關(guān)于《靜電場(chǎng)》教學(xué)的兩點(diǎn)思考

林建華 任昭開(kāi) 王英

摘? ?要：靜電場(chǎng)難學(xué)，其原因有三個(gè)：一是學(xué)生缺乏對(duì)電場(chǎng)的感性認(rèn)識(shí);二是電場(chǎng)中大量使用抽象的比值法定義物理量;三是學(xué)生初學(xué)電場(chǎng)知識(shí)時(shí)難以厘清各物理量間的關(guān)系。解決方法有三個(gè)：一是增強(qiáng)教學(xué)的直觀性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情;二是將電場(chǎng)和風(fēng)力場(chǎng)、重力場(chǎng)類(lèi)比，促進(jìn)學(xué)生思維遷移，加速學(xué)生領(lǐng)悟電場(chǎng)中的難點(diǎn)概念;三是適時(shí)梳理知識(shí)，厘清各個(gè)物理量間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：特征量;比值定義法;電場(chǎng)與風(fēng)力場(chǎng);類(lèi)比

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）6-0056-3

1? ? 為什么多數(shù)學(xué)生對(duì)《靜電場(chǎng)》一章的學(xué)習(xí)感到非常困難

學(xué)生常說(shuō)電場(chǎng)知識(shí)空洞無(wú)物，抽象難懂，非常難學(xué)。其到底難在何處？為何難學(xué)？我們有必要做深入具體的剖析。

1. 學(xué)生缺乏對(duì)電場(chǎng)的感性認(rèn)識(shí)是造成電場(chǎng)難學(xué)的重要原因。電場(chǎng)和磁場(chǎng)雖同屬于物質(zhì)的第四態(tài)，都看不見(jiàn)摸不著。但學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)初中物理，對(duì)磁現(xiàn)象已有所了解，知道小磁針的作用，知道磁體及其相互作用規(guī)律，有磁感線概念?？墒牵瑢W(xué)生在高中學(xué)習(xí)電場(chǎng)前，很少感知過(guò)電場(chǎng)的存在，其知道的與電場(chǎng)有關(guān)的知識(shí)幾乎為零;這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)電場(chǎng)知識(shí)時(shí)處在一種無(wú)感、無(wú)知、無(wú)需求、無(wú)動(dòng)力的狀態(tài)。

2.學(xué)生一時(shí)難以理解用抽象的比值定義法來(lái)定義的新物理量的意義?；仡櫝踔形锢斫虒W(xué)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)速度和密度雖同為用比值定義法定義的物理量，但學(xué)習(xí)難度大不相同。與速度有關(guān)的物理現(xiàn)象，學(xué)生在日常生活中接觸較多，感性認(rèn)識(shí)很豐富，故用比值法定義速度概念時(shí)，學(xué)生很容易理解路程與時(shí)間之比的物理意義。而學(xué)生在學(xué)習(xí)密度概念前，很少關(guān)注過(guò)與密度有關(guān)的物理現(xiàn)象，缺乏對(duì)密度的感性認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)用比值法定義的密度概念時(shí)，非常難以理解質(zhì)量與體積之比的物理意義;學(xué)生必須結(jié)合具體實(shí)例，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的感悟，方能真正領(lǐng)會(huì)密度概念的物理意義。同理，學(xué)生在缺乏對(duì)電場(chǎng)的感性認(rèn)識(shí)時(shí)，就學(xué)習(xí)用比值定義法定義的電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)、電勢(shì)差、電容等概念，同樣會(huì)感到困難重重，難以理解其物理意義。

另外，在尚未真正領(lǐng)會(huì)一個(gè)新學(xué)的物理概念的情況下，就要用這個(gè)概念去表述另一個(gè)新概念，這時(shí)學(xué)習(xí)難度也會(huì)大大增加。比如，初中學(xué)生剛學(xué)完質(zhì)量概念，還沒(méi)有理解質(zhì)量這一概念時(shí)，就被要求用質(zhì)量來(lái)描述密度這一新物理量，學(xué)生當(dāng)然難以理解質(zhì)量與體積之比的物理意義。同理，學(xué)生在對(duì)電場(chǎng)力、電場(chǎng)力做功、電勢(shì)能、電勢(shì)能的變化等概念僅有初步了解的情況下，就被要求馬上用這些物理量描述電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)、電勢(shì)差，這些用比值定義法來(lái)定義的描述電場(chǎng)特性的物理量，學(xué)生當(dāng)然一時(shí)難以理解其物理意義。

3.學(xué)生一時(shí)難以厘清電場(chǎng)中眾多物理量之間的關(guān)系。如：描述電場(chǎng)特性的物理量（E、φ、UAB）

與非特性物理量（F、W、EP、ΔEp）之間的關(guān)系;定義式和決定式的關(guān)系[1]，如E= 與E=k 的關(guān)系;特征量與特征量之間的關(guān)系，如E與UAB的關(guān)系;電場(chǎng)的形象描繪與抽象化（數(shù)學(xué)化）描繪間的關(guān)系，如電場(chǎng)線、等勢(shì)面與電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)、電勢(shì)差之間的關(guān)系。對(duì)學(xué)生而言，這些關(guān)系確實(shí)是新而多，且多而亂。

2? ? 突破教學(xué)難點(diǎn)的幾點(diǎn)嘗試

1.創(chuàng)設(shè)情境，感知電場(chǎng)。法拉第當(dāng)年為了讓人們理解磁場(chǎng)、電場(chǎng)確實(shí)存在，其富有想象力地引入了并非真實(shí)存在的磁感線、電場(chǎng)線概念;并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的演示，讓人們感知到磁場(chǎng)、電場(chǎng)的真實(shí)存在，最終讓人們接受了電場(chǎng)、磁場(chǎng)這些新概念。初中老師給學(xué)生演示的“條形磁體周?chē)F屑分布圖案”實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生感知磁場(chǎng)的真實(shí)存在起到了關(guān)鍵作用，是任何語(yǔ)言描述都難以替代的。高中教材中設(shè)計(jì)的模擬電場(chǎng)線的演示實(shí)驗(yàn)，做好了就能夠有效地在學(xué)生腦海中再造想象，物化電場(chǎng);又如教材中“探究影響電荷間相互作用力的因素”的演示實(shí)驗(yàn)，看似平淡無(wú)奇，但本實(shí)驗(yàn)卻不僅能夠揭示電荷間的相互作用規(guī)律，還能幫助學(xué)生感知電場(chǎng)的真實(shí)存在，并為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)電場(chǎng)力和能的性質(zhì)提供了直觀的感性素材，對(duì)學(xué)生理解電場(chǎng)力和能的性質(zhì)大有裨益。

利用多媒體展示也能有效地提升教學(xué)效果。由于客觀條件限制，個(gè)別演示實(shí)驗(yàn)的效果不太理想，有些與電場(chǎng)相關(guān)的科普知識(shí)，可能不便用演示的方法展示給學(xué)生，這時(shí)我們可以用視頻、動(dòng)畫(huà)、甚至微課展示給學(xué)生，教學(xué)效果非常好。比如，可用多媒體展示“人體帶電，幾種典型電場(chǎng)的電場(chǎng)線的立體分布，靜電復(fù)印機(jī)原理，重離子加速器治療癌癥”等與電場(chǎng)相關(guān)的知識(shí)。

2.大膽類(lèi)比，突破教學(xué)難點(diǎn)。只有當(dāng)學(xué)生能將新學(xué)的知識(shí)與其大腦中已有的知識(shí)發(fā)生聯(lián)系時(shí)，學(xué)生方能真正地領(lǐng)悟新概念，教師可將電場(chǎng)和風(fēng)力場(chǎng)類(lèi)比：

一是可幫助學(xué)生理解電場(chǎng)的物質(zhì)性。電場(chǎng)和風(fēng)力場(chǎng)都是無(wú)形的，這一點(diǎn)兩者是相似的;當(dāng)起風(fēng)時(shí)柳枝受風(fēng)力而飛揚(yáng)，說(shuō)明風(fēng)力場(chǎng)是一種物質(zhì)，其有力和能的特性。同理，電場(chǎng)也看不見(jiàn)摸不著，但在其中放入帶電的驗(yàn)電羽時(shí)，驗(yàn)電羽也會(huì)飛動(dòng)起來(lái)，說(shuō)明驗(yàn)電羽上的電荷也受電場(chǎng)力的作用，可見(jiàn)電場(chǎng)也是一種物質(zhì)，同樣具有力和能的特性。

二是可幫助學(xué)生加速領(lǐng)會(huì)電場(chǎng)強(qiáng)度的物理意義。教師在“電場(chǎng)強(qiáng)度”一節(jié)教學(xué)中，可將一把臺(tái)扇立放在講臺(tái)上，臺(tái)扇開(kāi)啟后（不搖頭）周?chē)鷮⑿纬煞€(wěn)定的風(fēng)力場(chǎng)，且各處風(fēng)力場(chǎng)的強(qiáng)度是一定的?，F(xiàn)取紙帶（打點(diǎn)計(jì)時(shí)器用的紙帶）來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)1：取長(zhǎng)度相同的兩條紙帶同時(shí)放入臺(tái)扇前的A、B兩處，讓風(fēng)幾乎垂直地吹向紙帶，可以看到兩紙帶飄動(dòng)情況不同，說(shuō)明兩者受風(fēng)力大小不同，這時(shí)學(xué)生會(huì)認(rèn)為受風(fēng)力大的紙帶處風(fēng)力場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大，誤以為僅僅用紙帶受的風(fēng)力大小就可以表示風(fēng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)2：取長(zhǎng)度不同的兩條紙帶先后依次放入臺(tái)扇前的A處，讓風(fēng)幾乎垂直地吹向紙帶，兩次紙帶飄動(dòng)情況不同，說(shuō)明兩次紙帶受的風(fēng)力大小還與紙帶有關(guān)（這里與紙帶的長(zhǎng)度有關(guān)），不能僅僅用風(fēng)力的大小來(lái)表示風(fēng)力場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)，應(yīng)該用相同標(biāo)準(zhǔn)下（如本實(shí)驗(yàn)中可取單位長(zhǎng)度的紙帶）紙帶受到的風(fēng)力大小來(lái)表示風(fēng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱。同理，電荷周?chē)鼽c(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度也是一定的，我們可以將同一檢驗(yàn)電荷依次分別放入電場(chǎng)中的A、B兩點(diǎn)，學(xué)生會(huì)認(rèn)為檢驗(yàn)電荷在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力大的地方電場(chǎng)強(qiáng)度大，誤以為僅僅用檢驗(yàn)電荷受的電場(chǎng)力的大小就可以表示電場(chǎng)強(qiáng)弱;但如果我們將兩個(gè)帶電量不同的檢驗(yàn)電荷分別依次放入電場(chǎng)中的A點(diǎn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)電荷受的電場(chǎng)力還與檢驗(yàn)電荷的電量有關(guān)，不能僅僅用電場(chǎng)力的大小來(lái)表示電場(chǎng)的強(qiáng)弱，應(yīng)該用相同的標(biāo)準(zhǔn)下（取單位電量）檢驗(yàn)電荷受的電場(chǎng)力的大小來(lái)表示電場(chǎng)的強(qiáng)弱。這樣我們就能夠形象地揭示出檢驗(yàn)電荷受的電場(chǎng)力與其電荷量之比的物理意義，讓學(xué)生真正領(lǐng)悟電場(chǎng)強(qiáng)度的概念。

另外，還可以將電場(chǎng)與重力場(chǎng)進(jìn)行類(lèi)比，這對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)電勢(shì)能、電勢(shì)、電勢(shì)差概念，也能收到事半功倍之效。這些方法各類(lèi)資料中多有介紹，這里就不贅述了。

3.適時(shí)對(duì)知識(shí)進(jìn)行梳理。力求主線清晰，重難點(diǎn)突出，分類(lèi)合理（應(yīng)保持邏輯上的一致性）。

這里以“電場(chǎng)力和能的性質(zhì)”這兩個(gè)單元的知識(shí)梳理為例，談?wù)勛约旱囊稽c(diǎn)思考。

這兩單元知識(shí)可歸納為如下三點(diǎn)：

（1）一個(gè)定律：庫(kù)侖定律F=k

（2）兩種性質(zhì)：電場(chǎng)力和電場(chǎng)能的性質(zhì) （用物理量電場(chǎng)強(qiáng)度E、電勢(shì)φ、電勢(shì)差UAB表示）有[2]：

（3）三個(gè)關(guān)系：即電場(chǎng)的形象化描述與電場(chǎng)的抽象化（數(shù)學(xué)化）描述間的三個(gè)組合關(guān)系。

①形象化描述電場(chǎng)與形象化描述電場(chǎng)間的關(guān)系，即電場(chǎng)線與等勢(shì)面的關(guān)系。

如：沿電場(chǎng)線方向等勢(shì)面的電勢(shì)逐漸降低;電場(chǎng)線越密集的地方等差等勢(shì)面越密集。

②抽象化描述電場(chǎng)與抽象化描述電場(chǎng)間的關(guān)系。

如：電勢(shì)與電勢(shì)差的關(guān)系，勻強(qiáng)電場(chǎng)中E與U的關(guān)系U=Ed。

③形象化描述電場(chǎng)與抽象化描述電場(chǎng)之間的關(guān)系。這里可以對(duì)“線、面、E、φ、UAB” 這五個(gè)要素進(jìn)行多重組合，找出“形象”與“抽象”間各要素間的多種關(guān)系。

如：E與“線”的關(guān)系，E與“面”的關(guān)系;UAB與“線”的關(guān)系， UAB與“面”的關(guān)系;φ與“線”的關(guān)系，φ與“面”的關(guān)系。

這里可以給學(xué)生留點(diǎn)思考空間，讓其按此思路自由發(fā)揮，自行歸納，重在培養(yǎng)學(xué)生整合知識(shí)的能力，不要過(guò)分追求歸納的完整性。

上述知識(shí)梳理的主線是：

電荷間的相互作用規(guī)律—發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)—電場(chǎng)的性質(zhì)及描述。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2010：11-12.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-1教師教學(xué)用書(shū)[M].北京：人民教育出版社，2010：12-24.

（欄目編輯? ? 羅琬華）