通過培養(yǎng)高中生物理觀念突破靜電場(chǎng)教學(xué)難點(diǎn)的方法分析

馮楠

摘 要：2017版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)將物理核心素養(yǎng)納入其中，并對(duì)其要素做了具體闡述，分為物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面。文章從培養(yǎng)核心素養(yǎng)中物理觀念這個(gè)要素出發(fā)，在教育教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)觀念、能量觀念和相互作用觀念，并探討運(yùn)用物理觀念解決電磁場(chǎng)的實(shí)際問題，從而突破靜電場(chǎng)的教學(xué)難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：物理觀念;靜電場(chǎng);教學(xué)難點(diǎn)

一、 引言

高中物理靜電場(chǎng)的知識(shí)將力學(xué)、電學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及能量有機(jī)地融合起來。在實(shí)際教學(xué)過程中，教師按照章節(jié)一節(jié)一節(jié)地進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)的是碎片化的物理知識(shí)，在頭腦中難以將知識(shí)系統(tǒng)地生成并構(gòu)建到已有的知識(shí)體系中，遇到復(fù)雜的物理問題難以將知識(shí)提取出來解決物理問題。這造成了教師難教，學(xué)生難學(xué)的教學(xué)難點(diǎn)的困境。培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)中的物理觀念，結(jié)合電場(chǎng)知識(shí)，讓學(xué)生形成經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)觀、能量觀、相互作用觀，能夠有效地突破電磁學(xué)的教學(xué)難點(diǎn)。

二、 建立物理觀念

物理觀念的培養(yǎng)主要是讓學(xué)生形成經(jīng)典物理的物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、能量觀、相互作用觀，并且能用來解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題。在電磁學(xué)的教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念主要是運(yùn)動(dòng)觀念、能量觀念，以及相互作用觀念這三種觀念的形成與建立。其中相互作用觀念主要指物體與物體之間的相互作用，也就是在靜電場(chǎng)中建立力的觀念（圖1）。利用科學(xué)的物理觀念，對(duì)靜電場(chǎng)中的物理問題進(jìn)行力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析以及能量分析，達(dá)到解決實(shí)際問題的目的，突破高中物理靜電場(chǎng)教學(xué)的難點(diǎn)。

（一）相互作用觀念

在高中物理靜電場(chǎng)的教學(xué)中，要注重培養(yǎng)學(xué)生的相互作用觀念。在靜電場(chǎng)中，主要研究電荷與電荷的相互作用，在點(diǎn)電荷的電場(chǎng)中用庫(kù)侖定律來研究電場(chǎng)力的大小;在非點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)中，用試探電荷在電場(chǎng)中的受力大小與試探電荷量的比值來引入一個(gè)新的研究電場(chǎng)力的工具，稱為電場(chǎng)強(qiáng)度。故此，在靜電場(chǎng)的教學(xué)中，首先要給學(xué)生建立的是力學(xué)觀念，對(duì)處于電場(chǎng)中的電荷進(jìn)行受力分析。

（二）運(yùn)動(dòng)觀念

萬物起源于運(yùn)動(dòng)，牛頓第一定律告訴我們，一切物體在受到物體與物體的相互作用力時(shí)，會(huì)改變?cè)械倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。靜電場(chǎng)中建立了相互作用觀念后，在相互作用力的作用下，物體要開始動(dòng)起來了，因此要建立運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀念。牛頓第二定律是力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)之間的橋梁，根據(jù)受力分析物體的加速度，判斷加速度方向與速度方向的關(guān)系，判斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式以及運(yùn)動(dòng)合成與分解的知識(shí)對(duì)粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行具體分析，得出物體的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)位移、運(yùn)動(dòng)路程、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等運(yùn)動(dòng)學(xué)的物理量。

（三）能量觀念

物體處在重力場(chǎng)中，由于位置具有重力勢(shì)能，同理，電荷處在靜電場(chǎng)中，因?yàn)槲恢镁哂须妱?shì)能。功是能量轉(zhuǎn)化的量度，類比重力做功與重力勢(shì)能變化的關(guān)系，提出在靜電場(chǎng)中移動(dòng)電荷，電場(chǎng)力做功等于電勢(shì)能的變化量，若將電荷從某點(diǎn)移到零勢(shì)能點(diǎn)，電場(chǎng)力做功就等于該點(diǎn)的電勢(shì)能大小。從電勢(shì)能出發(fā)，由電勢(shì)能與電荷量的引入電勢(shì)的概念，規(guī)定零電勢(shì)點(diǎn)，判斷靜電場(chǎng)中電勢(shì)的高低。根據(jù)電場(chǎng)力做功的多種推理方法，得出電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。將能量觀念引入電場(chǎng)之中，為解決物理問題提供了一條新的思路。

三、 運(yùn)用物理觀念解決靜電場(chǎng)問題

運(yùn)用物理觀念解決靜電場(chǎng)問題，通過對(duì)問題進(jìn)行相互作用、運(yùn)動(dòng)、能量的分析，找出各個(gè)物理量之間的相互關(guān)系，建立科學(xué)的思路，從而解決物理問題。下面從力學(xué)角度、運(yùn)動(dòng)學(xué)角度及能量角度出發(fā)，分析靜電場(chǎng)中物理問題的三條主線。

（一）帶電粒子在靜電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)分析

力學(xué)分析：對(duì)處于靜電場(chǎng)中的帶電粒子進(jìn)行相互作用力的分析分為兩種情況（圖2）。第一，從粒子受力的大小、方向出發(fā)，根據(jù)庫(kù)侖定律和電場(chǎng)力的導(dǎo)出公式，得出場(chǎng)強(qiáng)的大小和方向，由牛頓第二定律得出加速度的大小和方向。第二，給出電場(chǎng)線這個(gè)理想化的模型，電場(chǎng)線的疏密代表電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，切線方向?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)方向，由場(chǎng)強(qiáng)判斷物體的受力大小和方向，得出加速度的大小和方向。通常對(duì)給定粒子軌跡的分析，受力方向指向軌跡內(nèi)側(cè)，并與場(chǎng)強(qiáng)方向共線。

運(yùn)動(dòng)分析：運(yùn)動(dòng)分析分為兩個(gè)方面（圖3）。第一，已知受力大小，得出物體的加速度大小，若為勻變速直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而可以分析物體的運(yùn)動(dòng)位移、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等運(yùn)動(dòng)學(xué)物理量。第二，根據(jù)受力方向得出加速度方向，由加速度和速度方向的夾角判斷功的正負(fù)，進(jìn)而判斷電勢(shì)能的增減，電勢(shì)的高低。若夾角大于90°，移動(dòng)正試探，電荷電場(chǎng)力做負(fù)功，電勢(shì)能增加，電勢(shì)增加;移動(dòng)負(fù)試探，電荷電場(chǎng)力做負(fù)功，電勢(shì)能增加，電勢(shì)降低。若夾角小于90°，移動(dòng)正試探電荷，電場(chǎng)力做正功，電勢(shì)能減小，電勢(shì)減小;移動(dòng)負(fù)試探電荷，電場(chǎng)力做正功，電勢(shì)能增加，電勢(shì)增加。

能量分析：能量分析從電勢(shì)出發(fā)，通過電勢(shì)的高低，判斷電勢(shì)能的大小，進(jìn)而判斷做功的大小和正負(fù)，由動(dòng)能定理得出物體的運(yùn)動(dòng)速度的增減（如圖4）。

判斷電勢(shì)高低的三種方法：①電場(chǎng)線法：沿著電場(chǎng)線方向，電勢(shì)越來越低。②場(chǎng)源電荷法：離正場(chǎng)源電荷越近，電勢(shì)越高;離負(fù)場(chǎng)源電荷越近，電勢(shì)越低。③電勢(shì)能法：正試探電荷在電勢(shì)能高的地方，電勢(shì)高，在電勢(shì)能低的地方電勢(shì)低;負(fù)試探電荷在電勢(shì)能高的地方電勢(shì)低，在電勢(shì)能高的地方電勢(shì)高。

例如：（2019全國(guó)2卷物理第7題）靜電場(chǎng)中，一帶電粒子僅在電場(chǎng)力的作用下自M點(diǎn)由靜止開始運(yùn)動(dòng)，N為粒子運(yùn)動(dòng)軌跡上的另外一點(diǎn)，則（? ）

A. 運(yùn)動(dòng)過程中，粒子的速度大小可能先增大后減小

B. 在M、N兩點(diǎn)間，粒子的軌跡一定與某條電場(chǎng)線重合

C. 粒子在M點(diǎn)的電勢(shì)能不低于其在N點(diǎn)的電勢(shì)能

D. 粒子在N點(diǎn)所受電場(chǎng)力的方向一定與粒子軌跡在該點(diǎn)的切線平行

力學(xué)分析：帶電粒子在只受電場(chǎng)力，且電場(chǎng)線是直線時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡才與電場(chǎng)線重合，由于該電場(chǎng)未知，所以粒子的軌跡不一定與某條電場(chǎng)線重合，故B錯(cuò)誤。