“靜電現象的應用”教學中促進深度理解的幾點思考

陶聰燕

(浙江省玉環中學 浙江 臺州 317600)

“靜電現象的應用”是在學習了電場的基本性質之后，對核心內容的深入研究和拓展應用，意在提高學生綜合運用物理知識的能力.本節課的教學目標明確要求通過對放入靜電場中導體的自由電荷運動情況的討論，了解靜電平衡的概念，知道處于靜電平衡的導體特征和電荷分布特點，以及尖端放電和靜電屏蔽現象.本節內容抽象，在生活、生產中涉及面廣.其中靜電感應、靜電平衡、靜電屏蔽等概念對學生來說十分深奧.

金屬導體放在電場中，達到靜電平衡狀態是一個非常快的過程.學生無法親眼看到導體內部發生的變化，但對這一過程的分析卻又十分重要.雖然經歷了理論分析，前概念中絕緣體帶來的“安全感”卻是根深蒂固的，在分析過程中極易出現思維定勢和主觀臆斷的不良傾向.演示實驗的操作要求以及相應的理論解釋需要在教材的基礎上進一步精細化分析.如何改進教學方式，調整教學策略，突破難點的同時讓學生能有更直觀深刻的感性體驗和深度理解是本文所探討的重點.

1 構建直觀模型 展現感應電荷的產生過程

導體呈電中性，將導體置于電場中，學生很容易理解為正負電荷分別受到反向電場力，在導體左右兩側聚集.但實際上正電荷受束縛力較大是無法定向移動的.在只有電子定向移動的過程中，正負感應電荷是如何產生的呢？學生的第一反應是認為最左側電子直接跳到最右側.那為什么中間的電子沒有動？實際上所有的電子都發生了移動.

準備紅、黑兩種磁扣，在紅色圓形磁扣上標記“+”表示正電荷，略小的黑色磁扣上標記“-”表示電子，如圖1所示.

圖1 紅、黑磁扣及其標記

結合板畫，將磁扣吸附在黑板上，示意圖如圖2所示.

圖2 磁扣吸附在黑板上示意圖

電子在電場力作用下發生定向移動，左邊第一個電子離開正電荷到達左側邊界，第二個電子進行補位，再第三個、第四個依次補位.隨著電子不斷地向左側移動，最右側正電荷未能與電子中和，因此導體右側呈正電性.將相互中和的正負電荷隱藏，突出感應電荷分布左負右正的導體.

以直觀模型代表微觀粒子，呈現微觀狀態，進而引發學生深入思考.逐步演繹感應電荷的產生，剖析動態過程，給予親身體驗幫助學生建立正確的認知.在降低理解難度的同時提高建模能力.這種微觀現象直觀化的操作是研究微觀運動的一種重要手段.

2 隱藏外電場 展現感應電場的形成與穩定過程

提出問題：導體內部電子會源源不斷地向左邊移動嗎？

這個問題的難度是非常大的.學生眼中通常只看到外加電場，很難發現導體中產生了感應電場.教師在分析時可以通過動畫將外加電場隱去，為學生發現感應電場做鋪墊，如圖3所示.

圖3 隱藏外電場展現感應電場的形成

導體兩側累積的正負電荷使得兩側產生電勢差，會在導體內部產生由正電荷指向負電荷的感應電場.該電場會使其余電子受到向右的電場力F感.再將外加電場重新呈現出來，它與感應電場的方向是相反的，給予電子向左的電場力F外.隨著導體兩側正負電荷的積累，感應電場增強，電子受到的感應電場力增大.當其大小與外加電場力大小相等時，電子達到受力平衡狀態，便不再定向移動，此時導體內部合場強為零.正負電荷相等，即凈電荷為零.

為加深理解，可將圓形導體置于非勻強電場，如圖4所示.

圖4 圓形導體置于非勻強電場中

3 對比實驗 破除靜電場中絕緣體帶來的“安全感”

不論是“達人秀”中的表演視頻，還是高壓維修工具，學生觀念中的安全材料肯定是絕緣體.雖然已經學習了靜電平衡和靜電屏蔽，卻不足以克服學生的思維定勢.為了破除這一障礙，可以從理論和對比實驗相結合的方式進行以下操作.

將兩個平行金屬板相對放置，間隔0.5 m，并用手搖發電機充電.在兩金屬板中間放置驗電羽，可觀察到羽毛飛起來.先后用金屬鳥籠和透明塑料盒罩住驗電羽，對比實驗現象，讓學生從理論角度分析塑料盒不起“隔絕”作用的原因.突出絕緣體中沒有自由移動的電子，無法達到靜電平衡狀態，不起屏蔽作用.既是對理論知識的應用，也能夠破除學生前概念影響，進一步認識到靜電場中導體帶來的安全感.

4 深度分析 理解“電風”吹蠟燭實驗中的靜電現象

“在一個導體尖端附近放一根點燃的蠟燭.當我們不斷地給導體充電時，火焰就好像被風吹動一樣，朝背離尖端的方向偏斜.”對于上述實驗現象，現行教學中的解釋為：……尖端附近電場很強……與尖端上電荷異號的離子受到吸引，最后與尖端上的電荷中和，與尖端上電荷同號的離子由于排斥而飛離導體，形成“電風”吹向蠟燭.

仔細一想就會發現，既然“電風”是離子定向移動形成的，實驗中正負離子反向定向移動，應存在兩股反向“電風”，為何蠟燭只朝一側偏離？

這是因為火焰是電離劑，在蠟燭火焰中產生了正負離子和電子.由于電子質量遠小于離子，容易擴散出火焰之外，使得火焰呈正電性.當尖端帶正電時，火焰由于受到排斥力及“正電風”作用而背離尖端偏斜，甚至有可能被吹滅.當尖端帶負電時，火焰所受吸引力和“負電風”是反向的.當起電電壓、距離等因素把控不當時，不僅吹不滅火焰，還有可能出現倒吸現象.反復實驗發現，電極接正且將蠟燭置于4～5 cm距離內，可吹偏甚至吹滅火焰.

通過直觀模型為學生搭建“看得見”的微觀世界，帶領學生共同參與討論這一過程，突出重點，突破難點.通過隱藏干擾因素，讓學生發現感應電場，降低理解和分析難度.以靜電場中導體與絕緣體的對比實驗，突出靜電場中的安全因子源于自由移動的電子，以此來破除學生的前概念影響.精細化分析教材中較為模糊的實驗成因，培養學生批判質疑、勇于探究的科學精神，促使核心素養的提升.