觀察需看透 等效要嚴(yán)謹(jǐn)

丁楊泉 朱建武

(江蘇省如東縣馬塘中學(xué)，江蘇 南通 226401)

在解析“靜電場”習(xí)題中，學(xué)生時常會出現(xiàn)膚淺“觀察”得出假解、臆想“等效”產(chǎn)生錯解的現(xiàn)象。教師在教學(xué)過程中應(yīng)引領(lǐng)學(xué)生在糾錯中增強(qiáng)科學(xué)觀念，習(xí)得科學(xué)思維，理解科學(xué)探究，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，激發(fā)求真精神，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)。

1 “觀察”務(wù)求看透，尋根求真治理“假解”

電場線和等勢線都是描述電場特性的利器，是科學(xué)思維的結(jié)果。經(jīng)過觀察、比較電場線或等勢線的分布情況，能夠直接解決靜電場的某些問題。如果只是膚淺“觀察”，沒有經(jīng)過周密的科學(xué)思考，就容易捕風(fēng)捉影，給出虛假解。因此“觀察”務(wù)求看透，教師應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生尋根求真治理“假解”。

例1：兩個帶電荷量分別為Q1、Q2的點(diǎn)電荷周圍的電場線如圖1所示。由圖1可知( )。

圖1

A.兩點(diǎn)電荷帶異種電荷，且Q1>Q2

B.兩點(diǎn)電荷帶異種電荷，且Q1

C.兩點(diǎn)電荷帶同種電荷，且Q1>Q2

D.兩點(diǎn)電荷帶同種電荷，且Q1

常見解析：觀察圖1中電場線分布情況，可判斷這兩個點(diǎn)電荷帶異種電荷；Q1周圍的電場線比Q2周圍的電場線密，說明Q1附近的場強(qiáng)比Q2附近場強(qiáng)大，Q1>Q2，故選項(xiàng)A正確。

學(xué)生質(zhì)疑：全面進(jìn)行觀察比較，Q1左側(cè)的電場線并不比Q2周圍電場線都密，Q1附近任意一點(diǎn)的場強(qiáng)，一定比Q2附近任意一點(diǎn)的場強(qiáng)都大嗎？

圖2

在細(xì)致觀察的基礎(chǔ)上，運(yùn)用嚴(yán)密的科學(xué)分析、推理，看透現(xiàn)象的本質(zhì)，從而得出科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論，體現(xiàn)了良好的科學(xué)態(tài)度。

例2：a、b兩個異種點(diǎn)電荷電場中的部分等勢線如圖3所示，其電荷量大小分別為qa和qb，已知A點(diǎn)電勢高于B點(diǎn)電勢(取無窮遠(yuǎn)處電勢為零)，則下列說法中正確的是( )。

圖3

A.a處為正點(diǎn)電荷，qa

B.a處為負(fù)點(diǎn)電荷，qa>qb

C.a、b連線中點(diǎn)的電勢大于零

D. 將一正的試探電荷從A移到B，電場力做負(fù)功

常見解析：與等量異種點(diǎn)電荷電場比較，靠近正電荷的點(diǎn)的電勢較高，故a處為正點(diǎn)電荷；該圖中左側(cè)的等勢線比較密，無窮遠(yuǎn)處電勢為零，與a點(diǎn)之間的電勢差較大，a點(diǎn)所帶電荷量較多。選項(xiàng)C正確。

學(xué)生質(zhì)疑：能明顯看出“左側(cè)的等勢線比較密”嗎？如何判定a點(diǎn)與無窮遠(yuǎn)處間電勢差一定較大？有可信的根據(jù)嗎？

打假求真：學(xué)生先獨(dú)立思考，再小組討論。

方法二：如果較準(zhǔn)確地畫出a、b之間若干電場線，就具有與例1中電場線一樣的分布特征，利用場強(qiáng)矢量關(guān)系圖也能正確求解。

觀察務(wù)求看透，破解必須求真。學(xué)生科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)，貫穿于打假求真的過程中。

2 “等效”不可臆想，用準(zhǔn)模型糾正“錯解”

“等效”思想是常用的科學(xué)思維方法，但是，憑空臆想而來的所謂“等效”，不僅不能正確地解決問題，而且不利于學(xué)生物理觀念的形成。在一些教學(xué)資料中，流行一種錯誤的“等效觀點(diǎn)”，認(rèn)為“均勻分布的帶電圓環(huán)的電場，等效于將其電荷放在圓環(huán)圓心處時產(chǎn)生的電場”。

例3：如圖4所示，A、B兩圓環(huán)上均勻分布著等量的正電荷，x軸垂直于環(huán)面且過兩圓環(huán)圓心O1和O2，P為O1O2的中點(diǎn)。下列說法中正確的是( )。

圖4

A.P點(diǎn)的電場強(qiáng)度為零

B.O1點(diǎn)的電場強(qiáng)度為零

C.O1點(diǎn)電勢一定等于O2點(diǎn)電勢

D. 從O1點(diǎn)沿x軸到O2點(diǎn)，電勢一定先降低后升高

把A圓環(huán)上電荷看成“無數(shù)對等量正電荷”，容易理解它在O1處合場強(qiáng)為零，但說成“其電荷等效放在O1處”，則無法理解“O1處合場強(qiáng)為零”。B圓環(huán)上電荷同樣看成“無數(shù)對等量正電荷”，并在O1處合場強(qiáng)不為零、方向水平向左。沒有依據(jù)“兩個圓環(huán)上電荷可等效放在O1和O2”，也能確認(rèn)選項(xiàng)A對、B錯。因此采用原解析中的“等效觀點(diǎn)”，輕松得出“選項(xiàng)D正確”，這可信嗎？

學(xué)生理解在靜電場中有一個重要的模型及其規(guī)律：兩個等量的正點(diǎn)電荷，其連線中點(diǎn)處的合場強(qiáng)為零，連線的中垂線上無窮遠(yuǎn)處合場強(qiáng)也為零，故在此中垂線上有兩個點(diǎn)的合場強(qiáng)最大。參考文獻(xiàn)[1] 中證明了“場強(qiáng)最大點(diǎn)與兩點(diǎn)電荷的連線，與中垂線之間夾角都為54.736°”，且此角度與點(diǎn)電荷的電荷量、點(diǎn)電荷間距離都無關(guān)。而本題中R與l之間存在多種不同的大小關(guān)系，分場強(qiáng)E1和E2的“場強(qiáng)最大點(diǎn)”會出現(xiàn)在不同的位置。據(jù)此質(zhì)疑：沿x軸從O1點(diǎn)到O2點(diǎn)之間，最多有幾個合場強(qiáng)為零的點(diǎn)？

經(jīng)過深入討論和交流，大家一致認(rèn)為，除P點(diǎn)合場強(qiáng)為零外一定存在一種可能：在O1點(diǎn)與P點(diǎn)之間的連線上有一點(diǎn)A1，該點(diǎn)合場強(qiáng)為零，且O1A1段的合場強(qiáng)方向水平向左、A1P段的合場強(qiáng)方向水平向右；同理，在P點(diǎn)與O2點(diǎn)之間的連線上也有一點(diǎn)A2(與A1點(diǎn)關(guān)于P點(diǎn)對稱)，該點(diǎn)合場強(qiáng)也為零，且PA2段的合場強(qiáng)方向水平向左、A2O2段的合場強(qiáng)方向水平向右。在此情況下，從O1點(diǎn)沿x軸到O2點(diǎn)，在O1P段電勢先升高后降低，在PO2段電勢也先升高后降低。因此選項(xiàng)D認(rèn)為“電勢一定先降低后升高”實(shí)屬錯解。

綜上所述，只有通過深度學(xué)習(xí)和探究，練就一雙慧眼，才能及早甄別教學(xué)中出現(xiàn)的假解、錯解，防止以訛傳訛，并通過引領(lǐng)學(xué)生打假、糾錯，切實(shí)提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。