人教版《物理》“第九章 靜電場及其應用”教材編寫說明

摘?要：概括介紹新版人教版《物理》必修第三冊第九章的編寫說明，以使教師從核心素養角度進行教學.

關鍵詞：核心素養;編寫說明

文章編號：1008-4134（2020）01-0007?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：方貴榮（1964-），男，云南陸良人，本科，中學特級教師，碩士生導師，教育部“國培計劃”專家，研究方向：課程教學論.

1?全章概述

本章是人教版《物理》必修三的第九章，也是高中學生學習電學的開始，其內容是高中階段重要的基礎內容之一，既是電磁學知識的基礎，又是其他物理學知識的重要基礎，是在過去教材傳統內容上，選取了四節內容，重點介紹電荷的產生及其相互作用，電場的性質以及靜電的防止與應用，把靜電力做功及電勢能方面的知識安排到下一章.這一章在研究方法上是應用力學中學習的力與運動的知識，對電荷的產生與中和、電荷的相互作用等現象的分析與討論，其學習過程也是對力與運動規律的再學習過程.

本章共4節，其知識線索為：一是電荷的產生與屬性.明確摩擦和感應是產生電荷的基本方式，電荷是物質的基本屬性之一，電荷有正負兩種，正負電荷會發生中和，對一個與外界不發生電荷交換的系統，電荷量不會發生變化.二是電荷間的相互作用規律.明確電荷間存在相互作用，同性相斥，異性相吸，作用規律為庫侖定律（與電荷量的乘積成正比，與距離的平方成反比）. 三是電場及其描述.明確電荷在其周圍空間激發了電場，電場是一種客觀存在，電荷間的相互作用力是通過電場產生的，電場有強弱，其大小與方向由電場強度進行定量描述，也可由電場線進行粗略的描述.四是靜電的防止與利用.明確生產、生活中會產生大量靜電，這些靜電有時對人的生命財產是有害的，應該加以防止，有時又可以利用其為生產生活提供便利.

根據課程標準的要求，教材在保持知識的系統性基礎上，更加注重物理學科核心素養的滲透.具體安排如下.

1.1?物理觀念

教材從電荷產生的本質——物質的微觀結構，試圖讓學生知道，電荷是物質的一種基本屬性，從電場是一種客觀存在，強調電場的物質性，進一步讓學生建立世界是物質的這一重要觀念.同時，教材試圖通過靜電感應、靜電平衡等概念的建構過程，讓學生進一步建立運動與相互作用觀念.

1.2?科學思維

教材從點電荷概念的建構、試探電荷引入，到勻強電場、各種典型電荷系的電場線圖景，為學生建立了不同的模型.同時，教材從電荷守恒定律的旁批（追尋守恒量）以及萬有引力定律到電荷間相互作用力的類比及其旁批，到電場強度概念建構后的科學方法專欄——用物理量之比定義新物理量，滲透了科學思維方法教育.

1.3?科學探究

教材從點電荷概念的引入，從“實驗事實說明，兩個實際的帶電體間的相互作用力與它們自身的大小、形狀以及電荷分布都有關系.……”，到庫侖定律分析多于兩個電荷的情形的旁批——“實驗表明，兩個點電荷之間的作用力不因第三個點電荷的存在而改變”，試圖讓學生樹立證據意識.同時，教材把建構電場強度概念的過程，設計為一個相對全面的探究過程，由分析推理得出的，“試探電荷在電場中某點受到的靜電力與試探電荷的帶電量之比是一個常數”作為一個假設，通過點電荷的電場進行驗證，又從特殊的點電荷電場推廣到一般帶電體電場，試圖讓學生既理解科學探究的重要性在于對假設猜想的驗證，又知道從特殊到一般，從一般到特殊的認識的基本形式.

1.4?科學態度

本章教材是學生第一次定量學習場概念，教材的邏輯是先研究電場強度，用定量的方法對電場進行描述，然后再介紹電場線可以形象地、直觀地描述電場.這樣的邏輯與物理學發展邏輯并不完全一致，但符合學習規律，以此培養學生實事求是的科學態度.同時，第四節靜電的防止與利用，分別介紹生產生活中到處都可能產生靜電，靜電產生后可能給生產生活產生積極影響，也可能帶來消極影響，甚至危及人民的生命財產安全，需要有效防止和利用.通過這樣的學習，力圖讓學生建立一種任何事物都有兩面性的辯證唯物主義思想認識，有利于學生形成正確的科學價值觀.

課時安排建議：

第1節?電荷??1課時

第 2節?庫侖定律??1課時

第3節?電場?電場強度?2課時

第4節?靜電的防止與利用?1課時

2?具體說明

2.1?第一節教材

本節由電荷、感應起電、電荷守恒定律和元電荷四個知識點組成，屬于本章的預備知識.靜電現象的產生以及兩種電荷在初中已有介紹，高中階段側重從物質微觀結構的角度認識物體帶電的本質，結合摩擦起電的分析，進一步提高學生理解產生電荷的機理.本節教材把感應起電作為一個小標題突顯其教學價值，因為感應起電是電荷守恒定律的預備知識，又是后續內容靜電平衡的基礎知識，教材引入演示實驗，通過用金屬微觀結構模型來解釋，與摩擦起電形成內容上的有效呼應，使學生牢固建立起摩擦和感應是使物體帶電的兩種方式，其本質是使學生理解電荷的產生并不是創造了電荷，而是帶電粒子發生轉移，為學習電荷守恒定律埋下伏筆.電荷守恒定律是自然界最基本的規律之一，教材通過對各種電現象的分析，引導學生認識到電荷的轉移從更大的系統看，電荷數量不變.電中性和電荷的中和是代數和為零，而不是帶電粒子減少了.關于正負電子湮滅，主要讓學生知道，隨著物理學的發展，電荷守恒定律的內涵變大了，表述也變了.元電荷是學生接觸到的第一個“量子化”概念，應該把握元電荷概念的建立基于實驗事實，即迄今為止，在實驗中能夠找到的最小電荷就是e=1.6×10-19庫侖，所有帶電體所帶電荷量一定是它的整數倍.進一步讓學生理解帶電是物質的屬性，有質量也是物質的屬性，提出比荷概念，通過計算電子的比荷，讓學生了解基本粒子比荷也是描述其屬性的一個物理量.

2.2?第二節教材

本節的核心內容是庫侖定律，它不僅是電磁學的基本定律，也是物理學的基本定律.庫侖定律闡明了電荷間的相互作用力規律（平方反比），這是整個電磁學大廈的基礎.教材通過一個實驗引入相互作用力與什么因素有關，力圖引起學生的思考.進而類比萬有引力定律，提出電荷間的相互作用力是否與電荷量的乘積成正比，與它們之間的距離成反比的猜想.進一步介紹庫侖定律的具體內容.但從認識上看，要讓學生知道，類比的結論需要實驗證實，這就是教材旁批之用意.繼而介紹庫侖的扭秤實驗驗證了庫侖定律的正確性.最后分析推理了有幾個電荷存在的電荷系對某個電荷的作用等于各個電荷單獨存在時施加的作用力的矢量和.這一結論的得出是通過旁批“實驗表明”，再一次讓學生認識到，得到一個物理結論必須有充分的證據.教材中，先給出庫侖定律的內容，再來定義點電荷概念，也就是說，先使用了點電荷的概念，后定義點電荷概念，這是學生不易理解的，教材中旁批了點電荷類似力學中的質點，暗含著那里也是先講了物體間的相互作用，再提出質點概念.但是點電荷作為一個理想模型的提出，要嚴格其程序，突顯模型是對真實的物理研究對象，忽略次要因素，突出主要因素的抽象，所以教材中“實驗事實說明，兩個實際的帶電體間的相互作用力與它們自身的大小、形狀以及電荷分布都有關系.……帶電體的形狀、大小及電荷分布狀況對它們間的相互作用力的影響可以忽略時，這樣的帶電體可以看做帶電的點，叫做點電荷.”這一思想需要教師引導學生仔細領悟.

另外，要引導學生思考，為什么要用庫侖扭秤？難道不可以用測力計測量嗎？回答就是，測力計測不了，靜電力太小了，必須對靜電力進行放大.扭秤的作用就是轉換放大，這就是庫侖扭秤設計的精髓所在.當然，庫侖扭秤實驗中還有一件事值得教師引導學生玩味，即庫侖所在時代還沒有電荷量的定量概念，因此，靜電力與距離的平方成反比關系的驗證相對容易些，而靜電力與電荷量的關系遇到了難題.有兩種說法，即拿兩個完全相同的金屬小球，讓其中一個帶上電，設電荷量為q，讓它與不帶電的金屬小球接觸后分開，一種是純粹哲學思考，從對稱性考慮，沒有任何理由不認為，兩個小球平分電荷量q，各有q/2的電荷量，以此類推，可以得到q/4、q/8、……另一種是測量它們對間隔同樣距離的第三個帶電小球的作用力相等，由此可以判斷二者電荷量相等……教材用的是后一種說法，教師可以根據教學需要自行處理.

2.3?第三節教材

本節的主要內容是電場概念的建立與電場的描述.過去教材都是按照物理學發展線索，從靜電力是超距作用還是近距作用的爭論開始引入，本教材受篇幅限制，直接給出法拉第的“電荷周圍存在著由它產生的電場”的觀點.“場”是物理學中的一個重要概念，我們說它客觀存在，但確實看不見又摸不著，過于抽象而難于理解.因此，在教學中，教師還是應該引導學生把靜電力的產生分成兩個步驟，即場源電荷激發了電場，電場對置于場中的電荷產生力的作用.置于場中的試探電荷所受的靜電力也就是電場力的響應，把電場顯示出來.怎樣描述電場的強弱與方向？這是一個教學的難點，教師在教學中，可根據教材安排內容，引導學生由易到難，層層深入，逐步提高認識.首先讓學生認識到，一個電荷在電場中受到的力的大小與該電荷的電荷量以及在電場中的位置有關，方向與電荷的正負有關;從而引導學生明確電場中同一點不同電荷受力不同，因此，用電荷受力大小描述電場是不行的，進一步引導學生分析在電場中同一點不同電荷受力有什么關系，經過分析、推理、論證，得到同一位置不同電荷受力與電荷量的比是同一個值，該值與試探電荷無關;進而得出該比值可以描述電場強弱與方向.

關于電場強度的疊加，教材是從點電荷的電場強度分布特點出發，結合上一節講的電荷間的相互作用力的關系，分析、推理得到的.同時教材還介紹了連續帶電體（不能視為點電荷）的電場特點，其推理、論證的思想與上一節分析連續帶電體對某個點電荷的作用力的方法一脈相承.教師在教學中應引導學生仔細領悟這種微元法思想.

受教材篇幅限制，教材直接給出電場線可以對電場進行直觀、形象、粗略的描述（大小、方向），在同一幅電場線圖中可以進行分析、比較.對于教材給出電場線的兩個特點，教師可引導學生用反證法思想進行學習，以達到深入理解.至于勻強電場，教師可給出一幅電場線圖景，引導學生分析、推理其特點，再作定義.

2.4?第四節教材

本節內容由靜電平衡、尖端放電、靜電屏蔽和靜電吸附四個知識點構成，其中靜電平衡是最重要的基礎概念，理解好靜電平衡概念對尖端放電與靜電屏蔽概念的學習至關重要.教材從靜電場中的導體的電荷分布到導體內部的電場分布，提出靜電平衡的概念，即導體內部場強為零，沒有凈電荷.進一步，教材分析了不規則導體靜電平衡時外部聚集的大量電荷使空氣電離，電離后的離子在電場力作用下快速運動形成尖端放電現象.利用靜電場內部的導體內部沒有電荷，電荷只分布在導體的外表面的性質，制造靜電屏蔽，使外電場對導體殼內部電場不發生影響.最后，教材通過分析帶電粒子在電場作用下會產生運動這一性質，分別用來除塵、噴漆、復印.本節內容雖然是電場知識的應用，但是較為抽象，建議教師在教學中要循循善誘，注重理論分析，重在對物理原理的理解，避免過多技術講解.

（收稿日期：2019-11-10）