從圖像認識電場的物質(zhì)性

陳杏子

【摘要】電場是客觀存在的物質(zhì)，但電場的物質(zhì)性很抽象，電場線和圖像是描述電場物質(zhì)性的兩種直觀語言，而圖像作為數(shù)學(xué)語言，可以更直觀、簡潔、準確地描述物理規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】電場;物質(zhì)性;圖像

我們知道，“物理觀念”是重要的物理核心素養(yǎng)，包括物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素。電場是由帶電體向周圍空間激發(fā)形成的，是客觀存在的物質(zhì)，其物質(zhì)屬性（簡稱“物質(zhì)性”）毋庸置疑。但電場高度抽象，不能被人的感官直接覺察到。對電場物質(zhì)性的描述有函數(shù)（公式）、電場線（或等勢線）和圖像這三種形式。而圖像作為重要的數(shù)學(xué)語言，更具直觀、簡潔等特點，下面筆者以“場強、電勢與位置的關(guān)系圖像”為例，探究從圖像角度認識電場的物質(zhì)性，加深學(xué)生對電場物質(zhì)性的認識，從而形成正確的“場”的物質(zhì)觀念。

一、電場中場強和電勢

電場的基本屬性是對放在其中的電荷產(chǎn)生力的作用，同時使電荷具有電勢能，電場的這種力和能的性質(zhì)即物質(zhì)性用電場強度（E）和電勢（φ）這兩個物理量描述。

對于給定的電場，電場強度和電勢的分布是確定的。既可以描繪場強和電勢的空間分布圖像（E-x和φ-x圖像），也可以從圖像推知場強的空間分布，這是近幾年各地的高考試題中屢屢出現(xiàn)題型。如果學(xué)生第一次接觸E-x圖像或φ-x圖像，幾乎無法下手。究其原因，一是教材上有關(guān)電場物質(zhì)性的闡述不夠深刻，學(xué)生沒有形成“場”的物質(zhì)觀念;二是教材中對場強和電勢的描述往往停留在電場線和等勢面上，沒有再做進一步的數(shù)學(xué)描述。如果能引導(dǎo)學(xué)生從圖像理解電場的物質(zhì)性，即從場強的矢量性和電勢高低（正負）關(guān)系理解圖像的物理意義，將有效地突破學(xué)習難度。

二、從圖像認識電場的物質(zhì)性

1.描繪典型電場的E-x圖像和φ-x圖像

學(xué)生在新課學(xué)習中，認識了電場線和等勢線，對典型電場（如勻強電場、孤立點電荷的電場、雙電荷的電場等）的場強和電勢分布有了初步的認識，但更準確和形像的描述需要建立數(shù)學(xué)圖像。

場強和電勢在空間中的關(guān)系為：E=，即φ=φ0-Ex。下面根據(jù)場強的大小和方向及電勢的分布，選擇一些特殊方向建立坐標系，引導(dǎo)學(xué)生做出場強E和電勢φ的圖像。

（1）對于勻強電場，由φ=φ0-Ex知，場強恒定，電勢隨x線性減小，對應(yīng)的圖像如圖1。

（2）同理，對于孤立的點電荷，場強和電勢分布（以點電荷位置為坐標原點）如圖2。

（3）對于等量同種正電荷，場強和電勢分布（電荷連線上）如圖3。

（4）對于等量異種電荷，場強和電勢分布（電荷連線上）如圖4。

上述繪制的E-x圖像和φ-x圖像，對電場物質(zhì)性的空間分布賦予數(shù)學(xué)意義，從直觀的電場線和等勢線（面）向數(shù)學(xué)思維過渡，這就是物理問題的數(shù)學(xué)建模。

2.認識圖像物理意義

空間中的電場來源比較復(fù)雜，未必都是點電荷產(chǎn)生，對于已有的E-x圖像，可從圖像上得到如下信息：（1）E的大小及變化趨勢。（2）E的方向（從正、負表現(xiàn)）。（3）電勢φ的大小比較（沿電場線方向電勢降低）。（4）電勢差（E-x的“面積”）。（5）場源點電荷（如果有）的位置。而對于給定電場的φ?x圖像，可以由圖線得出如下物理量的信息。（1）電勢φ的大小（含正、負）。（2）電勢差。（3）電勢φ的變化趨勢。（4）E的方向：電勢降低的方向就是場強的方向。（5）E的大小（斜率，即E=）。（6）場源點電荷（如果有）的位置。

3.知識應(yīng)用——從圖像還原物理規(guī)律

例1（2010年·江蘇）空間有一沿x軸對稱分布的電場，其電場強度E隨x變化的圖像如圖5所示。下列說法中正確的是（）

A.O點的電勢最低

B.x2點的電勢最高

C.x1和-x1兩點的電勢相等

D.x1和x3兩點的電勢相等

【解析】在x正半軸，E>0，（設(shè) E>0，E沿著x軸正方向;E<0，E沿著x軸負方向）

由沿電場方向電勢逐漸降低的特點，可畫出電場線，如下圖6。故O點的電勢最高，x2點電勢不是最高，A錯誤，B錯誤。

根據(jù)U=Ed，電場強度是變量，可用E-x圖像圍成的面積表示兩點的電勢差，根據(jù)對稱性，x1和-x1兩點的電勢相等，故C正確。

x1和x3兩點電場強度大小相等，電勢不相等，x1點的電勢大于x3點的電勢，故 D錯誤。

例2 （2009年·江蘇）空間某一靜電場的電勢φ在x軸上分布如圖7所示，x軸上兩點B、C點電場強度在x方向上的分量分別是EBx、ECx，下列說法中正確的有（? ）

A.EBx的大小大于ECx的大小

B.EBx的方向沿x軸正方向

C.電荷在O點受到的電場力在x方向上的分量最大

D.負電荷沿x軸從B移到C的過程中，電場力先做正功，后做負功

【解析】從圖中看出，過B點和C點的切線的斜率明顯不同，過B點的斜率大，表明該處的場強大，即EBx>ECx，A項正確;同理可知O點圖像的斜率最小場強最小，電荷在該點受到的電場力最小，C項錯誤;沿電場方向電勢降低，在O點左側(cè)，EBx的方向沿x軸負方向，在O點右側(cè)，ECx的方向沿x軸正方向，故B項錯誤;負電荷從B移到C的過程中，電場力先做正功后做負功，D項正確。

上面例題涉及的圖像其實就是前述四種典型的變形，如果學(xué)生借助圖像信息，轉(zhuǎn)化為物理情景，分析場強大小和方向的變化情況、分析電勢的降低情況，再根據(jù)帶電粒子的受力情況和運動情況，得出電場力做功和粒子能量的變化情況，從而突破難點使問題得到解決。

三、總結(jié)延伸

利用函數(shù)圖像來描述物理規(guī)律，就是運用數(shù)學(xué)的“形”搭載著物理的“質(zhì)”，是一種高度抽象并且形象直觀的語言。在函數(shù)問題中，x是自變量，y為函數(shù)，但在物理問題中，x和y不僅互為函數(shù)關(guān)系，而且具有實際物理意義。所以，對于任意的圖像，要結(jié)合題意，從物理知識入手：讀懂圖像的物理意義，即坐標軸、坐標原點、斜率、交點坐標、面積的物理意義，回歸圖像對應(yīng)的物理原型（物質(zhì)性），這就是應(yīng)用圖像解決問題的通用方法。