電流教學(xué)中需要澄清的三個問題

◇ 河北 張志鋒

課堂教學(xué)是落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要陣地,我們既要通過物理基本概念、基本規(guī)律的教學(xué),讓學(xué)生有效地形成包括力與運動、能量、動量等物理觀念,也要引導(dǎo)學(xué)生在形成物理觀念的過程中逐步形成科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的精神,學(xué)會解決問題的科學(xué)研究方式．本文通過探討電流教學(xué)中的三個問題,給出教學(xué)中落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一些建議,與同行探討．

1 教學(xué)中要區(qū)分電流和電流強(qiáng)度

物理學(xué)中的基本概念、基本規(guī)律(包括物理定理、定則、守恒定律)是構(gòu)成物理學(xué)的基礎(chǔ)．對基本概念的學(xué)習(xí)和理解是學(xué)生形成正確物理觀念的重要途徑．因此,在實際教學(xué)中,教師必須通過恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法講透、講清每一個物理概念．具體到電源和電流教學(xué)中,我們要在初中電學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分電流和電流強(qiáng)度．簡言之,電流是普遍的物理現(xiàn)象,而電流強(qiáng)度則用于表示電流的強(qiáng)弱．

以金屬導(dǎo)體為例,當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)沒有電場時,處于金屬內(nèi)部的正離子將會形成晶體點陣,自由電子將會在點陣內(nèi)部自由移動,這種移動是不規(guī)則熱運動,它們朝任何方向運動的概率都一樣,因此,從宏觀角度看并不形成電流．當(dāng)在導(dǎo)體兩端加上電壓后,自由電子仍舊處于熱運動狀態(tài),但此時它們不再是雜亂無章地運動,而是朝著某個方向移動,這樣便會出現(xiàn)電流．一般情況下將大小與方向都不隨時間推移而產(chǎn)生變化的電流稱作恒定電流,并規(guī)定正電荷移動的方向是電流的方向．

在物理學(xué)中,通過導(dǎo)體橫截面的電荷量q 跟通過這些電荷量所用的時間t的比值,即為電流強(qiáng)度,用公式表示為電流強(qiáng)度沒有方向．在人教版教材中,電流強(qiáng)度這個物理量又簡稱電流,所以在教學(xué)時要適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生注意區(qū)分．

2 電荷定向移動的運動性質(zhì)

電流微觀表達(dá)式是I＝nqvS,v 是指電荷定向移動的平均速率．如果教師不加以強(qiáng)調(diào),就會使學(xué)生形成電荷的定向移動是勻速率運動的誤解．自由電子的定向運動不是簡單的勻速直線運動,而是在靜電力作用下的加速運動,同時又不斷地跟正離子碰撞,使定向運動遭到破壞,然后在靜電力作用下再加速、再碰撞．如果從宏觀視角著手,可以明顯地發(fā)現(xiàn)電子在以平均速率v 做定向運動．現(xiàn)做定量推導(dǎo)如下．

假設(shè)電子在兩次碰撞之間的平均自由運動時間為t,則在電場E 作用下電子可以獲得的速度大小為當(dāng)電子和晶體點陣產(chǎn)生碰撞后,電子將會向多個方向散射出去,這種散射具有偶然性．我們可以假設(shè),電子碰撞后散射的速度沿各方向的幾率相等,也就是說此時電子已經(jīng)完全失去其原有的定向運動的特性,此時電子的定向初速度是v0．那么,在一個自由程內(nèi)電子的平均速率等于和氣體分子動理論一樣,電子的平均自由運動時間t(即平均碰撞頻率的倒數(shù))與其平均自由程和平均熱運動速率間有如下關(guān)系因為都與電場強(qiáng)度無關(guān),可以明確的是,電子定向移動的平均速率和電場強(qiáng)度具有正相關(guān)的關(guān)系,也就是說導(dǎo)體中的電流是由電場決定的,但此電場是恒定電場,而不是靜電場．

從物理學(xué)角度著手,實現(xiàn)對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律的深入研究分析,實際上是結(jié)合自身已有經(jīng)驗儲備構(gòu)建模型的過程,在以上教學(xué)設(shè)計中,我們引導(dǎo)學(xué)生建立電子碰撞模型、勻變速直線運動模型,類比氣體分子運動深入研究了電荷定向移動的本質(zhì),讓學(xué)生經(jīng)歷了物理模型建構(gòu)、科學(xué)推理的“科學(xué)思維”過程,有助于強(qiáng)化學(xué)生的邏輯思維能力,可以有效落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)．

3 恒定電場與靜電場

在以立德樹人為根本任務(wù)的新時代教育背景下,授業(yè)解惑不是教學(xué)的全部,課堂教學(xué)中我們更要關(guān)注學(xué)生關(guān)鍵能力、思維品質(zhì)、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng),我們要把物理學(xué)發(fā)展過程中積累的科學(xué)探究方法、物理學(xué)家的科學(xué)思維和高貴品質(zhì)傳遞給學(xué)生．

比如在電流教學(xué)中,作為承上啟下的一節(jié)教學(xué)內(nèi)容,我們必須要引導(dǎo)學(xué)生明確恒定電場和靜電場既存在關(guān)聯(lián),又存在差異．靜電場是靜止電荷在周邊空間激發(fā)的電場,而恒定電場主要通過電源和導(dǎo)線等電路元件共同支撐．在恒定電場內(nèi)部,所有位置的電荷分布及電場強(qiáng)度都不會隨著時間推移而發(fā)生變動,因而其基本特征與靜電場有相似之處,諸如兩種電場均是物質(zhì)的客觀存在,并且其內(nèi)部均存儲有相應(yīng)的電能,對處于其中的電荷有電場力的作用;在兩種電場中移動電荷,電場力往往要做功．但恒定電場絕不等同于靜電場,對于恒定電場的理解要注意以下兩點:

1)如果電路產(chǎn)生的電流是恒定電流,那么其電場將是恒定電場,且合場強(qiáng)方向一定沿著導(dǎo)線．恒定電場由兩部分組成,其一為電源正負(fù)極所產(chǎn)生的電場,此電場通常能夠被分解為兩個方向:沿導(dǎo)線方向的分量將使自由電子逐漸趨近于導(dǎo)線兩側(cè),導(dǎo)線兩側(cè)出現(xiàn)正負(fù)電荷共同分布的情況．此類垂直分量側(cè)移的凈電荷的分布產(chǎn)生附加電場,又被稱為感應(yīng)電場,電場將使電源正、負(fù)極產(chǎn)生的垂直導(dǎo)線方向的電場被逐漸削減,最終合場強(qiáng)變?yōu)榱?所以導(dǎo)線內(nèi)部的電場線必然和導(dǎo)線處于平行狀態(tài),自由電子只會沿導(dǎo)線方向做定向移動．

2)處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)線內(nèi)部的場強(qiáng)是零,靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零,而在恒定電場下導(dǎo)體內(nèi)的不同位置有電荷的堆積,導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度不是零．也就是說,在恒定電場中,電路中的電荷分布雖是穩(wěn)定的,但不是靜態(tài)的絕對穩(wěn)定,而是動態(tài)平衡,就電路中任一微元來講,流走多少電荷,就補(bǔ)充多少電荷．

如果上述兩點無法被充分地呈現(xiàn)在教學(xué)活動中,即便學(xué)生看似沒有疑問,但是卻違背了“物理要說理”的重要原則,不利于學(xué)生對電流相關(guān)知識的真正理解,也不能起到本節(jié)課在本章教學(xué)中承上啟下的作用,最重要的是不能有效落實新課程改革的重要理念,無法充分滿足學(xué)生核心素養(yǎng)的成長需求．所以,教師在開展教學(xué)活動的過程中,不僅要讓學(xué)生知其然,更要讓學(xué)生知其所以然,既要“授業(yè)解惑”,更要“傳道”．