关于静电场教学的几点思考

第1页共8页关于《静电场》教学的几点思考淮安市淮海中学邮编：223300作者：马绍武【摘要】《静电场》是高中物理电学内容的开始，是高中物理基础内容之一，它既是电磁学的基础，又是光学等其他物理学知识的重要基础，为了使学生更好的学好本章内容，本人从概念辨析、公式运用范围、知识体系的构建、方法总结等方面的教学提出几点思考。【关键词】静电场、概念、公式、物理方法、物理规律《静电场》这章的内容是整个高中物理电磁学的开篇,许多的基础概念，对以后其他章节的知识学习起着铺垫的作用,和以往的所学过的其它章节的知识相比，这一章不但概念多、规律多、结论多；而且这些概念、规律、结论都比较抽象。一些基本概念，如电场、电势等看不见摸不着，学生的感性认识又少，所以本章的学习要在概念理解、规律总结、研究方法归纳上多下功夫，即用一些行之有效的教学方法和手段去帮助学生抓住重点突破难点。这就要求我们教师在教学中力求知识和方法并重，既要重视“知识与技能”教学，又要让他们在学习过程中体验“建立概念”与“总结方法”的过程，这不仅有助于学生对本章知识的学习,而且有助于对以后的物理概念的建立(如磁场,磁感应强度等)以及其它学科的学习也会大有裨益。下面笔者就结合新教材的特点与日常教学实践谈一谈对《静电场》教学的几点思考。第一，教学中要关注概念的辨析与概念内涵挖掘。结合本章概念多的特点，在教学过程中不仅要引导学生从字面上看懂这些概念，更要使学生深刻理解其含义，笔者在教学过程中教给学生利用“类比法”“列表法”来辨析清楚不同概念之间的区别和联系。下面就谈一谈笔者对一些重点概念的理解和辨析。1．常见的几种电荷：元电荷、点电荷、试探电荷（或检验电荷）（1）元电荷e：人们把电子所带电荷量的绝对值叫做元电荷，即e=1.60×10－19C，它就是一个常数。电子所带电荷量与质子、正电子所带电荷量在数值上等于元电荷。（2）点电荷：点电荷是一种理想化的模型.如果带电体本身的线度比相互作用的带电体之间的距离小得多，以致带电体的体积和形状对相互作用力的影响可以忽略不计时，这种带电体就可以看成点电荷，但点电荷自身不一定很小，所带电荷量也不一定很少.(3)试探电荷（或检验电荷）：电荷量和体积都足够的小，引入的电场不影响原电场的电荷分布。2．电场强度与电场力电场的特征之一是对置于其中的电荷具有力的作用，而电场强度就是表征电场力的性质的物理量。只要有电场，就有电场强度，与电场中有无试探电荷无关。试探电荷只是把电场的力的性质反映出来。电场强度的定义是：放入电场中某一点的试探电荷受到的电场第2页共8页力跟它的电荷量的比值，即qFE（比值定义法），这个比值既不是由F决定，也不是由q决定，而是与电场本身性质有关；（由点电荷产生的电场的场强计算公式E=kQ/r2,E和点电荷带电量以及距离点电荷的远近有关）。电场强度是矢量，某一点的电场强度方向规定为正电荷在该点受力方向.电场力是电荷受电场作用力，必须是电场与电荷（受力物体）并存。由F=Eq可知电场力与Eq的乘积成正比，正电荷受电场力的方向与电场强度的方向相同，负电荷受力方向与电场强度的方向相反。3．电势能与电势电势能是电荷在电场中所具有的势能，在课本中（高中物理人教版3—1P15-16）电势能是由电场力对电荷做功与运动路径无关而引入的概念。通过“功是能量转化的量度”得到静电力做的功等于电势能的减少量，即：WAB=EPA－EPB，在规定B点的电势能为零的前提下，得到WAB=EPA，即电荷在电场中某一点的电势能，等于静电力把它从该点移动到零势能位置时所做的功。电势表征电场能的性质的物理量，有电场就有电势，其定义为：电荷在电场中的电势能与它的电荷量的比值，叫做这一点的电势（比值定义法）。即＝EP/q，这个比值显然与q无关。它的大小只与电场本身的性质有关。谈电势能一定是指某一电荷在电场中的电势能，它是电荷与电场这一系统共有的能量，即必须电场与电荷并存。电势能的大小取决于电荷所带的电量、电性及其所在位置的电势，即EP=q。电场中电势为正值的点，正电荷的电势能为正值，负电荷的电势能为负值。电场中电势为负值的点，正电荷的电势能为负值，负电荷的电势能为正值。电势与电势能都是标量，都具有相对性。都可以是正值、负值、零。这与零电势（或零电势能）的选取有关，通常选取离场源电荷无限远处（或大地）的电势为0。电势的正负体现电场中电势的高低，电势能的正负也体现电势能的大小。4.电场线与等势面电场线为了形象的描述电场中各点的电场强度的大小和方向，而在电场中画出的一系列曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟该点的场强方向一致，这些曲线叫做电场线.其特点是：①电场线是起始于正电荷（或无穷远处），终止于负电荷（或无穷远处）；②电场线的疏密反映电场的强弱；③电场线不相交；④电场线不是真实存在的，而是一些假想曲线；⑤电场线不是电荷运动轨迹.等势面是电场中电势相等的点构成的面叫做等势面.其特点是：等势面上各点电势相等，在等势面上移动电荷电场力不做功.等势面一定跟电场线垂直，而且电场线总是由电势较高的等势面指向电势较低的等势面，即沿电场线方向电势降低。画等势面（线）时，一般相邻两等势面（或线）间的电势第3页共8页差相等.这样，在等势面（线）密处场强大，等势面（线）疏处场强小.5．电势差与电势电势差是指两点间电势的差值，即ＵＡＢ＝BA，电势差可以是正值，也可以是负值，电势差的大小与零电势点的选取无关。而电势具有相对性，其高低与零势能面的选取有关。6．电容器与电容电容器是电路中具有存储电荷功能的装置，其基本结构是由两块彼此绝缘相互靠近的导体组成，导体之间所夹得绝缘物质叫电介质，如空气、聚苯乙烯、云母、陶瓷等。电容是表征电容器存储电荷本领大小的物理量，其定义式是：C=Q/U。注意：电容器电容的大小完全是由电容器本身属性（结构）决定，跟电容器是否带电，带电荷量多少以及两板电势差的大小无关。电容器电容大小与两个极板的正对面积、极板间距离以及两极板间的电介质有关。对于平行板电容器的电容与极板的正对面积S、极板间距d、以及介电常数εr的关系为：kdsCr4。7．电场强度与电势电场强度与电势都是表征电场性质的物理量，电场表征电场力性质，电势表征电场能的性质。而电场强度的强弱与场源电荷有关，电场中某一点的电场强度E是定值；而电势具有相对性，在零电势点没有确定的时，其值具有任意性。但是在零电势确定后，电场中某一点的电势的高低就确定了。实际上电场强度的大小与电势的高低无必然联系，电场强度为0的地方电势可以为0也可以不为0，因为电势具有相对性。第二，能关注几个重点公式的物理意义及其运用范围区分。1.计算电场强度的三个公式（1）电场强度的定义式：qFE，它适用于任何电场，E是矢量，某一点电场强度方向与放在该点的正试探电荷所受电场力的方向一致。（2）dUE，只适用于匀强电场中场强大小的计算。U为匀强电场中两点的电势差，d电场中沿电场方向的距离。（3）2rQkE，只适用于真空中的点电荷场强大小的计算，k为静电力常量，r为点电荷场中某点到点电荷间的距离。在实际应用中，当r远远大于带电体大小时，可将带电体视为点电荷。如果是两个均匀带电球体，r可视为两球心间的距离。2.电场力的计算公式（1）EqF（适用于任何电场）（2）221rqqkF（库仑定律，适用于真空中的两点电荷间）3.两点间电势差UAB的计算第4页共8页（1）根据其定义式：UAB=BA，即不管是什么样的电场，只要知道A、B两点的电势，就可求出两点的电势差。（2）qWUABAB，利用这个公式求解时，必须要借助于电荷q在电场中A、B两点运动时，电场力做功WAB来求出UAB，利用这个公式求解时同样不必考虑电场的类型。（3）UAB=Ed,只适用于匀强电场中电势差的计算，d电场中沿电场方向的距离。第三，抓住“场强”这个中心、归纳综合构建知识网络。在静电场这一章中，电场力性质的概念（如电场强度E、电场力F等）与电场能性质的概念（如电势能、电势、电势差等）具有各自的独立性，但又不是孤立的而是相互联系。所以教师在指导学生学习过程中，一定要指导他们学会比较，学会寻找概念之间的联系点，先把知识由“点”连成“线”（实际上本章就是围绕“电场力性质”与“电场能性质”这两条主线展开的），再以“电场”为中心把“知识线”联系起来构建本章的知识体系。笔者在教学过程中就是首先让学生从场源电荷入手，以电场为核心把本章知识点整理出来；然后按照两条主线找出知识间的联系，把知识点连成两条“知识线”；最后找到本章两个核心知识（电场力的性质与电场能的性质）的结合点----带电粒子在电场（不局限于匀强电场）中的运动，并且运用“动力学”知识与“功能关系”总结出带电粒子在电场中运动的基本规律，从而构建起本章一个完整的知识体系（见下图）。静电场电荷及电荷守恒定律摩擦起电、接触起电、感应起电（本质都是电荷的转移）静电荷产生1．电场强度E的定义及其矢量性。2．计算式：E=F/q（适用于任何电场），E=kQ/r2（只适用于点电荷场），匀强电场：E=U/d（只适用于匀强电场）。3.表示方法：电场线（定性描述场强的大小和方向）。4.场力F：（1）EqF（适用于任何电场）（2）F=kq1q2/r2（库仑定律，适用于真空中的点电荷）电场强度(电场力的性质)电势和电势差（电场能的性质）电势1．电势的定义式：=Ep/q;2．电势是标量，有正负且与零电势点选取有关系。1.等势面特点：等势面上各点电势相等。2.电场线与等势面垂直，并且由电势高的等势面指向电势低的等势面。3.电场中的导体是等势体，表面是等势面。电势差1．电势差的定义式：BABAABUU2．电势差与电场力做功的关系：UAB=WAB/q;3．是标量，有正负。带电粒子在电场中的运动电场力做功：1.电场力做功与路径无关；2.电场力做功与电势能的关系：WAB=EPA－EPB；3.电场力做功与电势差的关系：WAB=qUAB电场中的带电粒子的运动：1.运动类型：静止状态、直线运动、曲线运动；2.带电粒子的加速：qU=mv2/2；3.带电粒子的偏转：类平抛抛运动的规律第5页共8页第四，关注研究方法的总结与规律的拓展，培养了学生自主学习的能力。教师在与学生共同探讨与研究本章知识的过程中，一定要关注这一章教材在分析重点知识点时，在突破难点时所用的一些研究方法和有关规律的总结与拓展。下面就课本和笔者在教学中的实例来谈几种方法合对有关规律的拓展。1．研究方法：（1）类比法：笔者认为在本章概念的教学中要注重运用科学方法进行教学,其中最突出的科学方法即类比法，而新教材知识线索的设计也非常有利于学生知识的类比.所以在对本章概念进行教学时可用类比法帮助学生去理解辨析有关概念。如：在理解点电荷这个概念时可与质点进行类比，在学习电场力做功特点时可与重力场中重力做功特点进行类比；电场中的电势、电势能EP、等势面可与重力场中的地势（高度h）、重力势能ＥＰ、等高线（面）进行类比；电容器的电容与容器的水容量；带电粒子在电场中的偏转与重物的抛体运动进行类比。（２）控制变量法如在探究平行板电容器的电容与正对面积、极板间距以及电介质之间关系时，就是利用控制变量法。（３）对称法对称法对于分析点电荷电场、等量同种电荷形成的电场、等量异种电荷形成的电场具有非常重要的意义，如等量同种点电荷形成的电场，在两点电荷连线中点的中垂面的两边，电场线与等势面的分布具有对称性，我们在分析问题时就可以利用这种对称性去为解决问题提供思路，例如在比较关于中垂面对称的两个点的电场强度与电势时，利用对称性可得：这两点电场强度大小相等（注意方向不一定相同），在规定无限远处电势为0时，电势相同。（4）图表法图表法可以对不同事物进行直观而清晰地比较，在教学中由于有关电场知识比较抽象，笔者就用图表法对与之有关的知识列表比较，起到了很好的教学效果，如：为了更好地帮助学生对电场强度、电场线、电势、等势面等概念的理解，笔者结合日常教学实践积累对等量同种电荷与等量异种电荷所产生的电场利用“图表法”进行如表1所示几个方面作简要分析