“電場強度”概念建構的活動探究式教學

陳強燕

(江蘇省石莊高級中學,江蘇 如皋 226531)

“電場強度”概念建構的活動探究式教學

陳強燕

(江蘇省石莊高級中學,江蘇 如皋 226531)

本文以電場強度概念建構的活動教學設計為例，談談如何通過“活動探究式”教學，實現抽象概念的意義建構，促進高中物理概念教學的創新.

物理概念；電場強度；活動探究；教學設計

1 教學設計思路

高中物理中有這樣一類抽象物理概念,如電場強度、電勢、磁感應強度等,學生無感性認識基礎,它們構成了高中物理教學中的一個個難點.但這類概念的教學在高中物理教學中的作用卻不可忽視,一方面可使學生掌握基礎知識,另一方面能夠培養學生的抽象思維能力.在抽象概念教學過程中,需要教師創設與物理概念產生、建立和發展相似或相同的情境,引導學生經歷抽象物理概念的建構過程,體會科學家的邏輯思維過程,并使之成為學生提升科學思維能力的源泉.因此我們在抽象概念的教學過程中有必要探尋一種有效的教學策略.筆者以“電場強度”的概念建構為例,來談談“活動探究式”的教學模式,即:創設類比問題情境—學生自主探究—學生交流展示—教師引導點撥—概念自然建構—應用拓展,以降低學生對抽象概念理解的難度,培養學生的抽象思維和發散思維的能力.

2 學情分析

學生已經學習了庫侖定律,掌握了電荷之間的相互作用力.雖然學生還不了解電荷間的相互作用是如何產生的,但學生已經具備了探究該相互作用產生原因的認知水平.通過電場、電場強度概念的建構過程,體驗科學家的邏輯思維過程,汲取他們的智慧,使之成為提升學生科學思維能力的源泉.

3 教學過程

活動一:實例分析、閱讀分析、歸納總結,建構電場的概念.

師：用腳踢球,腳與球發生了相互作用,這種相互作用是如何產生的?

生：直接接觸.

師：兩個電荷并不直接接觸,閱讀并分析教材P10第三、四自然段,思考：電荷間相互作用力是如何產生的?

學生自主研習,小組合作探究,交流展示(如圖1).

圖1 電荷間的相互作用

由此可見,電荷間的相互作用是通過某種看不見、摸不著的特殊物質產生的,法拉第將其命名為電場.

定義電場概念:電荷在其周圍空間激發的一種特殊物質叫做電場;靜止電荷產生的電場叫做靜電場;電場對放入其中的電荷有力的作用.

設計說明:通過學生熟悉的接觸相互作用出發,引導學生閱讀教材，自主探究電荷間的非接觸相互作用是如何產生的,學生自然能夠體會不直接接觸的兩個電荷間的相互作用是通過某種看不見摸不著的特殊物質產生的,了解電場和實物是物質的兩種不同形式.在探究過程中體驗法拉第的邏輯思維過程,汲取他的智慧,達到自身科學思維能力的不斷提升.

活動二:師生合作探究電場的力性質,類比建構電場強度的概念.

(1) 如圖2所示,在O位置放置點電荷Q,在其產生電場中的A位置和B位置分別放入不同電量的試探電荷q,已知當q=q1時,在A位置和B位置受到電場力分別為F1、F2.計算試探電荷所受靜電力的大小,填入表1中.

圖2 電場力的性質

學生自主研習，小組合作探究，交流展示(如表1).

表1 試探電荷所受靜電力的大小

(2) 把同一試探電荷q放置在場源電荷Q產生的電場中的不同點,試探電荷q,所受靜電力F的大小一般是不同的,這說明了什么?

生：說明了電場中不同點的電場強弱不同.

(3) 我們能否直接用電場力F的大小來表示電場的強弱?

生：不能,因為帶電量不同的試探電荷q放在電場中的同一點所受電場力F的大小是不同的;同時還存在這樣的情況：如果在距場源電荷Q較近的A點放一個帶電量較小的試探電荷q,在距場源電荷Q較遠的B點放一個帶電量較大的試探電荷q,會得出距離場源電荷Q較遠的B點電場更強的錯誤結論.

師：既然如此,我們就需要建構一個新的物理量來描述電場的強弱.

(4) 2016年里約奧運會100米賽跑決賽,飛人博爾特的成績為9.80s;400米賽跑決賽,范尼凱克的成績為43.03s,他們倆誰跑得更快?

生：飛人博爾特.

(5) 我們是否可以通過試探電荷所受電場力F與試探電荷所帶電荷量q的比值來比較電場中不同點的電場強弱?為什么?

生：可以,因為“比值”表示單位電荷所受到的電場力,比較“比值”就相當于比較同一試探電荷在場中不同位置的所受電場力的大小,因此該“比值”能夠反映電場中某點的電場強弱.

(6) 由表1可知,電場中同一位置的“比值”相同,是一個常量;電場中不同位置“比值”一般不同.“比值”的這一特點說明了什么?

生：“比值”是一個與試探電荷無關的物理量,它由場源電荷與場中位置決定,反映電場本身屬性.“比值”的大小反映場中該點電場的強弱,表征電場“力”的性質.

定義電場強度概念:物理學家將F/q定義為電場強度E,定義式是E=F/q,用來描述電場的強弱和方向.我們規定電場中某點的電場強度的方向與正電荷在該點所受的電場力的方向相同.那么,負電荷在電場某點所受的電場力的方向與該點的電場強度的方向相反.

設計說明:本節教材對電場強度概念的建構過程存在思維上的漏洞,教材沒有能夠明確指出為什么可以用試探電荷所受電場力與試探電荷所帶電荷量的“比值”來定義電場強度.難道就是因為場中同一位置的“比值”是一常量嗎?顯然不是,采用比值定義法定義電場強度的根本原因是：比較電場的強弱必須采取相同的標準,而“比值”滿足這一要求,也只有這樣比較才有意義.因此通過學生自主探究所帶電荷量不同的試探電荷在場中同一位置、所帶電荷量相同的試探電荷在場中不同位置所受靜電力的情況,引導學生得出靜電力不能用來描述電場的強弱.通過創設類比情境,使學生自然得出：可以通過試探電荷所受電場力與試探電荷所帶電荷量的“比值”來描述電場的強弱.通過對教材的二度開發,彌補教材對電場強度概念建構的邏輯思維上的漏洞.

活動三:運用電場強度的概念推導“真空中點電荷電場”場強的計算公式，辯明場強的方向特征，建構場的疊加原理.

(1) 如圖3所示,真空中有一點電荷+Q,它所激發的電場中的P點到場源的距離為r,則P點的電場強度是多大?方向如何?如圖4所示，若場源電荷帶負電,則該點的電場強度的方向如何?

圖3 正點電荷的電場

圖4 負點電荷的電場

“真空中點電荷電場”的電場強度的方向:正點電荷電場中各點的場強方向背離場源電荷;負點電荷電場中各點的場強方向指向場源電荷.

(2) 如圖5所示，真空中有兩個點電荷Q1=+3.0×10-8C和Q2=-3.0×10-8C,它們相距0.1m,A點與兩個點電荷的距離r相等,均為0.1m.求:

①Q1在A點的場強E1,Q2在A點的場強E2;

② 電場中A點合場強E.

圖5 場的疊加

圖6 場的疊加原理

電場的疊加原理:如果場源電荷不止一個,場中某點的電場強度為各個場源電荷單獨作用時在該點產生的場強的矢量之和.

設計說明:充分利用教材資源,教材中的兩個應用實例,點電荷的電場強度和電場的疊加設計得很好,難度不大,可放手讓學生自主合作探究,感受電場強度概念的應用,對于相對淺顯的知識放手由學生自主合作探究,在提升學生的自主探究能力的同時節省了寶貴的教學時間.

4 結束語

抽象物理概念具有學生無感性認識基礎和難以做演示實驗等特點.因此在教學過程中,要通過創設問題情境,讓學生親歷抽象概念的建構過程,使學生在真正理解并掌握抽象概念的同時感受物理學之美,開啟思維之門.

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[4] 陳光才.基于“微探究”的《電場線》課堂教學案例分析[J].物理之友,2016,(3).