基于跨學(xué)科融合視域的電動勢高端備課再研究

張惠晴　邢紅軍　石堯

摘? ?要：基于跨學(xué)科融合視域，對電動勢教學(xué)的高端備課進(jìn)行了再研究。通過闡明“板電場”“膜電場”模型建立的微觀機(jī)制，指出非靜電場與靜電場、非靜電力與靜電力在場源電荷與電路構(gòu)成上的本質(zhì)區(qū)別，并從三種視角展現(xiàn)了銅鋅伏打電池中非靜電力做功的本質(zhì)圖景，最終得出了非靜電場、非靜電力為電路提供恒定電流的物理機(jī)制。

關(guān)鍵詞：電動勢；跨學(xué)科；物理建模；高端備課

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）6-0072-4

電動勢作為描述電源特性的物理量，不僅對于學(xué)生理解電路中回路的構(gòu)成，建立能量觀有著特殊的意義，同時也是電化學(xué)領(lǐng)域的重要研究對象。因此，電動勢的教學(xué)就帶有鮮明的“跨學(xué)科”屬性。有鑒于此，我們立足跨學(xué)科融合的視域，在梳理原有電動勢高端備課不足的基礎(chǔ)上，對電動勢內(nèi)容的教學(xué)展開再研究。

１? ? 電動勢高端備課再研究的意義

電動勢的高端備課立足電動勢形成的知識本質(zhì)，根據(jù)教材內(nèi)容的深廣度與學(xué)生的可接受程度，以伏打電池為例，系統(tǒng)闡釋了電動勢的微觀機(jī)制，從而對電動勢的教學(xué)進(jìn)行了有益探索。簡而言之，文中先對現(xiàn)行電動勢的教學(xué)進(jìn)行了回顧與反思，并在此基礎(chǔ)上指出：現(xiàn)有教學(xué)安排均回避了對電動勢概念的本質(zhì)闡述，導(dǎo)致學(xué)生可能無法完整地建立電動勢的概念。隨后，文中以銅鋅伏打電池為例，指出非靜電力在本質(zhì)上仍然是一種“電場力”，這種立足“非靜電力”本質(zhì)的詮釋，使電動勢的概念和形成過程一目了然［１］。當(dāng)然，物理高端備課作為一種接受課堂教學(xué)實踐檢驗的備課形式，在經(jīng)歷了課堂教學(xué)實踐后，也需要進(jìn)行自我革新。為此，我們基于跨學(xué)科融合的視域?qū)﹄妱觿莸母叨藗湔n進(jìn)行了深入反思，并嘗試進(jìn)一步將“板電場”模型和“膜電場”模型建立的微觀機(jī)制、靜電場與非靜電場的區(qū)別、靜電力與非靜電力的區(qū)別融入其中。

２? ? 電動勢高端備課的再研究

追溯電化學(xué)發(fā)展史，世界上第一個真正意義上的電池是由意大利物理學(xué)家伏打發(fā)明的。伏打發(fā)現(xiàn)，只要兩種中間夾有濕硬紙、皮革或其他海綿狀物的不同金屬接觸，就會有電流產(chǎn)生，從而據(jù)此研制出了能維持一定電流的伏打電堆，如圖1所示［２］。這里，我們對“伏打電堆”進(jìn)行教學(xué)上的簡化與純化，即將鋅片與銅片置于稀硫酸中，構(gòu)造出一個簡化的“伏打電堆”模型，如圖2所示（說明：為了方便呈現(xiàn)，本圖及后面相關(guān)圖片均略去電解質(zhì)溶液）。接下來，我們從分析恒定電流的形成過程入手，嘗試?yán)迩咫妱觿菰陔娐分械淖饔煤鸵饬x。

現(xiàn)藏于意大利科莫伏打博物館

２．１? ? 在稀硫酸中插入鋅板與銅板，分析化學(xué)反應(yīng)實質(zhì)

首先，根據(jù)金屬活動性順序表（圖3），鋅可與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)，繼而失去電子，以帶正電荷的鋅離子形式存在于溶液中；相應(yīng)地，稀硫酸中的氫離子因從鋅板中得到電子而變?yōu)闅錃庖莩?，化學(xué)反應(yīng)方程式可表示為：

Zn+H₂SO₄=ZnSO₄+H₂↑

同時，由于金屬銅性質(zhì)穩(wěn)定，不與稀硫酸反應(yīng)，所以銅板不受影響。

２．２? ? 連接鋅板與銅板，分析“板電場”與“膜電場”模型建立的微觀機(jī)制

用導(dǎo)線連接鋅板與銅板后，電路就形成了回路。這里，我們先分析鋅板上的電子運(yùn)動情況。此時，電子有沿導(dǎo)線從低電勢向高電勢移動的趨勢，同時剛進(jìn)入溶液帶正電荷的鋅離子也阻礙了帶同種電荷的氫離子進(jìn)一步獲得電子，這樣電子就暫時積聚到了鋅板上。由此，儲存電子的鋅板將帶有負(fù)電荷，就吸引溶液中的鋅離子排列在鋅板與溶液的接觸面上，從而形成了一層帶等量正電荷的“薄膜”。再分析銅板上電子的運(yùn)動情況，電子在鋅板的儲存導(dǎo)致溶液中正電荷累積而顯正電性，這樣銅板的電子必然受到正電荷的吸引而進(jìn)入溶液中，完成電性的中和，由此從物理視角解釋了“溶液呈電中性”的原因。此外，留下的銅板帶有正電，最終溶液中的電子也將受到吸引，排列在銅板與溶液的接觸面上，形成一層帶等量負(fù)電荷的“薄膜”［３］。這里，我們把在鋅板和銅板內(nèi)表面電荷構(gòu)成的電場稱為“板電場”，把鋅板外表面（與溶液接觸的表面）的正電荷“薄膜”與銅板外表面（與溶液接觸的表面）的負(fù)電荷“薄膜”構(gòu)成的電場稱為“膜電場”，如圖４所示，這就是“板電場”與“膜電場”模型建立的微觀機(jī)制。

２．３? ? 連接鋅板與銅板，分析“板電場”與“膜電場”模型變化的微觀機(jī)制

當(dāng)鋅板與銅板連接后，原電池就連通了外電路，如圖５虛線框所示。由于鋅板帶負(fù)電而電勢低，銅板帶正電而電勢高，因此，鋅板中的電子受到銅板上正電荷電場的吸引，在外電路中沿導(dǎo)線從鋅板流向銅板，結(jié)果導(dǎo)致鋅板上的電子與銅板上的正電荷都減少了，相應(yīng)地“板電場”也就變小了。

隨著“板電場”的減小，“膜電場”對電子的阻礙作用不斷增強(qiáng)，直到鋅板中的電子減少到一定數(shù)量后，“膜電場”變得足夠強(qiáng)，以致電子再也無法流向銅板，此時“板電場”與“膜電場”便暫時達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。這里，我們把“板電場”與“膜電場”在空間疊加形成的等效電場稱作“E非”。由于此時“板電場”減小，“膜電場”起主要作用，因此“E非”（E_非＝E_膜-E_板）的場強(qiáng)方向向右。并且，因為此時銅板和鋅板外表面（與溶液接觸的表面）的電荷是靜止的，所以“板電場”是靜電場，施加給電子的力是靜電力［４-５］。

２．４? ? 連通內(nèi)電路，分析內(nèi)電路離子移動

在外電路連通后，稀硫酸溶液作為“導(dǎo)電體”也就連通了內(nèi)電路，如圖６虛線框所示。稀硫酸作為強(qiáng)電解質(zhì)，在水中能夠完全電離生成氫離子與硫酸根離子，電離方程式為：

H_２SO_４=2H^＋+SO₄^２－

鋅板內(nèi)表面的電子經(jīng)導(dǎo)線來到銅板后與氫離子結(jié)合，生成氫氣離開溶液體系，并且隨之產(chǎn)生的鋅離子和剩余的硫酸根就會積累在鋅板外表面與銅板外表面，使“膜電場”增強(qiáng)，從而阻礙電子移動，使化學(xué)反應(yīng)終止?？梢哉f，正是因為有等效電場“E_非”的存在，使銅板附近帶負(fù)電荷的硫酸根被不斷搬向鋅板，中和帶正電的鋅離子，從而為新“剩余”出的硫酸根“騰出”位置。

等效電場“E非”消除了鋅板因為生成電子而帶來的電荷積聚影響，從而使鋅板上電子數(shù)量減少后，又能有新的電子產(chǎn)生，繼而使鋅板上的電子數(shù)保持恒定。并且，由“板電場”的形成過程可知，銅板上的正電荷是溶液中帶正電的鋅離子吸走銅板上的電子所致。再由電極方程式：

Zn-2e^-= Zn²⁺

可知，鋅板上電子的增多必定伴隨著溶液中鋅離子的增多?，F(xiàn)在鋅板上的電子數(shù)保持恒定，故而進(jìn)入溶液中的鋅離子數(shù)量也是恒定的，由此可知銅板上的正電荷數(shù)量保持不變，因此構(gòu)成“板電場”的電荷就達(dá)到了“動態(tài)平衡”。同樣，盡管構(gòu)成“膜電場”的鋅離子與硫酸根也在不斷運(yùn)動，但總有新的鋅離子與硫酸根補(bǔ)充進(jìn)來，因此也達(dá)到了一種“動態(tài)平衡”。

此時，雖然構(gòu)成“板電場”與“膜電場”的電荷不是靜止的，但電荷的分布是穩(wěn)定的，不會隨時間而變化，故而導(dǎo)致電場的分布也不會隨時間而變化。值得說明的是，這種“由穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定電場”正是我們在高中階段所學(xué)的 “恒定電場（ｓｔｅａｄｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）”［４］。由于產(chǎn)生恒定電場的電荷處于“動態(tài)平衡”中，因此，恒定電場是一種“非靜電場”，帶電離子在電場作用下受到的力也是非靜電力。如圖7所示。

、２．５? ? 統(tǒng)領(lǐng)全局，理解非靜電力的本質(zhì)

最后，教師在此基礎(chǔ)上，從回路電勢、回路電荷、回路電場三個角度，為學(xué)生闡釋非靜電力的本質(zhì)。從回路電勢的角度而言，電子從鋅板不斷來到銅板，導(dǎo)致鋅板一側(cè)電勢逐漸升高，銅板一側(cè)電勢逐漸降低。為了能持續(xù)產(chǎn)生電流，電路中需要維持電勢差。對于正極：

2H⁺+2e^-=H₂↑

銅板上的電子不斷被氫離子結(jié)合而生成氫氣逸出，導(dǎo)致電勢的升高。對于負(fù)極：

Zn-2e^-=Zn²⁺

鋅板不斷生成電子而導(dǎo)致電勢的降低，并且隨之生成的帶正電荷的鋅離子進(jìn)入溶液中，被E■搬運(yùn)來的硫酸根中和。從回路電荷的角度，外電路中帶負(fù)電荷的電子在靜電力的作用下，沿導(dǎo)線由負(fù)極來到正極；內(nèi)電路中帶負(fù)電荷的硫酸根在等效電場的非靜電力作用下，從溶液中由正極來到負(fù)極，最終構(gòu)成了負(fù)電荷在電路中的“回流”。從回路電場的角度，恒定電場作為一種“非靜電場”，其特殊性在于，它提供的“非靜電力”能夠升高電勢，從而彌補(bǔ)了“靜電力僅能讓電路電勢降低而無法維持電勢差”的不足。電荷“非靜止”的意義不僅在于令恒定電場導(dǎo)體內(nèi)部的電場強(qiáng)度不等于０，使電荷被不斷搬運(yùn)以維持電勢差；同時電荷持續(xù)非靜止的定向運(yùn)動需要能量來維持，這就決定了電源是一種能量轉(zhuǎn)化裝置?？梢?，正是場源電荷的狀態(tài)及分布情況決定了靜電場與非靜電場、靜電力與非靜電力在電路構(gòu)成與能量轉(zhuǎn)化上的本質(zhì)區(qū)別。

上述三種視角清晰地展現(xiàn)出了銅鋅伏打電池中非靜電力做功的本質(zhì)，即銅鋅伏打電池通過化學(xué)的方式產(chǎn)生非靜電場，該電場通過提供“非靜電力”對溶液中的帶電粒子做功，繼而維持電源電勢差，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為了電勢能。該圖景不僅展現(xiàn)了“非靜電場”“非靜電力”為電路提供恒定電流的重要意義，更揭示出在電源內(nèi)部的電路中，施加給帶電粒子的“非靜電力”不是“化學(xué)力”等由電源類型決定的力，而是由動態(tài)的電荷所施加的“電場力”，從而完美地剖析了電動勢產(chǎn)生的微觀機(jī)制。

３? ? 研究啟示

３．１? ? 掌握建模方法，培養(yǎng)科學(xué)思維

眾所周知，物理知識的獲得和應(yīng)用均需要借助科學(xué)方法來完成，其中理想模型法作為一種重要的科學(xué)方法，以分析、抽象、概括等思維為基礎(chǔ)，意在突出主要因素，忽略次要因素，使復(fù)雜而冗繁的物理現(xiàn)象變得簡單且易于分析［６］。研究顯示，理想模型法只有在實際應(yīng)用中，才能被學(xué)生掌握與內(nèi)化。故而為了使學(xué)生能夠更好地掌握理想模型法，我們從選取研究對象開始，便積極引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用理想模型法對伏打電堆進(jìn)行簡化與純化，由此構(gòu)建出由鋅板、銅板、稀硫酸溶液和導(dǎo)線組成的探究模型。再者，“板電場”與“膜電場”的建立也是以電化學(xué)中的“雙電層（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ）”模型為基礎(chǔ)的，其間引導(dǎo)學(xué)生立足物理視角，忽略“溶劑化離子（ｓｏｌｖａｔｅｄ ｉｏｎｓ）”“吸附現(xiàn)象（ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）”［３，７］等次要因素，突出主要的“電荷分布”這一關(guān)鍵性因素，來完成理想化模型的建構(gòu)。可以說，理想模型法貫穿電動勢教學(xué)設(shè)計的始終，使學(xué)生在電動勢的學(xué)習(xí)中可以漸次體驗理想模型法的妙用，并完成方法的內(nèi)化。

３．２? ? 注重過程細(xì)節(jié)，疏通教學(xué)邏輯

物理教學(xué)不僅要講清楚“是什么”，更要從知識的本質(zhì)入手講清楚“為什么”［８］。針對電動勢的教學(xué)而言，在理解伏打電池微觀機(jī)理的過程中，學(xué)生要根據(jù)已掌握的知識嘗試對新知識進(jìn)行解釋與學(xué)習(xí)。倘若粗淺地略過了其中一些關(guān)鍵的教學(xué)過程，勢必會造成學(xué)生頭腦中邏輯鏈條的斷裂，無法形成對電動勢的完整認(rèn)識。于是，我們在教學(xué)中補(bǔ)充了“在稀硫酸中插入鋅板與銅板，分析化學(xué)反應(yīng)實質(zhì)”“連接鋅板與銅板，分析‘板電場與‘膜電場模型建立的微觀機(jī)制”等環(huán)節(jié)，由此為“板電場”與“膜電場”的模型建立與理解做好了充分鋪墊，讓學(xué)生能夠真正明晰等效電場的來龍去脈，促使他們順利完成對非靜電力本質(zhì)的探究。

３．３? ? 關(guān)注學(xué)科融合，貫通理科知識

Ｍｏｒｒｉｓｏｎ 曾指出，“將知識按學(xué)科進(jìn)行劃分，對科學(xué)研究、深入探究自然現(xiàn)象、模塊化地教授知識有所助益，但卻不能反映我們生活世界的真實性和趣味性”［９］。由此可見，各學(xué)科之間的融合與貫通不僅可以更好地解釋現(xiàn)有的概念與問題，更能為未來的研究與探索打下堅實的基礎(chǔ)。有鑒于此，我們基于跨學(xué)科融合的視角，擺脫學(xué)科中特定知識的束縛，重新開啟了電動勢教學(xué)的高端備課，從物理和化學(xué)之間的跨學(xué)科聯(lián)系切入，打破學(xué)科間的“思維壁壘”，回歸問題研究者的原始身份。值得強(qiáng)調(diào)的是，在進(jìn)行“跨學(xué)科”的物理教學(xué)中，教師必須堅持自己的物理學(xué)科立場。如教學(xué)中對電動勢微觀機(jī)制的剖析，雖然是建立在化學(xué)原電池的基礎(chǔ)之上，但我們的高端備課在建模與分析電動勢的微觀機(jī)制時均采取了“突出物理視角，弱化化學(xué)知識”的方式，著重強(qiáng)化了“電場”“電場力”的作用，闡釋了“溶液呈電中性”的原因，并結(jié)合基本化學(xué)方程式去理解電動勢形成過程中的電勢與電荷變化，而非囿于“氧化還原”“化學(xué)平衡”等化學(xué)問題。

參考文獻(xiàn)：

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［３］高鵬，朱永明．電化學(xué)基礎(chǔ)教程［Ｍ］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，２０１３：５２，６２．

［４］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心．普通高中教科書物理必修第三冊［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９：１１－１２，５４．

［５］程守洙，江之永．普通物理學(xué)上冊［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０１６：２５７．

［６］邢紅軍．高中物理科學(xué)方法教育［Ｍ］．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，２０１５：６４．

［７］傅獻(xiàn)彩．物理化學(xué)·下冊［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６：７３．

［８］喬際平．物理教育學(xué)［Ｍ］．南昌：江西教育出版社，１９９２：３．

［９］Ｍｏｒｒｉｓｏｎ Ｊ， Ｂａｒｔｌｅｔｔ Ｒ， Ｒａｙｍｏｎｄ Ｖ． ＳＴＥＭ ａｓ ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ［Ｊ］．Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｗｅｅｋ，２００９（２３）：２８-３１．

（欄目編輯? ? 李富強(qiáng)）