以“静电场”教学为例,谈物理观念的渗透与培养

张 健 李春密

(1. 北京师范大学第二附属中学,北京 100088; 2. 北京师范大学,北京 100875)

1 物理观念的内涵与理解

爱因斯坦曾说“在建立一个物理学理论时,基本观念起了最主要的作用．物理书上充满了复杂的数学公式,但是所有的物理理论都是起源于思维和观念,而不是公式．”[1]物理观念是物理世界在人脑中留下的概括的形象,是物理概念和规律在头脑中的提炼和升华,是人对物理世界的根本认识,是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础．物理科学的发展,最集中地反映在物理观念的变更上．

物理观念是物理核心素养的内核,在物理科学体系中占有重要地位．鉴于社会发展需求和中学生的学习特点与认识水平,新课程改革在物理观念中提出“物质观、运动观、相互作用观和能量观”,以4种观念为核心开展概念的进阶教学,初、高中教学一而贯之．

(1) 物质观念.物理学研究自然界基本的物质结构与最基本的运动规律,对于物质的研究包括物质的结构、物质的存在形态与物质的运动等．物质结构的探索伴随着物质观的发展与革新．比如物质形态是从实物粒子到场,认识到场是一种特殊的物质且具有能量和动量,是一次飞跃．物质观念是我们分析和解决物理问题的出发点,从这个意义上讲,物质观念是物理观念的核心．

(2) 运动观念.描述物体的运动并发现运动规律是物理学的重要任务之一．在运动的描述过程中伴随着对于时间、空间、参考系的认识的深化,即时空观的发展．在运动的描述中总结运动规律,探讨运动背后的原因,这是对变化类问题的一般化的研究方法,可以将这种科学方法迁移到社会现象的研究．

(3) 能量观念.能量是物理学乃至整个自然科学领域最核心的概念之一．从机械运动中提出了动能的概念,从流体研究中提出了重力势能;通过对热现象的研究提出了内能的概念;通过对电场和磁场的研究与物质性的认识,提出了静电能、磁场能、电磁场能等,这是对能量认识的进阶发展;自然界存在不同形式的能量,能量总量保持不变,这就是能量守恒定律．能量守恒定律是隐藏在自然界各种形式运动与不同类型相互作用背后的支配规律,自然界一切物理过程的发生必须遵从能量守恒定律,违背能量守恒的现象是不会发生的．能量守恒定律是人类对自然规律认识的一次飞跃,是指导人类探索自然的方法论与新视角．

(4) 相互作用观念.自然界中物质间存在着普遍的联系与相互作用,人们对于物体与物体之间的相互作用经历了从直觉观察到思辨分析、从宏观世界到微观世界、从实物到场、从超距作用到近距作用等观念上的重大突破．在高中物理教学中,应该帮助学生认识并理解4种基本相互作用及其作用方式、作用特点,运用物质间相互作用的机制来理解物质世界的存在、发展和演化,运用相互作用的观点去思考运动现象,发现隐含在现象背后的规律．

通过高中物理教学,应帮助学生形成物质观念、运动观念与相互作用观念、能量的观念等,并能够从经典物理到近代物理体会物理观念的发展与变化;能够从物理学的视角正确描述和解释自然现象,综合运用所学的物理知识解决实际问题;能有效地指导工作和生活实践．

2 “静电场”教学与物理观念的渗透

2.1 静电场的教学分析

“静电场”一章是高中阶段电学内容的开始,具有承上(力学)启下(电磁学)的重要作用,其核心内容是电场的概念及描述电场特性的物理量．

本章重点研究静电荷产生的静电场的性质,是从电荷在电场中受力和电荷在电场中具有能量两个角度出发,渗透相互作用观念与能量观念;静电场是继引力场教学后又一次面对“场”的问题,能正确认识场的物质性和客观存在性是有困难的,这是对学生物质观念的发展;在电场中带电粒子的运动研究丰富了学生对运动观念的认识．不难发现,“静电场”一章教学对发展学生的物理观念、丰富认知图式具有重要作用．

2.2 基于静电场教学,渗透物理观念

2.2.1 静电场与物质观

高二年级的学生对物质结构已经有了初步的认识．知道物质是由分子或原子组成的,原子由原子核和核外电子组成,对于固体、液体和气体的性质有了一定的认识,但是认知局限于宏观的、“看得见、摸得着”的物质．

静电场一章是对学生物质观念认知的一次重大突破,体现在以下的两方面．首先,本章涉及带电的微观粒子,如电子、金属中的正离子、气体电离后形成的正负离子、等离子体等,这些物质不容易直接观察到,形成认识障碍．

在教学中可以通过实验帮助学生认识到微观粒子的存在,增强感性认识．演示图1的阴极射线管实验,在荧光板上看到一条绿色的线迹,电子束在磁场作用下还能发生偏转,认识到电子的真实存在．通过电风吹蜡烛(图2)实验,讲解空气分子被电离后出现了正、负离子,定向运动形成的“风”可以使蜡焰摇曳,甚至被“吹灭”．如此,“不可见”的微粒被观察到了,促进了学生物质观念发展．

图1

图2

其次,《物理课程标准》提出“要了解静电场,初步了解场是物质存在的形式之一”,这是具有难度的．因为电磁场是一种真实存在的物质,但是与人们直观能体察到的、占据有限空间的物体不同,抽象性强．它是通过被作用物体运动之变化来表现自身性质的．虽然电磁场不能被“看见”,但是它的强弱可以被测量到,这为研究场这种物质提供了有效的手段．在高中物理教学中使学生相信“场的客观存在”关键在于感受到“场”,具体可以采用以下两种策略．

策略1.《物理原理与问题(Physics Principles and Problems)》中描述到电场“静电力与你在第8章中学过的万有引力类似,都与两个质点间距离的平方成反比．这两种力都能作用到很远的距离．那么,一个力又是怎样穿越过似乎空无一物的空间而对物体产生作用的呢?法拉第认为,如果一个带电物体A能对位于空间中任一点处的另一个带电物体B产生作用,那么带电物体A必然以某种方式使空间的特性发生了改变,而物体B则感受到了空间的这种改变,并因此受到了反应它所在空间的这种特性的作用力．人们称改变了空间的这种特性称为电场．”[2]力是具有物质性的,既然电荷在电场中受到了力的作用,那么电场就是具有物质性的,这是一种逻辑推理的结果．

策略2.通过“静电场点亮日光灯”实验证明电场具有物质性．实验装置如图3所示,在范德格拉夫起电机金属球壳旁边,沿其半径方向放置一个日光灯管;打开起电机开关,会看到日光灯发光．

学生看到这一场景后惊讶不已,备受震撼,激发了学生的好奇心和求知欲．教师引导学生分析日光灯亮起来的原因,学生直观看到了日光灯从带电体周围空间获得了能量,认识到了电场的真实存在性,也为电势能的讲解做好铺垫．

2.2.2 静电场与相互作用观

学生在初中物理学习中已经定性地认识到电荷间相互作用的规律:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引;高中阶段可以通过库仑定律定量计算点电荷间的相互作用力．

牛顿发现万有引力时的基本思想是:所有具有质量的物体之间都存在着吸引力,这种作用是超距的,不需要物与物的接触．至于库仑力,既然与万有引力如此相似,人们自然认为电力也是一种超距作用,因为从表面来看,当一个物体带上正电荷后,在离开它很远地方的另一个带负电的物体就立即能够受到它的吸引力,这个力像是越过了两者的空间在瞬时间直接传过去的．

但是超距作用观念与生活中常见现象得出的认识不相符合．我们推桌子时,通过手和桌子直接接触,力作用在桌子上;马拉车时,通过绳子和车直接接触,力作用在车上．这些现象中,任何一种作用都是通过物体与物体直接接触而传递的．难道库仑力与引力就能不通过任何媒介传播?这引发了越来越多物理学家的思考．直到19世纪30年代,英国物理学家法拉第才对超距作用提出了不同的看法,并首先对于电磁相互作用引入了场的概念,即带电体、磁体或电流周围空间存在一种由电或磁产生的物质,它无处不在,起到传递电、磁力的媒介作用,法拉第称之为“场”．由此学生认识到库仑力不是超距作用的,是电场对电荷的作用力,可通过图3说明作用机制．

图3 电荷之间通过电场相互作用

图4 带电粒子在电场中运动

在后续学习中,不再画出场源电荷,仅画出电场线表示电场的存在,对放入其中的电荷能产生力的作用,如图4,这其实是一种相互作用观念的转变:是场对电荷产生了力的作用,无需知道场源电荷情况如何．

从“超距作用”到“场的传递”是一次思维的飞跃,是一次相互作用观念的丰富与发展,在教学中介绍这段发展历史,让学生体会科学思维的发展过程与科学概念的建立过程．

2.2.3 静电场与运动观

运动是物理学研究的经典问题之一,在物理学不同发展阶段对运动有着不同的认识与理解．在高一阶段的力学学习中,主要涉及质点的机械运动——直线运动、抛体运动、圆周运动与机械振动,学生认识了运动的相对性原理、独立性原理,掌握了运动矢量的合成与分解的方法,为研究带电粒子在电磁场中的电磁运动打下了基础．

在电场中,带电粒子的运动形式由受到的电场力决定．研究氢原子核外电子绕核运动的问题,采用匀速圆周运动的模型,库仑力提供向心力F库=Fn,可推出电子在不同半径处原子系统的能量,为后续玻尔模型的提出奠定基础．研究带电粒子在匀强电场中的运动,受到恒力qE作用,在教学中可以与重力场中质点的运动进行类比分析,帮助学生认识到带电粒子可以做匀变速直线运动、匀变速曲线运动,使学生容易地构建起带电粒子运动的模型;再讨论示波管中电场的加速过程、偏转过程,加深过程的理解与分析,丰富学生对运动的认知图示．通过上述内容的学习,使学生认识到同一运动形式可以在不同情境中发生,起支配作用的物理规律却是一样的,研究方法是一致的．

示波管原理是本章的教学重点,“显示波形”的原理是其中的难点,这里包含着物理学研究运动的基本方法——运动的合成．在这部分内容的教学中可以采用以下的3个教学环节,帮助学生理解扫描电压的作用、屏幕上波形的数目与扫描频率的关系等．

环节1.两人合作,先在白纸中央画一条直线OO1使它平行于纸的长边,作为图像的横坐标轴．一个人用手使铅笔在白纸上沿垂直于OO1的方向振动,另一个人沿OO1的方向匀速拖动白纸,纸上就画出了一条描述笔尖振动情况的x-t图像．

环节2.分析演示简谐运动图像的装置,当盛沙漏斗下面的薄木板N被匀速地拉出时,摆动着的漏斗中漏出的沙在板上形成曲线显示出摆的位移随时间变化的关系(如图5),板上的直线OO1代表时间轴,如图乙所示是摆中的沙在木板上形成的曲线．比较两组曲线,引导学生分析拉动纸板的速度与波形数目的关系．

图5 沙摆位移与时间变化关系

环节3.在示波器中,周期性扫描的锯齿波电压(图乙)使电子在水平方向做匀速直线运动,类似于被匀速拉动的薄木板;周期性的偏转电压(图甲)使电子在竖直方向运动,通过扫描信号将波形展开(如图6)．通过以上环节的铺垫,学生能相对容易地理解示波管原理与波形成因．

图6 偏转电压与扫描电压

在示波管原理教学中,学生要经历从宏观低速物体的运动观跨越到微观高速粒子的运动观,这是运动观念的深刻转变．示波管的电子枪中炽热的金属丝可以发射电子,在金属丝和金属板之间加以电压U=2500 V,发射出的电子在真空中加速后,从金属板的小孔穿出,穿出时电子的速度约3.0×107m/s,接近1/10光速,这个结果令学生感到惊讶.由于电子的速度很大,交变电压信号周期较长,同一电子穿过电场的过程可认为电场没有变化,是稳定的匀强电场,这种近似处理方法是学生对运动观的发展与深化,在后续“磁偏转”、回旋加速器中也有涉及．

2.2.4 静电场与能量观

能量观是指学生对能量相关问题的基本认识,从能量视角来解释自然界的运动和变化,是物理学一种典型的认识、理解和思考方式．物理能量观念涵盖5个基本观点:能量本质观、能量形式观、能量转化观、能量耗散观和能量守恒观．[3]通过静电场一章学习,可以加深对能量观各方面的认识和理解．

如果把一个静止的检验电荷放在电场中,它将在电场力的作用下做加速运动,经过一段时间后获得一定的速度．从功和能的关系来看,在这个过程中,电场力对检验电荷做正功,电荷的动能增加了．学生已经知道功是能量转化的量度,那么在这个问题中是什么能转化为检验电荷的动能呢?教学中可以把检验电荷在电场力作用下的运动和地表物体在重力作用下的运动对比一下,学生不难猜测:检验电荷的动能是由一种和电场相联系的势能转化而来的;然后引导学生分析:要说明这种势能的存在,就需要证明电场力是一种与重力类似的保守力——做功与路径无关;以匀强电场、点电荷形成的电场为例,证明电场力对检验电荷做功只与该电荷的起点和终点的位置有关而与移动的路径无关,即电场力是保守力,顺理成章地建构起“电势能”的概念．

“电势能”这一概念比较抽象,在教学中可以与重力势能、弹性势能进行对比研究，如表1所示

表1

通过比较分析,可以帮助学生加深对势能的理解,系统地建构并丰富头脑中的能量图式．

图7 电容器充电与放电实验图

3 结语

在静电场这一章的教学实践中,要充分了解学生通过初中、高一物理学习所形成的物理观念的情况,基于学生的学情设计教学．可以通过类比、实验演示、动画模拟等方法为学生概念的生成搭建脚手架,使学生头脑中的认知图式、运动图景在原有的基础上不断丰富和发展,促进物理观念的形成与深化．