通過培養(yǎng)高中生物理觀念突破靜電場教學(xué)難點的方法分析

馮楠

摘 要：2017版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)將物理核心素養(yǎng)納入其中，并對其要素做了具體闡述，分為物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面。文章從培養(yǎng)核心素養(yǎng)中物理觀念這個要素出發(fā)，在教育教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的運動觀念、能量觀念和相互作用觀念，并探討運用物理觀念解決電磁場的實際問題，從而突破靜電場的教學(xué)難點。

關(guān)鍵詞：物理觀念;靜電場;教學(xué)難點

一、 引言

高中物理靜電場的知識將力學(xué)、電學(xué)、運動學(xué)以及能量有機地融合起來。在實際教學(xué)過程中，教師按照章節(jié)一節(jié)一節(jié)地進行教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)的是碎片化的物理知識，在頭腦中難以將知識系統(tǒng)地生成并構(gòu)建到已有的知識體系中，遇到復(fù)雜的物理問題難以將知識提取出來解決物理問題。這造成了教師難教，學(xué)生難學(xué)的教學(xué)難點的困境。培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)中的物理觀念，結(jié)合電場知識，讓學(xué)生形成經(jīng)典的運動觀、能量觀、相互作用觀，能夠有效地突破電磁學(xué)的教學(xué)難點。

二、 建立物理觀念

物理觀念的培養(yǎng)主要是讓學(xué)生形成經(jīng)典物理的物質(zhì)觀、運動觀、能量觀、相互作用觀，并且能用來解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題。在電磁學(xué)的教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念主要是運動觀念、能量觀念，以及相互作用觀念這三種觀念的形成與建立。其中相互作用觀念主要指物體與物體之間的相互作用，也就是在靜電場中建立力的觀念（圖1）。利用科學(xué)的物理觀念，對靜電場中的物理問題進行力學(xué)分析、運動分析以及能量分析，達到解決實際問題的目的，突破高中物理靜電場教學(xué)的難點。

（一）相互作用觀念

在高中物理靜電場的教學(xué)中，要注重培養(yǎng)學(xué)生的相互作用觀念。在靜電場中，主要研究電荷與電荷的相互作用，在點電荷的電場中用庫侖定律來研究電場力的大小;在非點電荷產(chǎn)生的電場中，用試探電荷在電場中的受力大小與試探電荷量的比值來引入一個新的研究電場力的工具，稱為電場強度。故此，在靜電場的教學(xué)中，首先要給學(xué)生建立的是力學(xué)觀念，對處于電場中的電荷進行受力分析。

（二）運動觀念

萬物起源于運動，牛頓第一定律告訴我們，一切物體在受到物體與物體的相互作用力時，會改變原有的運動狀態(tài)。靜電場中建立了相互作用觀念后，在相互作用力的作用下，物體要開始動起來了，因此要建立運動學(xué)的觀念。牛頓第二定律是力學(xué)與運動學(xué)之間的橋梁，根據(jù)受力分析物體的加速度，判斷加速度方向與速度方向的關(guān)系，判斷運動狀態(tài)。根據(jù)運動學(xué)公式以及運動合成與分解的知識對粒子在電場中的運動進行具體分析，得出物體的運動速度、運動位移、運動路程、運動時間等運動學(xué)的物理量。

（三）能量觀念

物體處在重力場中，由于位置具有重力勢能，同理，電荷處在靜電場中，因為位置具有電勢能。功是能量轉(zhuǎn)化的量度，類比重力做功與重力勢能變化的關(guān)系，提出在靜電場中移動電荷，電場力做功等于電勢能的變化量，若將電荷從某點移到零勢能點，電場力做功就等于該點的電勢能大小。從電勢能出發(fā)，由電勢能與電荷量的引入電勢的概念，規(guī)定零電勢點，判斷靜電場中電勢的高低。根據(jù)電場力做功的多種推理方法，得出電勢差與電場強度的關(guān)系。將能量觀念引入電場之中，為解決物理問題提供了一條新的思路。

三、 運用物理觀念解決靜電場問題

運用物理觀念解決靜電場問題，通過對問題進行相互作用、運動、能量的分析，找出各個物理量之間的相互關(guān)系，建立科學(xué)的思路，從而解決物理問題。下面從力學(xué)角度、運動學(xué)角度及能量角度出發(fā)，分析靜電場中物理問題的三條主線。

（一）帶電粒子在靜電場中運動分析

力學(xué)分析：對處于靜電場中的帶電粒子進行相互作用力的分析分為兩種情況（圖2）。第一，從粒子受力的大小、方向出發(fā)，根據(jù)庫侖定律和電場力的導(dǎo)出公式，得出場強的大小和方向，由牛頓第二定律得出加速度的大小和方向。第二，給出電場線這個理想化的模型，電場線的疏密代表電場強度的大小，切線方向為場強方向，由場強判斷物體的受力大小和方向，得出加速度的大小和方向。通常對給定粒子軌跡的分析，受力方向指向軌跡內(nèi)側(cè)，并與場強方向共線。

運動分析：運動分析分為兩個方面（圖3）。第一，已知受力大小，得出物體的加速度大小，若為勻變速直線運動，進而可以分析物體的運動位移、運動速度、運動時間等運動學(xué)物理量。第二，根據(jù)受力方向得出加速度方向，由加速度和速度方向的夾角判斷功的正負，進而判斷電勢能的增減，電勢的高低。若夾角大于90°，移動正試探，電荷電場力做負功，電勢能增加，電勢增加;移動負試探，電荷電場力做負功，電勢能增加，電勢降低。若夾角小于90°，移動正試探電荷，電場力做正功，電勢能減小，電勢減小;移動負試探電荷，電場力做正功，電勢能增加，電勢增加。

能量分析：能量分析從電勢出發(fā)，通過電勢的高低，判斷電勢能的大小，進而判斷做功的大小和正負，由動能定理得出物體的運動速度的增減（如圖4）。

判斷電勢高低的三種方法：①電場線法：沿著電場線方向，電勢越來越低。②場源電荷法：離正場源電荷越近，電勢越高;離負場源電荷越近，電勢越低。③電勢能法：正試探電荷在電勢能高的地方，電勢高，在電勢能低的地方電勢低;負試探電荷在電勢能高的地方電勢低，在電勢能高的地方電勢高。

例如：（2019全國2卷物理第7題）靜電場中，一帶電粒子僅在電場力的作用下自M點由靜止開始運動，N為粒子運動軌跡上的另外一點，則（? ）

A. 運動過程中，粒子的速度大小可能先增大后減小

B. 在M、N兩點間，粒子的軌跡一定與某條電場線重合

C. 粒子在M點的電勢能不低于其在N點的電勢能

D. 粒子在N點所受電場力的方向一定與粒子軌跡在該點的切線平行

力學(xué)分析：帶電粒子在只受電場力，且電場線是直線時運動軌跡才與電場線重合，由于該電場未知，所以粒子的軌跡不一定與某條電場線重合，故B錯誤。