高中物理电场教学设计实施与案例研讨
北京教育学院 丁友福
一、本讲讨论的问题
本讲将结合案例探讨静电场一章的教学设计及其实施，包括新课程理念的落实、教学过程中易出现问题的解决等。
二、课标要求
选修模块选修3－1划分为以下三个二级主题 ·电场 ·电路 ·磁场
本讲属于主题“电场”下的内容，相关内容标准如下
（1）了解静电现象及其在生活和生产中的应用。用原子结构和电荷守恒的知识分析静电现象。
例1 了解存在可燃气体的环境中防止静电常采用的措施。 （2）知道点电荷，体会科学研究中的理想模型方法。知道两个点电荷间相互作用的规律。通过静电力与万有引力的对比，体会自然规律的多样性与统一性。
（3）了解静电场，初步了解场是物质存在的形式之一。理解电场强度。会用电场线描述电场。
（4）知道电势能、电势，理解电势差。了解电势差与电场强度的关系。 例2 分析物理学中常把无穷远处和大地作为电势零点的道理。 例3 观察静电偏转，了解阴极射线管的构造，讨论它的工作原理。 （5）观察常见电容器的构造，了解电容器的电容。举例说明电容器在技术中的应用。
例4 使用闪光灯照相。查阅资料，了解电容器在照相机闪光灯中的作用。
三、教材内容分析
人教版教材选修3－1第一章的内容包括：
第一章 静电场
1 电荷及其守恒定律
2 库仑定律
3 电场强度
4 电势能和电势 5 电势差
6 电势差与电场强度的关系 7 电容器与电容
8 带电粒子在电场中的运动
本单知识结构如下
库 仓 定 律 电 场 电场力 电场力的功 电场强度 电 势 能 电势、电势差
电场强度与电势差的关系 导体的静电平衡
带电粒子在电场中的运动 电荷及其守恒定律
选修系列三适用对象是具有理工倾向的学生，定位是比较全面和系统地学习基础物理学的知识，比较注重概念的科学性、规律的准确性、理论的严谨性。技能的规范性；能够对物理学的重大进展及其过程中前辈科学家的探研究精神、思维方式和研究方法有所了解与感悟，并以亲身经历某些物理问题的探究活动加深理解，培养自主学习和研究的习惯；在此基础上，增强实验观察、逻辑思维的能力，加深对科学的情感，认识科学的价值，培养献身科学的志趣。
场是除实物以外物质存在的另一种形式。学生将通过电场的学习加深对于世界的物质性和物质运动的多样性的认识。本模块中的概念和规律是进一步学习物理学的基础，是高中物理核心内容的一部分。学生通过电场和磁场的学习不仅要知道电场的基本性质，了解电场规律在科学技术、生产和生活中的应用，而且要加深对于世界的物质性和物质运动的多样性的认识。
从知识和技能角度，
对于静电现象，课程标准要求“了解静电现象及其在生活和生产中的应用。用原子结构和电荷守恒的知识分析静电现象。课程标准对点电荷的要求是属于“了解”水平，电场是物理学中的重要概念，比较抽象。教学中可以让学生通过电场对电荷的作用来检验其存在，相信电场也是物质存在的形式之一，不作进一步的拓展。
“电场强度”属于“理解”水平，学生应该知道电场强度的定义式，理解其矢量性和叠加性，但对于叠加不要进行繁琐的计算。电势能、电势、电势差是描述电场能的性质的物理量。由于在物理学特别是在技术中经常用到电势差的概念，因此，课程标准对电势差要求比较高。在教学中要突出电势差的教学，使学生理解其意义，并会计算使用电势差。尽管课程标准对等势面没作要求，但对于学习能力较强的学生可以介绍等势面的有关知识，帮助学生加深对电场的认识，同时也渗透了物理学的研究方法。课程标准对电容器的要求特别强调其在技术中的应用，教学中应该结合电容器的一些特性，如充放电、改变电容的方法等通过实验让学生感受体验，并要联系技术中应用的一些实例培养学生对科学知识的学习兴趣。 从过程与方法角度看
理想化方法：借助于逻辑思维和想像力，有意识地突出研究对象的主要条件，形成理想化的客体或关系的科学抽象方法。点电荷是学生在电学中接触的第一个理想模型，教学时可以把它与质点联系起来，使学生加深对理想化物理模型这种科学方法的认识。通过学习电场线知道另一种理想化方法，模拟式物理模型。让学生知道用虚拟的图线描述抽象物理概念，是概念具体化、形象化的一种手段。
类比法：根据两个(类)对象间在某些方面相同或相似，推出在其他方面也可能相同或相似的方法。静电力与万有引力对比，库仑定律与万有引力定律对比，电势能与重力势能对比。这是一种类比的科学方法。 从情感、态度、价值观角度
通过静电力与万有引力的对比，体会自然规律的多样性与统一性。可以通过比较两者的产生原因、力的存在形式、表达式、都属于场的作用等这说明规律的多样性与统一性。让学生体会物理学的美，简单、和谐、统
一、对称。能够用一种简洁的公式或语言描述或解释很复杂的自然现象就是美。以简驭繁是一种很美的感觉。
教学中还可以介绍物理学家（比如：富兰克林等）对静电研究的卓越贡献，使学生能自觉地把静电与雷电等自然现象联系起来，培养学生崇尚科学、破除迷信的精神，进行情感、态度、价值观的教育。
四、重难点及高考现状
本章教学重点有从物质微观结构的角度认识物体带电的本质、库仑定律、电场强度的理解、电势的概念、电势能变化与电场力做功的关系、理解电势差的概念以及电势差与电场强度的关系。
难点有起电的本质、实验探究电荷间相互作用力的因素，库仑定律的建立过程、几种典型电场的电场线分布情况、电势、电势能概念的建立 课标中对“电势能和电势”内容的要求较高，是本章的重点，同时也是一个难点，虽然可以和重力场对比，但是由于试探电荷分为正电荷和负电荷，所以同学们对电势和电势能的关系往往去对照高度与重力势能的关系，会出现电荷在高电势的地方电势能大的观点，而不是去分析电势能的变化与电场力做功的关系，有时还会去记忆一些不必要且容易混淆的结论。 电场是物理学中的重要概念，比较抽象。教学中可以让学生通过电场对电荷的作用来检验其存在，相信电场也是物质存在的形式之一，“电场线”属于独立操作水平。要让学生知道电场线是为了形象描述电场而引入的虚拟线，知道电场线的意义，会用电场线描述电场的强弱和方向。还应该让学生知道用虚拟的图线描述抽象物理概念，是概念具体化、形象化的一种手段。 高考现状
静电场历来是高考考查的热点, 高考对静电场专题的考查频率很高，所占分值约为全卷的百分之5到10，试题主要集中在电场的力的性质、电场的能的性质以及与其他知识的综合应用。对于电场这种抽象的物理模型, 学生理解确有困难, 研究和分析具体的静电场问题也是个难点.而静电场作为高考热点之一, 往往集基本概念与思维能力于一体, 有利于区分和选拔优秀人才.纵观近年来高考考查的知识点, 主要集中在电场的基本概念和性质、电场力、电场力做功, 更多地与力学、磁场等知识点结合起来构成综合题, 考查考生对物理规律的理解、推理、分析问题和解决问题的综合能力.试题综合性较强, 充分体现了“ 出活题,考能力 ”的指导思想.。
五、教学设计案例分析
第四节 电势能和电势的教学设计 教学目标 1．知识与技能 （1）理解静电力做功的特点、电势能的概念、电势能与电场力做功的关系。
（2）理解电势的概念，知道电势是描述电场的能的性质的物理量。明确电势能、电势、静电力的功、电势能的关系。了解电势与电场线的关系，了解等势面的意义及与电场线的关系。 2．过程与方法
（1）通过与前面知识的结合，理解电势能与电场力做功的关系，从而更好的了解电势能概念。
（2）学习使用类比方法，培养学生对问题的分析、推理能力，培养学生利用物理语言分析、思考、描述概念和规律的能力。 3．情感态度与价值观
体会从功和能量的角度来认识现象。学习以能量的角度认识世界。 4．设计理念、思想
建构主义学习观认为学习不是被动接收信息刺激，而是主动地建构意义，是根据自己的经验背景，对外部信息进行主动地选择、加工和处理，从而获得自己的意义。外部信息本身没有什么意义，意义是学习者通过新旧知识经验间的反复的、双向的相互作用过程而建构成的。
重力势能知识的复习，静电场与重力场的类比有助于学生新知识的建构。 类比是人类研究、理解未知事物的一种有效而常用的方法。如果借助于类比的方法，可以将陌生的对象与熟悉的对象相比较，有利于启发学生思路，化难为易。新课标教材在本章第四节电势能和电势中也首次提到“重力或引力存在的空间也称为重力场或引力场”将静电场与重力场类比有利于学生知识牵移，降低新学知识的难度。也利于学生对场形成整体概念，学习知识的概括融合，有利于以后力学电学综合问题的解决。 重点是即要注意其相似之处，更要明白两者的区别。
相似之处是两者都是保守力场，重力做功和电场力做功都与路径无关。重力势能和电势能可以类比。
区别 对于静电场，验电荷分为正电荷和负电荷，同学们对电势和电势能的关系往往去对照高度与重力势能的关系，会出现电荷在高电势的地方电势能大的观点，而不是去分析电势能的变化与电场力做功的关系。 带电粒子在匀强电场中的运动，跟重物在重力场中的运动相似。不过重物在重力场中受到的力跟质量成正比，因此不同质量的物体具有相同的加速度g。但是带电粒子在电场中受到的力跟它的电荷量成正比，而电荷量相同的粒子可能质量不同，因而它们在电场中的加速度可以互不相同。这是静电场与重力场的重要区别。 5．教学过程
引入 从能量的角度来研究电场。复习功与能量的关系，重力做功的特点 （1）、静电力做功的特点 与重力做功特点对比 重力做功：
如果小球从A到B沿斜线向下运动。沿斜线运动距离是|AB|，这一过程重力做功是WG=mg|AB|cosθ=mg|AM|;
如果小球沿AMB折线从A运行到B在线段AM上重力做功W1= mg|AM|，在线段MB上重力做功W2=0；所以整个过程重力做功WG= mg|AM|。 如果小球沿任意曲线A运行到B，可以用无数组和重力平行和垂直的折线来逼近该曲线，只有移动方向与重力平行时重力做功，垂直时不作功，与重力平行折线长度之和等于|AM|。整个过程重力做功WG= mg|AM|。 结论：重力做功只与物体的起始位置和终点位置有关路径无关，与物体经过的路径无关。
静电力做功：
试探电荷q在电场强度为E的匀强电场中由A点移动到B点。 如果电荷q从A到B沿斜线运动。q受静电力F=qE,沿斜线运动距离是|AB|，静电力与位移夹角始终是θ，静电力F做的功是W=F|AB|cosθ=qE|AM|; 如果电荷q沿AMB折线从A运行到B在线段AM上静电力做功W1= qE|AM|，在线段MB上重力做功W2=0；所以整个过程静电力做功W= qE|AM|。 如果电荷q沿任意曲线A运行到B，可以用无数组和静电力平行和垂直的折线来逼近该曲线，只有移动方向与静电力平行时重力做功，垂直时不作功，与静电力平行折线长度之和等于|AM|。整个过程静电力做功W= qE|AM|。 结论：静电力做的功只与电荷的起始位置和终点位置有关，与电荷经过的路径无关。
拓展：该特点对于非匀强电场中也是成立的。
看似重复，实则加深了学生对保守力做功与路径无关的认识。有很强的说服力。既复习了旧知识又学习了新知识，并建立了知识之间的联系。 （2）、电势能
重力势能：由于重力做功与物体经过的路径无关，重力场引入重力势能EP=mgh
对于小球由A运动到B,
重力做功WG= mg|AM|,物体由A移动到B可以看出，重力势能减少的数量等于重力做的功。重力做正功重力势能减少，重力做负功重力势能增加。 WG= mg|AM|= EpA- EpB，选B为重力势能零点，A点重力势能为EpA= mg|AM|。 物体在某点的重力势能等于重力把它从该点移动到零势能位置所做的功。
电势能：由于静电力做功与路径无关，可以引入电势能。 静电力做的功等于电势能的负增量或称减少量。 将电荷q由A移动到B静电力做功 WAB＝qE|AM|=EpA－EpB
EpA＝WAB （以B为电势能零点）
电荷在某点的电势能，等于静电力把它从该点移动到零势能位置所做的功。
注意：电性不同的试探电荷从A运动到B的过程中，静电力做的功不同，电势能的变化也不同？ b.电势能零点的选取
物理学中经常把无穷远处定为引力势能的零势能点。通常把电荷离场源电荷无限远处的电势能规定为零，或把电荷在大地表面上的电势能规定为零。 (3)、电势 在重力场中，某点物体的重力势能与物体质量成正比。EpA= mg|AM|=mgh（取B点为重力势能零点）。 EpA/m=g|AM|=gh
对于不同质量的物体，重力势能与物体质量的比值由重力场中这点的位置决定。 对于静电场
由于EpA＝WAB= qE|AM|（以B为电势能零点） EpA /q= E|AM|
EpA与q成正比，电势能与电荷量的比值由电场中这点的位置决定，跟试探电荷本身无关。
a.电势定义：电荷在电场中某一点的电势能与他的电荷量的比值，叫做这一点的电势。用ф表示。 表达式：ф＝Ep/q （与试探电荷无关）。 b．电势是标量，它只有大小没有方向，但有正负。 c．单位：伏特（V） 1V＝1J/C
物理意义：电荷量为1C的电荷在该点的电势能是1J，则该点的电势就是1V。 电势物理意义：电场中某点的电势等于将单位正电荷由该点移动到参考点电场力做的功。 d．电势零点选取
与电势能零点选取一致，取离场场源电荷无限远处的电势为零，实际中常取大地的电势为零。
电场线指向电势降低的方向。 (4)、等势面
地理中用等高线来表示地势的高底，电场中常用等势面来表示电势的高低。
等势面性质
1.同一等势面上移动电荷，静电力不做功。
2.电场线跟等势面垂直，并且由电势高的等势面指向电势低的等势面。 等势面的用途
1．利用等势面可以形象地描述电场具有能的性质．
2．由等势面来绘制电场线．
实际中测量电势比测定场强容易，所以常用等势面研究电场，先测绘出等势面的形状和分布，再根据电场线与等势面相互垂直，绘出电场线分布，这样就知道了所研究的电场．
等量异种电荷、等量同种电荷及匀强电场的等势面
五、重点、难点和疑点的分析与解读
.1.从静电力做功引入电势能，加深对势能的理解。
势能是系统的，势能决定于系统中物体间的相互作用力与相对位置 电势能是试探电荷与场源电荷共有的。 电势由场源电荷及电场中指定点的位置决定。 电势能的变化用电场力做功来量度。 .2.从电势能引入电势 .电势概念的重要性
电势ф的引入提供了除电场强度E外描述静电场的新手段
电势是标量，它的空间分布可用等势面来描绘，形象直观，一目了然。 电势与试探电荷无关，与场源电荷以及在电场中的位置有关。 电场确定，位置确定则电势确定。 电场线指向电势降低的方向。
3.电势ф的零点选取原则上任意，通常选ф∞=0或ф地=0
什么叫选ф∞=0？为什么选ф∞=0？由于在几乎一切实际静电问题中，带电体（系）的电量总是有限的，分布范围也是有限的，所以带电体（系）附近电场较强，电势变化剧烈，而远处的电场较弱，电势变化和缓，因此把距带电体（系）足够远，场强几乎为零，电势几乎恒定的广大区域称为无穷远点，并规定其电势ф∞=0，便于确定近处各点的电势。 —实际工作中，常把电器外壳接地，并选ф地=0。当地球与无穷远之间的电势差在讨论的问题中可以忽略时，ф地=0与ф∞=0相容；当需考虑地球电场的影响时，ф地=0与ф∞=0不相容。
4.带点粒子在电场中的运动是力学知识在电场中的应用。
匀强电场中初速为零的带电粒子的加速可以类比自由落体，带电粒子的偏转可以类比平抛。
