讓思維貫通教學 讓素養無痕生成
——“電勢能和電勢”教學反思

(江蘇省梁豐高級中學,江蘇 蘇州 215600)

1 引言

物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會需要的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質。筆者基于物理核心素養導向，設計“電勢能和電勢”的教學,在知識建構的過程中下功夫,設計系列核心問題,創設真實情境,讓學生在與情境的有效互動中,深度體驗科學探究,習得科學思維方法,建構物理概念和規律,提升物理核心素養。

2 導入自創實驗,激發學習興趣,點燃思維火花

圖1

演示實驗：金屬小球通過絕緣細線懸掛于兩極板間,用靜電感應起電機給平行板電容器充電并保持連接(如圖1)。要求學生觀察小球在電容器極板間的運動情況,并分析原因。

實驗操作1：用絕緣棒撥動小球與一帶電極板接觸,由靜止釋放。

生：小球在兩板間擺動,能撞到極板，并發出響亮的撞擊聲。

師：小球與一帶電極板接觸帶上同種電荷,釋放后受靜電力排斥,擺向另一極板,接觸瞬間帶上同種電荷,因排斥擺回撞到原來的極板,重復這樣的運動,一直來回擺動。

實驗操作2：將靜電感應起電機兩金屬球短接使電容器放電。

生：小球仍在兩板間擺動,但不再撞到極板。

師：為什么不再撞擊極板？

生：沒有電場,小球不再受到電場力作用。

興趣是動機的先導,是思維的源泉。“電場擺”演示實驗為學生提供直觀、感性的材料,激發學習興趣,引發求知欲望,點燃思維火花。筆者在設計實驗時,力求新奇生動,富有吸引力,使課堂更具趣味性和啟發性,讓學生感受物理之美,進而養成終身學習的習慣,促進適應個人終身發展所需的必備品格與關鍵能力的形成。

3 基于核心問題,提煉物理規律,建構物理概念

3.1 探究電場力(靜電力)做功的特點

思考與討論1：如圖2所示，在勻強電場中試探電荷+q分別沿路徑1、2、3從A點運動到B點,計算這幾種情況下靜電力對電荷所做的功W。

圖2

生：(1)q沿直線1從A到B，靜電力做功W=F|AB|cosα=qE|AC|；

(2)q沿折線2從A到B，靜電力做功W=F|AC|+F|CB|cos90°=qE|AC|；

(3)q沿曲線3從A到B(采用無數組跟靜電力平行和垂直的折線來逼近曲線AB的方法)，靜電力做功W=W1+W2+W3+……=qE|AC|。

師：通過以上推導結果,可以得出什么結論？這與什么力做功相似呢？

生：靜電力做功與路徑無關,只與電荷的起始位置和終止位置有關，靜電力做功與重力做功相似。

推廣：由勻強電場推導出來的這個結論,也適用于非勻強電場。

借助典型例題,引領學生體驗用極限方法求解問題,并通過分析3個小問的推導結果,提煉物理結論,培養學生分析、歸納知識的能力,讓學生真切感受科學思維的魅力,提升物理核心素養。

3.2 探究電勢能

師：演示自由釋放粉筆頭,重力做功使重力勢能轉化為動能,那么在演示實驗中靜電力做功,是什么能轉化為動能呢？

生：其他形式的勢能。

定義：電荷在電場中具有跟位置相關的勢能叫做電勢能,用符號Ep表示。

思考與討論2：靜電力做功與電勢能變化有什么關系？

(1) 類比重力做功與重力勢能變化關系猜想。

生：由重力做功等于重力勢能的減少量,猜想靜電力做功等于電勢能的減少量。

圖3

(2) 實例分析：如圖3所示，帶正電的點電荷不計重力，先后分別將正電荷“從A點移到B點”和“從B點移到A點”。

師：①電荷所受靜電力方向向右,位移向右,所以靜電力做正功,由動能定理，動能增大；由能量守恒定律，增大的動能是由減少的電勢能轉化而來,即WAB=ΔEk=-ΔEp。

生：②靜電力做負功,由動能定理知：動能減少；由能量守恒定律知：減少的動能轉化為增大的電勢能,即WAB=ΔEk=-ΔEp

總結：靜電力做的功等于電勢能的減少量，即：WAB=-ΔEp=EpA-EpB。

基于核心問題,引導學生兩次通過知識的類比,分別引出電勢能概念,在親歷猜想、實例分析和理論推導后,提煉靜電力做功與電勢能變化關系,讓學生深刻體驗到新知識的得出也可以通過類比舊知識而獲取,提升了學生理論分析能力、邏輯思維能力和知識遷移能力,無痕培養物理核心素養。

思考與討論3：在上題中,點電荷從A點移到B點,電場力做功4×10-9J,再從B點移到D點,克服電場力做功3×10-9J,求：(1) 點電荷從A點移到B點,再到D點的全過程電勢能變化了多少？(2) 取B點為零電勢能點,則點電荷在A點的電勢能為多少？D點呢？(3) 若取D點為零電勢能點,則點電荷在A點和B點的電勢能各為多少？

生：(1) 由題意知WAB=4×10-9J,WBD=-3×10-9J,全過程電場力做功WAD=WAB+WBD=1×10-9J,做正功，所以電勢能減少1×10-9J。

變式1：若為帶負電的點電荷呢？

生：若電性為負,則WAB=-4×10-9J,WBD=3×10-9J,全過程WAD=WAB+WBD=-1×10-9J,做負功，所以電勢能增加1×10-9J。

師：點電荷電性不同,所受電場力方向相反,所以同樣從A點移到B點，即經過相同的位移，靜電力做功正負相反,電荷電勢能變化正負相反。這是重力場中重力做功與電場中靜電力做功的差別。所以,利用類比學習、遷移相關知識時要注意差異性。

生：由(2)知EpB=0,因為靜電力做的功等于電勢能的減少量WAB=EpA-EpB=EpA-0,所以EpA=WAB=4×10-9J。

總結：電荷在某點的電勢能,等于靜電力把它從該點移到零勢能點所做的功。即EpA=WAB(以B為電勢能零點)。規定：通常取大地表面或離場源電荷無限遠處為零電勢能點。

生：(2)同理EpD=WDB=-WBD=3×10-9J。

生：(3)EpD=0,所以EpA=WAD=1×10-9J，EpB=WBD=-3×10-9J。

變式2：若點電荷帶負電呢？

生：若點電荷帶負電,則WAB=-4×10-9J,WBD=3×10-9J,所以EpA=WAD=WAB+WBD=-1×10-9J,EpB=WBD=3×10-9J。

師：在(2)、(3)中零電勢能點選取不同,同一點電荷在同一點A的電勢能不同,得出電勢能的相對性:與零勢能點的選取有關,先確定零勢能點的位置才能確定電荷在某點的電勢能,由(1)知電荷在某兩點之間的電勢能之差與零勢能點的選取無關。

師：電荷在(3)中B點的電勢能為負值,表示電荷在該處的電勢能比零還要小,得出電勢能是標量,無方向但有正負。

師：在(3)中,零電勢能點不變,僅改變電荷電性后在同一點的電勢能不同,得出電勢能與電荷有關。若電場消失呢,該電荷還具有電勢能嗎？顯然沒有了,電勢能由電場和電荷共同決定,屬于電場和電荷系統所共有的,具有系統性。

總結：電勢能的特點——相對性、標量性、系統性。

聚焦物理概念,精心設計問題,創設不同情境,依托教師導學,引領學生思維由表及里,由淺入深,循序漸進,有效化解難點,自主建構物理知識。讓學生深度體驗物理規律的提煉和物理概念的建構過程，以培養其物理核心素養。

3.3 探究電勢

師：我們用什么方法來定義電場強度？

生：通過試探電荷在電場中所受靜電力與電荷所帶電量的比值來定義。

師：下面我們再用比值定義法探究描述電場性質的一個物理量。

圖4

思考與討論4：如圖4所示，取O點的電勢能為零,則電荷+q在A處的電勢能為多少？

生：EpA=WAO=qELcosθ。

表1

師：由表1可知：比值EpA/q與試探電荷的電荷量及正負均無關,且比值在電場中同一點是相同的；而在不同點該比值一般是不同的,所以只與電場及該點在電場中的位置有關。

師生互動,得出結論,建立電勢概念，對定義、表達式、單位和意義做相關討論。

通過復習電場強度的比值定義法,引導學生深度體驗后自主建構電勢概念,并能進行簡單描述,培養了學生分析、歸納知識的能力。

思考與討論5：在“思考與討論3”中,點電荷電量為1×10-9C,則(2)、(3)中各點的電勢分別為多少？

生：由(2)知EpA=4×10-9J,EpC=3×10-9J，所以φA=EpA/q=4V,φC=EpB/q=3V。

生：由(3)知EpA=1×10-9J,EpB=-3×10-9J,所以φA=EpA/q=1V,φB=EpB/q=-3V。

變式3：若(3)中點電荷帶負電如何？

生：EpA=-1×10-9J,EpB=3×10-9J,所以φA=EpA/q=1V,φB=EpB/q=-3V。

師：在(2)、(3)中零勢能點(即零電勢點)選取不同,同一點A的電勢也不同,得出電勢與零電勢點的選擇有關,即具有相對性。注意：零電勢的選擇是任意的,通常取大地或無窮遠處為零。

師：在(3)中B點的電勢為負值,表示電荷在該點的電勢比零還要小,電勢是標量。

師：在“思考與討論4”中比值Ep/q與試探電荷無關,只與電場本身有關,得出電勢的固有性。

基于核心問題,進行類比,導出電勢特性,領悟知識的相通性,發展了學生科學思維,并將其內化為處理未知問題的品質和能力,無痕培養了學生的物理核心素養。

討論與交流：沿著電場線移動正電荷,電場力做正功,電勢能減小,電勢減小。沿著電場線移動負電荷,電場力做負功,電勢能增大,電勢減小。從而得出“沿著電場線方向電勢逐漸降低”的結論。

在整個教學過程中,筆者只是提出問題,創設情境,適當啟發和點撥,學生自主探究,深度體驗,建構概念,提煉規律,鞏固提升,掌握知識,體驗成功的快樂,感受科學思維,品質得到了培養,智力得到了發展。從而實現了讓思維貫通教學,讓學習真正發生,讓核心素養的培養目標無痕達成。

4 結語

基于物理核心素養導向的課堂教學,要求教師在教學中不斷為學生創設問題解決的機會,激發學生的學習興趣,積極動腦猜想與思考、討論與交流,自主獲取知識,在主動探究的深度體驗中養成行為習慣,發展關鍵能力,讓學生在今后的生活和工作中遇到未知問題時,會運用科學方法來解決,這種收獲讓學生終身受益,也體現了物理教學對提升學生核心素養的獨特作用。

基于物理核心素養導向的課堂教學,要求教師的每一節課不再只是簡單的“復制粘貼”,而要有所創新,從“知識傳遞”轉向“知識建構”,這就需要教師不斷學習,提升自己,凝練教學主張,形成獨特風格,提高課堂教學有效性。