高中物理电场教学设计实施与案例研讨---课程拓展资源
作者： 物理课程专家团队 评论数/浏览数： 5 / 9 发表日期： 2011-06-23 15:39:39
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任何作功与路径无关的力场，”叫做保守力场，或位场，在这类场中可以引进“位能”的概念。例如，在力学中，重力场作功与路径无关，所以重力场是个保守力场，我们可以引进“重力位能”的概念。上述定理表明，静电场也是保守力场，从而我们可引进“电位能”的概念。----电磁学【赵凯华】
●为什么把电荷守恒定律单列一节？
各种守恒定律都是物理学的基本定律，它们不是在盲目摸索中得来的副产品，它是物理学家追求的目标。新教科书突出了守恒的思想，例如，力学中学习功和能的时候就是从“追寻守恒量”开始的。这里把电荷守恒定律作为一节，目的就在于此。
过去常把摩擦起电和感应起电作为单独的两个知识点来处理，新书中它们从属于电荷守恒定律。编者要通过对这两个现象的分析，使学生想到：电荷可能是守恒的。
对于元电荷的概念，最重要的是把握电荷量子化的思想，这是学生第一次接触“量子化”，要为以后的学习做铺垫。
●静电计与验电器有什么区别？
这章的第1节给出了验电器和静电计的照片。静电计实际上就是具有导电外壳的验电器。静电计的外壳与中间的金属杆构成了一个电容器，它们是电容器的两个极板。与验电器一样，指针（或金属箔）张开的大小表示带电的多少；对于电容器来说，带电多少正比于两板的电势差，所以当它们分别与两个导体相连时，可以由静电计指针的张角判断它们的电势差。外壳是否接地对于显示电势差没有影响，但有时可以增加实验现象的稳定性。
由于静电计这个“电容器”的两个极板太简陋，受外界影响太大，极板间的电势差与板上电荷量的关系比较复杂，所以静电计只能用来定性地估计电势差。
●为什么没有说“库仑定律是由大量实验归纳得到的”？
科学定律的建立需要实验事实，也需要归纳，但不一定符合“大量数据—→归纳—→结论”这样简单的模式。科学家以广泛的知识和深刻的洞察力为基础进行的猜想，才是最有创造力的思维活动。
在18世纪中叶，库仑定律发现的前夕，对万有引力的研究已经相当深入，人们已经知道了反平方力的各种表现，例如，把质点放到均匀物质球壳中的任何一点，球壳对它的引力都是零。18世纪60年代，富兰克林做了一个实验：把一个带电的软木球吊在带电的罐头盒中，软木球不受任何力的作用。另一位物理学家爱普里斯特利据此猜测静电力也与万有引力一样具有反平方的性质。这里只能说是猜测，因为实验条件并不一样：罐头盒并不是均匀带电的球壳。在此同时，还有其他人由于不同事实的启发，也在推测静电力的反平方规律。
库仑是在这样的背景下进行他的扭秤实验的。也就是说，实验前他已经对结果有了预测。现代人看他的原始资料，实验数据与反平方规律之间有很大的差距，根据这样的数据写出静电力的表达式，的确需要“勇气”。
出于这样的考虑，教科书用的语言是，库仑“通过研究确认”了现在周知的库仑定律。
●为什么本章没有强调电场的物质性？
以现代物理学的观点看，场是一种物质，但以数学的观点看，如果某量是空间各点的函数，这个空间也可以定义为一个场。例如，某空间区域的各点都对应一个矢量，那么这个空间就是一个矢量场。这个矢量场可以不涉及任何物质实体。
定义电场的思路是这样的：在一个电荷附近的任何一点，检验电荷会受力，力与电荷量的比值与电荷量无关，说明比值反映了空间的某种性质，于是就定义了电场。这样定义的电场，可能是一种物质实体，也可能根本就是一个数学工具，我们无法区分。因此，在这里可以提一提电场的物质性，不必强调。我们没有说服学生的理由，过于强求反而给人不说理的印象。只有在变化的电磁场中，也就是在研究了电磁波的能量流动，特别是研究了电磁波的动量之后，我们才有充分的理由说，电磁场是一种物质。
第三章关于磁场的物质性也是这样处理的。
●为什么要讨论静电力做功的特点？
各种势能都是空间点的函数，即一个点对应一个确定的值，如果做不到，就不可能定义某种势能。例如，在有摩擦的平面上把一个物体从基点O移到某点A，沿不同路径运动时摩擦力做的功不一样，这种情况下就不能在A点定义所谓的“摩擦势能”。分析某种力做功的特点，就能知道是否“一个点对应一个确定的（势能）值”。强调这些，目的是使学生对于势能有个清晰的认识。学习重力势能时教科书这样做了，学习电势能时还要这样做。教科书在这里以自己的行动渗透了科学态度的教育：说话、做事要讲道理，要合乎逻辑。
有这样一个疑问：分析静电力做功的特点要用掉一些时间，尽管这样有利于科学方法和科学态度的教育，但是会不会影响学生解题的训练？
其实两者可以兼顾。分析做功特点时的主要运算是功的计算，还有就是“用不变的量代替变化的量”的方法。这些都是解题所需要的非常基本的技能，教学时不仅要想着目标──得到做功与路径无关的结论；更要想着过程──功的计算。
●为什么按电势能－电势－电势差的逻辑关系展开教学？
新教科书要突出科学思想，其中重要的一条是通过做功研究能量。分析了静电力做的功之后马上就会自然地得到电势能的概念，随后，由于电势能与检验电荷成正比，于是又得到了电势和电势差„„先学电势差则不便于落实“通过做功研究能量”的思想。
还有一个原因。对于现代的高中学生，能量已经是熟知的概念，电势和电势差则相对抽象，先学电势能再学电势差也符合从具体到抽象的原则。
电势能作为能量家族的新成员，不仅丰富了对能量概念的认识，而且为电现象与其他现象之间的联系提供了沟通的渠道。后面讲到的非静电力对电荷做功与电势能的转化就是一例。
●由极板面积S和极板间的距离d计算平行板电容器电容的两个公式 和 应该要求到什么程度？
在科学技术工作中，公式的作用不只是用来计算，它也用来反映物理量之间的关系，包括定性的关系。这两个公式在教科书中正是起这样的作用。影响电容的几个因素的不同作用，通过公式可以一目了然。课程标准没有要求这两个公式，教科书也没有这方面的练习题，不必让学生记忆，也不必利用它们进行运算。
●怎样处理“做一做”栏目中“用传感器观察电容器的充电和放电”这类实验？
师生可以自行决定是否学习“做一做”和“说一说”栏目中的内容。如果跳过去，对后续学习没有直接的影响。
用传感器做实验，这是一个方向，教科书写入这些内容，表示编者的导向。由于各校和各位老师的情况不同，编者没有把它们当做必学内容。但是，应该尽量创造条件做一两个这样的实验，至少可以在学生的兴趣小组中试做。
------------人教版普通高中物理课程标准实验教科书 选修3-1编写组 张颖（人民教育出版社物理室 100009
1、关于“静电现象”，课标中要求：“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。例：了解存在可燃气体的环境中防止静电常用的措施。”、“活动建议：
1、通过查阅资料、阅读说明书、观察实物等方式，了解避雷针、静电除尘器、静电复印机等设施的基本原理，撰写一篇科学报告。
2、收集资料，综述静电的危害和预防方法。”可见，课标中关于“静电的利用与防止”的要求，用了很大的篇幅。而教材中没有此内容，只在习题中稍稍有浅显的体现（干燥季节摸门把手被电击一下），在“科学漫步”栏目中介绍了静电复印内容。山东版教材对此内容的体现，是占了很大篇幅的。
人教版老教材是专有一节此内容的，新教材为什么在正文中不提了，而在习题中和“科学漫步”中出现这个问题？我想是让学生在应用中自主的学习此内容。教师在教学中不要忽视此内容，把习题布置好，也可再设计几个题让学生做。
2、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，同时由于检验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，例如：“正检验电荷则正电荷的电场中电势能是正的，负检验电荷则正电荷的电场中电势能是正的”。其实只要建立这个位置与零电势的关系（即研究这点到无穷远的地方，电场力做功的正负，即可得到电势能的变化，即可得到该位置的电势能是正的还是负的。）所以在这里应该教会学生记住应该记住的，以及结合记住的结论分析实际问题，也就是物理的学习方法。
3、“带点粒子在电场中的运动”做为一节单独列出可以看出它的重要性，但是我觉得把该节作为一个综合应用内容，作为力学知识在电场里面的应有，作为电场知识与力学知识的一个综合习题课更为合适，教学中如果进行此内容，目的不在于学习此知识，而在于提高学生处理问题和分析问题的能力。教材中，根本没有任何新导出的公式，我们坚决反对要求学生背下里面推出的“加速后的速度”、“侧移”、“偏角”等表达式。如果把这些都是当作正式公式来处理的，对学生的发展，以及对会考、高考，不起任何作用，而且极为有害。 此内容，要针对“示波器”进行。一定要把示波器的构造、原理明确体现出来。
4、关于“静电屏蔽”内容，课标中没有提，教材中也删掉了此内容。（后在第7节加上了）只是在“说一说”小栏目中“略微”的提了一下静电平衡，以及平衡时导体内电场如何，而且是让学生来“说一说”的，而不是老师说的。我理解，这是在回避知识点，是纯粹的“物理思维训练”。在“说一说”栏目中体现，意在看学生情况，“能说就说，不是必须说，能说到什么程度，就算什么程度”的。这种知识点的回避，并不是在回避“静电感应”和“电场的叠加”概念----因为前面有“感应起电”和“两个点电荷的电场”问题----而是在回避“由不平衡到平衡”动态问题的讨论过程，以及静电平衡时的导体表面电荷分布、导体表面附近处电场情况、内部有空腔时的讨论，以致过度到网状导体问题等系列复杂问题的讨论。所以这样的“现象简单，机理复杂”的问题，课标不要求了。建议在教学中要针对学生实际情况，学生基础好的，能力强的，可以进行此内容。
其实，此内容，是提高学生能力的很好的载体，但需要学生有良好的思维基础才行。在进行此内容中，要坚决反对死学知识的做法，而是要从中起到“提高能力”、“激发兴趣”的目的。这两个目的，有一个达不到，或者学生基础不够，硬去“拔苗助长”，都是不可取的做法，或者说是失败的。对一般的学生，建议还是不要进行此内容。 我感觉，在过去老教材中都属于难点的问题，在新教材中不提了，只是在“说一说”栏目不足5行字的提到，而且只是提问题。这是在告诉：目的在于学生的个性拓展，不是全部学生必须掌握的知识点。
5、课标中涉及“过程与方法”要求的还有几处：
“知道点电荷，体会科学探究中的理想模型方法”
“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”
“初步了解场是物质存在的形式之一”
“例：分析物理学中把无穷远处和大地作为电势零点的道理”
“举例说明电容器在技术中（照相机闪光灯）的应用”等等。
教材上有很多“做一做”的小栏目，这些，都是在体现培养学生的探究精神。探究精神（过程和方法），是课程标准中重要的教学目标。新教材，似乎在努力塑造“物理人”、“物理头脑”、“物理思维”，教师提高物理教学的境界，这些才是真谛。
教材上的“做一做”是尽量要做的，而“实验”，是必须做的。
一些象“科学漫步”、“科学足迹”等栏目，是学生自己看的，课堂上教师不一定去一一处理。这也是用好教材、灵活用教材的“思想”----照本宣科的照搬教材内容，是笨拙的，在正确思想的指导下去有自己个性和创造性的用教材，才是追求的教学目标。
6、情感、态度、价值观要求，是融于其中的，这在教材中，教师们可以体会到。教学中教师要给学生熏陶。
7、新教材对“电势差”教学的思路，有明显变化：
老教材：电势差（WAB=qUAB、UAB=WAB/q）→电场力的功的特点→电势→电势能→等势面。
老教材中，只有两个公式。在处理“电势”内容中，有式子的推到，但又唯唯诺诺的不给公式。对电势与电势差的关系，也不强调式子是公式。
新教材：电场力的功的特点（用到“微元法”）（WAB=EPA-EPB）→电势能（功能关系）→电势（φ=EP/q）→等势面→电势差（UAB=φA-φB、UAB=-UBA、WAB=qUAB、UAB=WAB/q）。
涉及到的这6个公式，我想，在以前老才教材下教师的教学中都是不可回避的、必须知其所以然的，以公式的形式出现，都是应该的。而且，每个式子，都含着物理的意义和思想，都是可用语言可叙述的重要的道理。
公式：公认的式子。能反应思想观念的、道理的、可去理解的。
老教材中把v=、Y=ql2U/2mv02d、tanφ=qlU/mv02d当作公式，这种式子，能反应什么意义？如果让学生去背这样的式子，是把学生往笨了教唆。学生有能力推出它，才是真正学会了物理，而不是背会它。
8、对“比值定义法”的思想方法，有了新的入手点： 在处理电场强度的概念上，新教材有变化：先得出F与q成正比，之后就列出表达式F=Eq，指出其中的E是与q无关而是电场所决定的比例常数（量）。之后指出，把q放入电场不同位置，这个比例常数不同，进而得出E是反应电场性质的。这个思维顺序，是很自然的，也很让学生容易接受。
在这个基础上，导出E=F/q，进一步讨论E的特点。书的旁边小字，介绍了比值定义法的思想方法。
这种处理问题的方法，教师要引起重视，同时也提示我们要特别加强思想方法的教学。后面对电容感念的处理，要和这个地方的处理方法联系起来。对思想方法的教学，要多对比、多联系、多次的反复渗透。
山东版的教材和人教版老教材一样。这里，教师究竟怎么处理，还要根据教师自己的喜好。按老方法也不是不行。
------------------《济南市教学研究室》
