中学物理静电场复习教学的基本策略

中学物理静电场复习教学的基本策略
作者：李志豪文章来源：职业圈点击数： 2247 更新时间：2008-4-17
中学物理静电场复习教学的基本策略
作者：李志豪
静电场知识是高中物理的重点内容, 同时又因涉及的概念繁多且抽象而成为学生学习的难点。

如何根据静电场知识的结构特点组织好教学
内容, 使复习教学更富有实效, 是物理教师共同思考的问题。

笔者认为
可从以下几个层次展开复习:
一、从基本概念着眼, 构建知识结构
电场力 F、电场力做功 W、电势能 Ep 是电场的基本性质, 电场强度 E、电势差 U、电势ф是描写电场性质的相应物理量。

弄清这些基本概念, 是分析研究电场问题的重要基础。

在复习教学中, 不仅要使学生理解概念本身的物理内涵, 还应理清概念间的相互关系, 并在学生头脑中形成一定的知识结构。

为此, 可引导学生根据概念间的内在联系, 构建一个有序的知识网络:
从这个知识结构网络, 我们不仅可以做到提纲挈领, 更有效地帮助学生澄清基本概念、掌握有关电场的基础知识, 并且也为学生提供了清晰的解题思路。

如:
例 1: 如图 1 所示, 电容量为 C 的平行板电容器的两极板 M、N 带有等量异种电荷, 其中的 N 板接地。

已知一电子( 电荷量为- e) 从远处运动到两板间中点 P 的过程中, 电势能增加了 E, 则由此可推知 M极板的带电情况为:()
A.带正电, 电荷量为 2CE/e
B.带负电, 电荷量为 2CE/e
C.带正电, 电荷量为 CE/2e
D.带负电, 电荷量为 CE/2e
分析: 已知电容器电容量求极板带电情况, 其关键是求两极板间的电势差 U MN。

对照上面的结构图示, 由题给条件求 U MN, 可以有两条求解途径: 其一是由电子到达 P 点时的电势能 E P=E—P 点的电势ψP= E P/-e →
U PN= ψP—ψN=ψP=E/-e →
U M N=2U PN=2E/-e →
M 极板的带电量 Q M= -2CE/e;
其二是由 E P=E→
W PN=E P—E N= E P=E
→U PN= W PN/-e=E/-e→
U MN=2U PN= →
M极板的带电量 Q M=-2CE/e。

二、从基本原理出发, 透析电场规律
库仑定律是静电场的基本定律, 由库仑定律出发建立点电荷电场模型, 进而根据电场的叠加原理分析讨论各种常见电场的空间分布规律, 并用来解决各种电场的具体问题, 是电场复习的重要内容。

其复习的基本思路可表示为:
具体可从以下几个方面引导学生进行分析讨论:
( 1) 透析典型电场的分布规律。

例如等量异种电荷和等量同种电荷的电场,是两种最基本的点电荷组电场。

在教学中, 由点电荷的场强和电势分布规律 E=kQ/r2、ψ= kQ/r, 借助于电场的叠加原理, 对上述电场的场强和电势的空间分布情况( 如等量异种电荷的电场中,中心点场强不为零而电势却为零, 越靠近点电荷的等势面越接近球形, 中垂面上场强如何分布, 等等) 进行分析, 有助于学生理解其电场线和等势面的特征, 为准确恰当地利用电场线和等势面分析具体问题提供了重要的保证, 从而使学生更深刻地把握电场规律, 提高对电场认识的深度。

( 2) 讨论多电荷电场的相关问题。

例如: 例 2 如图 2 所示, 边长为 L 的正三角形的三个顶点 A、B、C 上依次放置电荷量为+q、+q 和- q 的点电荷, 形成一个电场, 求: 1)正三角形的中心 O 点电场强度; 2) 如果在这个电场中放入一个带正电的试探电荷,把这个试探电荷从 O 点移出电场, 电场力对这个试探电荷是做正功还是负功?
解析: 1) O 处有三个点电荷所产生的电场叠加, 其中 A、B、C三个点电荷在 O 处的场强大小 EA=EB=EC=3kq/L2, 根据场强的矢量叠加原理和三个场强的方向可得 O 点实际的电场强度大小为E=6kq/L2, 方向沿由 O 指向 C 的方向; 2) 把试探电荷从 O 点移出电场, 电场力对试探电荷做的功是正还是负, 取决于 O 点电势比零电势高还是低。

根据电势的标量叠加原理, B、C 两个点电荷形成的电场在 O 点电势叠加结果为零, 加上 A 处的正点电
荷在 O点电场的电势为正, 则 O 点电势为正, 比零电势高, 所以带正电的试探电荷从O 处移出电场的过程, 电场力做正功。

( 3) 剖析电场中的导体问题。

对于涉及电场中的导体问题,学生常会机械地根据记住的某些结论作出错误的判断。

为畅通思路, 消除思维障碍, 应该从电场的叠加原理出发, 对相应物理过程的本质进行剖析, 使学生在头脑中形成一幅清晰而准确的物理图象。

例如: 例 3 如图 3 所示, 不带电的绝缘导体 A 移近带正电的导体 B后, 将 A 的 M端接地, 则导体A 两端的带电情况如何?
解析: 导体 A 移近 B 时, 因静电感应使 A 的 M 端出现负电荷、N 端出现等量的正电荷, 最后当 B 在 A 内的场强 E1 与 A 两端的感应电荷在 A 内的场强 E2 叠加, 使各处的场强为零时, 达到静电平衡而成为一等势体。

此时将 A 的 M端接地, 则电子将从低电势的大地沿接地导线移向高电势的 M端, 而使 M端的负电荷增多、电势降低, 同时导致感应电荷在 A 内产生的场强 E2大于 E1, 使 A 内的合场强向左, A 内电子受电场力移向 N 端与正电荷中和, 从而使 N 端的电势也随之降低, 直到 A 整体的电势降为与大地相等时, 大地中的电子不再移向 A, A 内电子也不再向 N 端移动而达到新的平衡。

最后 M端将带上比接地前更多的负电荷, 而 N 端则不带电。

三、从基本方法入手, 提升应用能力
静电场知识富含科学研究方法和思维方法的内容, 复习教学中应着力挖掘方法教育的因素, 对学生进行基本方法的训练,促使学生应用能力的提升。

例如:
( 1) 化抽象思维为形象思维。

电场线和等势面是人们为描述电场所采用的形象手段, 要引导学生充分利用这个工具, 把原本隐晦抽象的电场形象地凸现出来, 形成清晰的物理情景。

例如:可以看出, 在一条电场线上, 依附着丰富的信息, 用它能直观地反映出移动电荷做功的情况,
电势、电势能 Ep 变化的趋势,等等。

( 2) 用反证法分析电场问题。

在判断有关电场特点的命题正确与否时, 常可采用反证法。

例如, 要证明电荷在电场中受电场力作用的运动轨迹是否与弯曲的电场线重合时, 我们先假设两者重合, 那么就会得出电荷受电场力与速度在同一直线上而做直线运动的矛盾结论, 由此推出正确的结论; 同理, 要证明在等势面上移动电荷电场力不做功、证明静电平衡时导体是等势体、两条电场线不能相交, 等等都要用到反证法, 反证法是研究电场问题的一种重要方法。

( 3) 用能量观点分析电荷运动问题。

运用能量观点进行分析, 不仅是物理科学研究的重要方法, 更是分析解决物理问题的重要武器。

有意识地引导学生从能量角度分析电场问题, 不仅能简化解题过程, 更重要的是能使学生从更高的层次来把握物理规律, 开阔思路,使他们分析问题和解决问题的能力切实得到提高。

例 4: 图 4 中虚线所示为静电场中的等势面 1、2、3、4, 相邻的等势面之间的电势差相等, 其中等势面 3 的电势为 0。

一带正电的点电荷在静电力的作用下运动, 经过 a、b 点时的动能分别为 26ev 和 5ev。

当这一点电荷运动到某一位置, 其电势能变为—8ev 时, 它的动能应为ev。

解析: 电荷运动过程中只有电场力做功, 其电势能与动能的总量 E 总守恒, 即电荷在场中任一位置 E 总均相等。

考虑到电荷在相邻的等势面间运动时电场力做功相等, 相应的动能改变量也相等, 可推得电荷过 3 等势面时的动能为 12ev, 而此时的电势能为 0, 故E 总=12ev。

所以, 当电势能ε= - 8ev 时, 它的动能应为E k=E总—ε=20ev。

( 4) 运用分解法研究电荷运动问题。

分析与综合是科学思维的基本方法, 对于电场中电荷做匀变速曲线运动的问题, 其基本的分析方法是运动分解与合成法。

复习教学中, 应引导学生根据问题的具体情况灵活选取不同的分解方法, 以提高学生的灵活应用能力。

例 5: 如图 5 所示, 斜向右上方的匀强电场E=3×103V/m, 与水平方向成θ=30°角, 一个质量为m=3×10-11kg 的带电量大小为 q=10-8C 的粒子, 以速度 v=103m/s 从 A 点垂直电场斜向左上方射入电场,经过一段时间正好从 B 点射出电场, B 点与 A 点在同一水平面内, 求: 1) 粒子经过 B 点时的速度大小; 2) 粒子在运动过程中离开 AB 面的最大高度。

分析: 题中带电粒子受恒定电场力做匀变速曲线运动。

对第1) 问宜将粒子的运动分解为沿初速方向和电场力方向的两个分运动, 而第 2) 问则将运动沿水平和竖直方向分解更为简捷。

( 5) 变与不变的“辩证法”。

例如, 在研究平行板电容器的有关物理量变化问题时, 要用到一种富有哲理的思想, 那就是: 要判断变化的量, 恰恰要抓住不变的量。

根据这一思想, 可将此类问题的解题方法归纳为: 确定不变量( 有源状态 U 不变, 无源状态 Q 不变) , 抓住主变量( d、s、等) , 分析因变量( C、Q、U、E 等) 。

综上所述, 从基本概念着眼构建知识结构, 从基本原理出发透析电场规律, 从基本方法入手提升应用能力, 是组织静电场知识复习的基本策略。