎng)是一種客觀存在，強(qiáng)調(diào)電場(chǎng)的物質(zhì)性，進(jìn)一步讓學(xué)生建立世界是物質(zhì)的這一重要觀念.同時(shí)，教材試圖通過靜電感應(yīng)、靜電平衡等概念的建構(gòu)過程，讓學(xué)生進(jìn)一步建立運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念.

1.2?科學(xué)思維

教材從點(diǎn)電荷概念的建構(gòu)、試探電荷引入，到勻強(qiáng)電場(chǎng)、各種典型電荷系的電場(chǎng)線圖景，為學(xué)生建立了不同的模型.同時(shí)，教材從電荷守恒定律的旁批（追尋守恒量）以及萬有引力定律到電荷間相互作用力的類比及其旁批，到電場(chǎng)強(qiáng)度概念建構(gòu)后的科學(xué)方法專欄——用物理量之比定義新物理量，滲透了科學(xué)思維方法教育.

1.3?科學(xué)探究

教材從點(diǎn)電荷概念的引入，從“實(shí)驗(yàn)事實(shí)說明，兩個(gè)實(shí)際的帶電體間的相互作用力與它們自身的大小、形狀以及電荷分布都有關(guān)系.……”，到庫侖定律分析多于兩個(gè)電荷的情形的旁批——“實(shí)驗(yàn)表明，兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的作用力不因第三個(gè)點(diǎn)電荷的存在而改變”，試圖讓學(xué)生樹立證據(jù)意識(shí).同時(shí)，教材把建構(gòu)電場(chǎng)強(qiáng)度概念的過程，設(shè)計(jì)為一個(gè)相對(duì)全面的探究過程，由分析推理得出的，“試探電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)受到的靜電力與試探電荷的帶電量之比是一個(gè)常數(shù)”作為一個(gè)假設(shè)，通過點(diǎn)電荷的電場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證，又從特殊的點(diǎn)電荷電場(chǎng)推廣到一般帶電體電場(chǎng)，試圖讓學(xué)生既理解科學(xué)探究的重要性在于對(duì)假設(shè)猜想的驗(yàn)證，又知道從特殊到一般，從一般到特殊的認(rèn)識(shí)的基本形式.

1.4?科學(xué)態(tài)度

本章教材是學(xué)生第一次定量學(xué)習(xí)場(chǎng)概念，教材的邏輯是先研究電場(chǎng)強(qiáng)度，用定量的方法對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行描述，然后再介紹電場(chǎng)線可以形象地、直觀地描述電場(chǎng).這樣的邏輯與物理學(xué)發(fā)展邏輯并不完全一致，但符合學(xué)習(xí)規(guī)律，以此培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.同時(shí)，第四節(jié)靜電的防止與利用，分別介紹生產(chǎn)生活中到處都可能產(chǎn)生靜電，靜電產(chǎn)生后可能給生產(chǎn)生活產(chǎn)生積極影響，也可能帶來消極影響，甚至危及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，需要有效防止和利用.通過這樣的學(xué)習(xí)，力圖讓學(xué)生建立一種任何事物都有兩面性的辯證唯物主義思想認(rèn)識(shí)，有利于學(xué)生形成正確的科學(xué)價(jià)值觀.

課時(shí)安排建議：

第1節(jié)?電荷??1課時(shí)

第 2節(jié)?庫侖定律??1課時(shí)

第3節(jié)?電場(chǎng)?電場(chǎng)強(qiáng)度?2課時(shí)

第4節(jié)?靜電的防止與利用?1課時(shí)

2?具體說明

2.1?第一節(jié)教材

本節(jié)由電荷、感應(yīng)起電、電荷守恒定律和元電荷四個(gè)知識(shí)點(diǎn)組成，屬于本章的預(yù)備知識(shí).靜電現(xiàn)象的產(chǎn)生以及兩種電荷在初中已有介紹，高中階段側(cè)重從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識(shí)物體帶電的本質(zhì)，結(jié)合摩擦起電的分析，進(jìn)一步提高學(xué)生理解產(chǎn)生電荷的機(jī)理.本節(jié)教材把感應(yīng)起電作為一個(gè)小標(biāo)題突顯其教學(xué)價(jià)值，因?yàn)楦袘?yīng)起電是電荷守恒定律的預(yù)備知識(shí)，又是后續(xù)內(nèi)容靜電平衡的基礎(chǔ)知識(shí)，教材引入演示實(shí)驗(yàn)，通過用金屬微觀結(jié)構(gòu)模型來解釋，與摩擦起電形成內(nèi)容上的有效呼應(yīng)，使學(xué)生牢固建立起摩擦和感應(yīng)是使物體帶電的兩種方式，其本質(zhì)是使學(xué)生理解電荷的產(chǎn)生并不是創(chuàng)造了電荷，而是帶電粒子發(fā)生轉(zhuǎn)移，為學(xué)習(xí)電荷守恒定律埋下伏筆.電荷守恒定律是自然界最基本的規(guī)律之一，教材通過對(duì)各種電現(xiàn)象的分析，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到電荷的轉(zhuǎn)移從更大的系統(tǒng)看，電荷數(shù)量不變.電中性和電荷的中和是代數(shù)和為零，而不是帶電粒子減少了.關(guān)于正負(fù)電子湮滅，主要讓學(xué)生知道，隨著物理學(xué)的發(fā)展，電荷守恒定律的內(nèi)涵變大了，表述也變了.元電荷是學(xué)生接觸到的第一個(gè)“量子化”概念，應(yīng)該把握元電荷概念的建立基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)，即迄今為止，在實(shí)驗(yàn)中能夠找到的最小電荷就是e=1.6×10-19庫侖，所有帶電體所帶電荷量一定是它的整數(shù)倍.進(jìn)一步讓學(xué)生理解帶電是物質(zhì)的屬性，有質(zhì)量也是物質(zhì)的屬性，提出比荷概念，通過計(jì)算電子的比荷，讓學(xué)生了解基本粒子比荷也是描述其屬性的一個(gè)物理量.

2.2?第二節(jié)教材

本節(jié)的核心內(nèi)容是庫侖定律，它不僅是電磁學(xué)的基本定律，也是物理學(xué)的基本定律.庫侖定律闡明了電荷間的相互作用力規(guī)律（平方反比），這是整個(gè)電磁學(xué)大廈的基礎(chǔ).教材通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)引入相互作用力與什么因素有關(guān)，力圖引起學(xué)生的思考.進(jìn)而類比萬有引力定律，提出電荷間的相互作用力是否與電荷量的乘積成正比，與它們之間的距離成反比的猜想.進(jìn)一步介紹庫侖定律的具體內(nèi)容.但從認(rèn)識(shí)上看，要讓學(xué)生知道，類比的結(jié)論需要實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這就是教材旁批之用意.繼而介紹庫侖的扭秤實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了庫侖定律的正確性.最后分析推理了有幾個(gè)電荷存在的電荷系對(duì)某個(gè)電荷的作用等于各個(gè)電荷單獨(dú)存在時(shí)施加的作用力的矢量和.這一結(jié)論的得出是通過旁批“實(shí)驗(yàn)表明”，再一次讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，得到一個(gè)物理結(jié)論必須有充分的證據(jù).教材中，先給出庫侖定律的內(nèi)容，再來定義點(diǎn)電荷概念，也就是說，先使用了點(diǎn)電荷的概念，后定義點(diǎn)電荷概念，這是學(xué)生不易理解的，教材中旁批了點(diǎn)電荷類似力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)，暗含著那里也是先講了物體間的相互作用，再提出質(zhì)點(diǎn)概念.但是點(diǎn)電荷作為一個(gè)理想模型的提出，要嚴(yán)格其程序，突顯模型是對(duì)真實(shí)的物理研究對(duì)象，忽略次要因素，突出主要因素的抽象，所以教材中“實(shí)驗(yàn)事實(shí)說明，兩個(gè)實(shí)際的帶電體間的相互作用力與它們自身的大小、形狀以及電荷分布都有關(guān)系.……帶電體的形狀、大小及電荷分布狀況對(duì)它們間的相互作用力的影響可以忽略時(shí)，這樣的帶電體可以看做帶電的點(diǎn)，叫做點(diǎn)電荷.”這一思想需要教師引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)領(lǐng)悟.

另外，要引導(dǎo)學(xué)生思考，為什么要用庫侖扭秤？難道不可以用測(cè)力計(jì)測(cè)量嗎？回答就是，測(cè)力計(jì)測(cè)不了，靜電力太小了，必須對(duì)靜電力進(jìn)行放大.扭秤的作用就是轉(zhuǎn)換放大，這就是庫侖扭秤設(shè)計(jì)的精髓所在.當(dāng)然，庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)中還有一件事值得教師引導(dǎo)學(xué)生玩味，即庫侖所在時(shí)代還沒有電荷量的定量概念，因此，靜電力與距離的平方成反比關(guān)系的驗(yàn)證相對(duì)容易些，而靜電力與電荷量的關(guān)系遇到了難題.有兩種說法，即拿兩個(gè)完全相同的金屬小球，讓其中一個(gè)帶上電，設(shè)電荷量為q，讓它與不帶電的金屬小球接觸后分開，一種是純粹哲學(xué)思考，從對(duì)稱性考慮，沒有任何理由不認(rèn)為，兩個(gè)小球平分電荷量q，各有q/2的電荷量，以此類推，可以得到q/4、q/8、……另一種是測(cè)量它們對(duì)間隔同樣距離的第三個(gè)帶電小球的作用力相等，由此可以判斷二者電荷量相等……教材用的是后一種說法，教師可以根據(jù)教學(xué)需要自行處理.

2.3?第三節(jié)教材

本節(jié)的主要內(nèi)容是電場(chǎng)概念的建立與電場(chǎng)的描述.過去教材都是按照物理學(xué)發(fā)展線索，從靜電力是超距作用還是近距作用的爭(zhēng)論開始引入，本教材受篇幅限制，直接給出法拉第的“電荷周圍存在著由它產(chǎn)生的電場(chǎng)”的觀點(diǎn).“場(chǎng)”是物理學(xué)中的一個(gè)重要概念，我們說它客觀存在，但確實(shí)看不見又摸不著，過于抽象而難于理解.因此，在教學(xué)中，教師還是應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生把靜電力的產(chǎn)生分成兩個(gè)步驟，即場(chǎng)源電荷激發(fā)了電場(chǎng)，電場(chǎng)對(duì)置于場(chǎng)中的電荷產(chǎn)生力的作用.置于場(chǎng)中的試探電荷所受的靜電力也就是電場(chǎng)力的響應(yīng)，把電場(chǎng)顯示出來.怎樣描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱與方向？這是一個(gè)教學(xué)的難點(diǎn)，教師在教學(xué)中，可根據(jù)教材安排內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生由易到難，層層深入，逐步提高認(rèn)識(shí).首先讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，一個(gè)電荷在電場(chǎng)中受到的力的大小與該電荷的電荷量以及在電場(chǎng)中的位置有關(guān)，方向與電荷的正負(fù)有關(guān);從而引導(dǎo)學(xué)生明確電場(chǎng)中同一點(diǎn)不同電荷受力不同，因此，用電荷受力大小描述電場(chǎng)是不行的，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析在電場(chǎng)中同一點(diǎn)不同電荷受力有什么關(guān)系，經(jīng)過分析、推理、論證，得到同一位置不同電荷受力與電荷量的比是同一個(gè)值，該值與試探電荷無關(guān);進(jìn)而得出該比值可以描述電場(chǎng)強(qiáng)弱與方向.

關(guān)于電場(chǎng)強(qiáng)度的疊加，教材是從點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度分布特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合上一節(jié)講的電荷間的相互作用力的關(guān)系，分析、推理得到的.同時(shí)教材還介紹了連續(xù)帶電體（不能視為點(diǎn)電荷）的電場(chǎng)特點(diǎn)，其推理、論證的思想與上一節(jié)分析連續(xù)帶電體對(duì)某個(gè)點(diǎn)電荷的作用力的方法一脈相承.教師在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)領(lǐng)悟這種微元法思想.

受教材篇幅限制，教材直接給出電場(chǎng)線可以對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行直觀、形象、粗略的描述（大小、方向），在同一幅電場(chǎng)線圖中可以進(jìn)行分析、比較.對(duì)于教材給出電場(chǎng)線的兩個(gè)特點(diǎn)，教師可引導(dǎo)學(xué)生用反證法思想進(jìn)行學(xué)習(xí)，以達(dá)到深入理解.至于勻強(qiáng)電場(chǎng)，教師可給出一幅電場(chǎng)線圖景，引導(dǎo)學(xué)生分析、推理其特點(diǎn)，再作定義.

2.4?第四節(jié)教材

本節(jié)內(nèi)容由靜電平衡、尖端放電、靜電屏蔽和靜電吸附四個(gè)知識(shí)點(diǎn)構(gòu)成，其中靜電平衡是最重要的基礎(chǔ)概念，理解好靜電平衡概念對(duì)尖端放電與靜電屏蔽概念的學(xué)習(xí)至關(guān)重要.教材從靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體的電荷分布到導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)分布，提出靜電平衡的概念，即導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零，沒有凈電荷.進(jìn)一步，教材分析了不規(guī)則導(dǎo)體靜電平衡時(shí)外部聚集的大量電荷使空氣電離，電離后的離子在電場(chǎng)力作用下快速運(yùn)動(dòng)形成尖端放電現(xiàn)象.利用靜電場(chǎng)內(nèi)部的導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面的性質(zhì)，制造靜電屏蔽，使外電場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體殼內(nèi)部電場(chǎng)不發(fā)生影響.最后，教材通過分析帶電粒子在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)這一性質(zhì)，分別用來除塵、噴漆、復(fù)印.本節(jié)內(nèi)容雖然是電場(chǎng)知識(shí)的應(yīng)用，但是較為抽象，建議教師在教學(xué)中要循循善誘，注重理論分析，重在對(duì)物理原理的理解，避免過多技術(shù)講解.

（收稿日期：2019-11-10）