電場教學中對稱美思維能力的培養(yǎng)與訓練

王藝

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）27-0046-02

2017年版高中課程標準的各學科核心素養(yǎng)中，無論是哪一門學科課程，“思維”都是重要的核心素養(yǎng)之一。對稱結(jié)構(gòu)和思維在生活中有很多應(yīng)用，在培養(yǎng)人的過程中起到很重要的作用。尤其在一些抽象物理領(lǐng)域的教學實踐中，合理利用對稱素材，有助于學生充分認識、了解、發(fā)現(xiàn)、挖掘或創(chuàng)造出物理問題中的對稱美，從物理問題的對稱美去思考問題，運用對稱美去解決物理問題，從而培養(yǎng)學生物理對稱美思維能力[1]。下面就靜電場部分的教學談?wù)勌骄颗c體會。

1.扎根于新教材，深挖內(nèi)容，了解、認識對稱美

靜電場中物理科學現(xiàn)象，充滿了對稱美，靜電場的內(nèi)容在開始部分就有：“自然界只有兩種電荷：正電荷，負電荷，迄今為止，人們沒有發(fā)現(xiàn)對這兩種電荷都排斥或都吸引的電荷。”正與負這種對稱的關(guān)系，與中國傳統(tǒng)文化中的陰與陽所對應(yīng)的，傳統(tǒng)觀念認為，陰陽，代表一切事物的最基本對立關(guān)系，是人類認識事物的基本法則。雖然古人沒有得到具體電荷的概念，但是古人認為電是陰陽兩氣對立的產(chǎn)物，公元前120年《淮南子·墜形訓》：“陰陽相搏為雷，激揚為電?！?/p>

電場是一種看不見摸不著的客觀物質(zhì)，可以用電場線簡潔地描繪，從實驗上模擬電場線的分布看出，電場的分布體現(xiàn)著和諧的對稱美，讓學生很直觀地了解科學之美，激發(fā)學生學習興趣。如圖1、圖2所示。

靜電場中物理科學思維，充滿了對稱美，物理學史上，物理學家在對稱思想的指導下，把已知的概念和規(guī)律進行傳承、平移和拓展。勞厄：直到庫侖定律發(fā)表的時候，電學才進入科學的行列，在庫侖定律建立過程中，就是對照萬有引力規(guī)律以這樣的對稱平移而提出的猜想：“電荷之間的作用力會不會與萬有引力具有相似的形式呢？也就是說，電荷之間的相互作用力，會不會與它們電荷量的乘積成正比，與它們之間距離的二次方成反比？”英國科學家卡文迪什和普里斯特利等人都確信“平方反比”規(guī)律適用于電荷間的力。最終，法國科學家?guī)靵鼋鉀Q了這一問題[2]。

2.利用好情境與模型，化難為易，體會、發(fā)現(xiàn)對稱美

例1（2019版教材必修3課后習題）：空間中有一均勻帶電薄板，在經(jīng)過薄板幾何中心的對稱軸上有AB兩點都與幾何中心相距d，還有一個電荷量為q的點電荷，與薄板相距2d，若圖3中A點的電場強度為0，求帶電薄板所產(chǎn)生的電場在B點的電場強度[3]。

點評：電場強度的對稱性問題，按照對稱的類型可以分為旋轉(zhuǎn)對稱（包括中心對稱），軸對稱等，按照對稱性的明顯程度，解決的方法可以劃分為直接求解法、割補法、微分法、等效法等。以上三個題目都是求解非點電荷的電場強度，從規(guī)則的平板直接利用對稱性求解，到半球面補償法、切割法把非對稱問題轉(zhuǎn)化為對稱問題求解，發(fā)現(xiàn)并運用對稱性方法解決問題，可以將復雜問題簡化，并能使物理的問題的實質(zhì)得以更清楚地呈現(xiàn)，學生更能體會到物理對稱思維之美。

3.綜合原有認知與經(jīng)驗，科學推理，運用、發(fā)展對稱美

例2：如圖6所示，質(zhì)量為m的小球系在細線的一端，細線長為L，另一端固定在O點，空間存在一個水平向右的勻強電場，電場強度大小為E，已知當小球處于平衡狀態(tài)時，細線與豎直線成a角度。若想讓小球運動到豎直方向最低點時速度恰好為零，應(yīng)從何處靜止釋放，求該處細線與豎直線的夾角。

解析：如圖7，在分析小球在B點受力時，首先要求出重力和電場力的合力，將它等效為“新重力”，即G'=G/cosα，從而可認為小球只受“新重力”G′與繩的拉力。如圖8、9所示，將重力場結(jié)論對稱平移到復合場中，根據(jù)重力場中的對稱性即可得出，若想讓小球運動到豎直方向最低點時速度恰好為零，細線與豎直線的夾角β=2α，答案為2α。

點評：利用等效法與對稱思想便于解決電場復合場中復雜的曲線運動問題。以物體在等效重力場中擺動為例，直接求解復合場中速率最大、繩中張力最大的點，對于應(yīng)用數(shù)學處理問題能力和分析綜合能力要求都很高，如果利用對稱性和等效法相結(jié)合，找到等效重力的方向，問題就迎刃而解了，同時還可以利用重力場中的對稱性規(guī)律：最大位置點，速率相等點，繩上拉力相等點都關(guān)于“重力”方向的最低點對稱。這樣學生就將一些看起來不具有對稱性的問題綜合已有的經(jīng)驗與規(guī)律改造成具有對稱性的問題，使難于處理的問題變得易于處理，同時運用對稱思維可以減少復雜的研究對象或過程，給人柳暗花明的感覺，體現(xiàn)出一種物理科學獨有的簡潔而和諧的美感。

結(jié)語

新時代的人才培養(yǎng)應(yīng)該以人為本，不僅僅是知識的傳授，更重要的是能力、思維、素養(yǎng)的養(yǎng)成。個人的思維能力和審美能力不是天生的，它需要經(jīng)過系統(tǒng)的教育與訓練才能被真正地激發(fā)出來。審美能力的提升是建立在智力發(fā)展的基礎(chǔ)之上，知識和思維本來就有美的價值，物理規(guī)律通常都縈繞著各種思維之美。在教學中創(chuàng)設(shè)豐富的物理情境，提供給學生思維鍛煉和發(fā)展的空間，培養(yǎng)學生對學科的熱愛和崇拜，激發(fā)學生對學習的興趣、對美的追求，從而促進學生得到長久的學習動力和長足的發(fā)展。

參考文獻：

[1]劉健智.物理學科中的對稱美及其教學[J].物理教學，2008（12）：27-29

[2]沈致遠.科學是美麗的——科學藝術(shù)與人文思維[J].物理教學，2002（11）：8-10.

[3]普通高中教科書 物理必修第三冊[M].北京：人民教育出版社，2019：24.