论电场强度概念的教学.

论电场强度概念的教学

问题的提出

电场强度是高中物理教学内容中的重要概念.长期以来,教材在引入时通常是沿用普通物理的处理方法,即只讲电场强度是检验电荷在电场中某点受到的电场力与电量的比值是一个常量,这个常量与检验电荷无关,只与电场本身的属性有关,所以定义这个比值叫做该点的电场强度,而不讲为什么要用电场力与电量进行比较的原因.这种情况就使得学生在学习中对于电场强度概念的定义始终处于一种“知其然而不知其所以然”的境地,从而在一定程度上影响了学习的效果.有鉴于此,本文拟结合有关教材对电场强度概念引入方式的比较分析,探讨电场强度概念的恰当引入方式,以期对中学物理概念教学有所裨益。

2 人教版教材电场强度概念引入方式的分析

对于电场强度概念,人民教育出版社出版的全日制普通高级中学教科书5物理6(第二册)是这样引入的。

研究电场,必须在电场中放入电荷.这个电荷的电荷量应当充分小,放入之后,不致影响原来的电场.体积要充分小,便于用来研究电场中各点的情况.这样的电荷称为试探电荷.

把试探电荷q放在电荷Q产生的电场中(如图1所示),电荷q在电场中的不同点受到的电场力的大小一般是不同的,这表示各点的电场强弱不同.电荷q在距Q较近的A点,受到的电场力大,表示这点的电场强;电荷q在距Q较远的B点,受到的电场力小,表示这点的电场弱.但是,我们不能直接用电场力的大小表示电

场的强弱,因为不同的电荷q在电场的同一点所受的电场力F是不同的.实验表明,在电场的同一点,比值F/q是恒定的;在电场的不同点,F/q比值一般是不同的.这个比值由电荷q在电场中的位置所决定,跟电荷q无关,是反映电场性质的物理量.在物理学中,就用比值F/q来表示电场的强弱.放入电场中某点的电荷所受的电场力F跟它的

电荷量q的比值,叫做该点的电场强度,简称场强,用E表示电场强度,则有

E=F/q.

我们的研究表明,该教材对电场强度概念引入的处理存在着逻辑上的缺陷.我们知道,电场强度是从力的角度描写电场各处强弱及方向的物理量.因此,如果要引入电场强度这个物理量,就需要在电场中放入电荷.然而,直接用电场力表示电场的强弱是不行的.但其原因不仅是/因为不同的电荷q在电场中同一点所受的电场力是不同的,更是因为,如果这样做,就可能会出现离场源电荷Q近的地方电荷受的电场力小(如果在该点放置一个电量较小的电荷),而离场源电荷Q远的地方电荷受的电场力大这样的情况(如果在该点放置一个电量较大的电荷),从而得出离场源电荷Q近的地方电场强度小,而离场源电荷Q远的地方电场强度大的错误结论.原因何在呢?

原来,出现上述佯谬的根本原因在于,直接把两个不同的电荷q放在电场中的不同点所受的电场力F进行比较是没有意义的.这是因为,在做比较时必须要有相同的标准.只有具备了相同的标准,才能使比较的结果有意义.那么,如果两个电荷q的电量不相同怎么办呢?根据比较的要求,就需要把它们的电量"变"成相同.而这种"变"的方法,就是把两个不同的电荷q放在电场中的不同点所受的电场力F与各自的电量相比,而比的结果就“变”成了单位电荷所受的电场力,这正是电场强度的定义.

因此,在电场强度概念引入的过程中,如果在电场中同一点放置不同电量的两个电荷,由于其比值F/q是恒定的,所以,无法比较电场的强弱.相反,如果在电场中的不同点放置不同电量的电荷,由于其比值F/q是不同的,因此,可由其比值判断电场的强弱.然后再在电场中同一点放置不同电量的电荷,由于F/q是一个常量,它是一个反映电场性质的物理量.这样的逻辑关系,才使电场强度定义的引入水到渠成.

3 北师大版教材电场强度概念引入方式的分析

由教育部基础教育司<高中物理课程改革与实验>课题组编写的全日制普通高级中学教科书<物理>(第二册)是这样引入电场强度概念的。

电场的最基本的特性就是对处在电场中的电荷有力的作用。在图2中,Q是一个正电荷,它的周围存在着电场(Q也可称为场电荷)。将同一个电荷很小的点电荷(又叫检验电荷)放在电场中a,b,c,,,等不同的位置,检验电荷在这些点受

到的电场力Fa,Fb,Fc,,是不同的。这说明电场中不同的位置电场的强弱是不同的。如果把电荷分别为q1,q2,q3,,的检验电荷放在电场中的同一点上,各检验电荷所受电场力分别为F1,F2,F3,,也是不同的。但是,电场力与相应电荷的比值

F1/q1,F2/q2,F3/q3,,却是一个常量。这个常量与检验电荷无关。在电场中不同位置上,这个常量是不同的。看来,这个常量与检验电荷无关,只与电场本身的属性有关。物理学中就把检验电荷在电场中某点受到的电场力F与电荷q的比值,叫做该点的电场强度,简称场强,用E表示电场强度,写成公式是E=F/q。

我们的研究表明,上述教材关于电场强度概念的引入同样存在着逻辑上的缺陷。因为,比值定义法采用两个或多个物理量相比来定义一个新的物理量,不是因为其比值恰好是一个常量,而是因为通过比较可以达到选取相同比较标准的目的,使比较的结果有意义,从而定义一个新的物理量。而该教材在编写时忽视了比值定义法运用时的一个关键问题——为什么要用两个物理量相比来定义一个新的物理量。只回答是什么(比值是常量)而不回答为什么(为什么要比),这是该教材对于电场强度定义处理的根本缺陷。其实,对于目前教材中电场强度概念引入方式的缺陷,物理教育工作者已经有所觉察并做了相应的研究。比如,有研究认为:“电场强度是一个非常重要而又十分抽象的概念,课本上通过检验电荷受到的力与检验电荷电量的大小的比值对某一点来说是一个常量这一本质属性来定义电场强度这个物理量。实际上这个概念的建立不是很顺利的,学生有一个思维障碍,即为什么要用这种方法来测试电场的强弱,造成学生在方法认识上没有主动性,这属于一种元认知困难。”针对这个问题,我们使用一个迁移方法来解决这一难题。以下是教学片段例举:

师:同学们,我们现在来研究一个问题,如何测定风力的强弱?(提示:应该使用风的什么性质?风对阻挡物有力的作用。)

生:用一个物体去挡风,测试力的大小。

师:物体受到的风力大小与哪些因素有关呢?

生:与阻挡风的面积大小有关。

师:风力大小与挡风面积之间存在什么关系?

生:风力大小正比于挡风面积。

师:那么我们可以将风力F与挡风面积S间关系表示成F=kS,那么k=F/S,讨论k的意义。

生:k的大小实际上表征了所测点的风力强度。

这段讨论给学生启示了一种测量物理量强度的方法。挡风面积S的引入起测量作用。测量点的风力强度与引入挡风面积大小或是否测量无关。这是风力的客观性。在这种思考的引导下,再引入电场强度的测量(定义)E=F/q就非常容易理解了。上述研究具有一定的启发意义,但仍然没有很好地解决为什么要用电场力与电量进行比较来定义电场强度的问题。这说明,对于这个问题,仍然需要继续进行研究。

4 电场强度概念引入的教学设计

根据上述分析,我们提出如下电场强度概念的教学设计。

电场最基本的特性就是对放在电场中的电荷有力的作用。为了描述电场的这种特性,就需要引入一个新的物理量。而引入新物理量的思路就是在电场中的不同点放置不同的电荷,用电荷所受电场力的大小来描述电场中不同点电场的强弱。

然而,直接用电场力的大小来表示电场的强弱却存在着问题。这是因为,如果在离场源电荷Q较近处放置一个电量较小的电荷而在离场源电荷Q较远处放置一个电量较大的电荷,就会出现前者所受的电场力较小而后者所受的电场力较大这样的情况,从而得出离场源电荷Q近的地方电场强度小,而离场源电荷Q远的地方电场强度大的错误结论。解决这个问题的关键,是要在比较两种情况下电场力的大小时采用相同的标准－－即两种情况下电荷的电量是相同的。为满足这个条件,只需将两种情况下不同电量的电荷所受的电场力与相应电荷的电量相比即可。因为比的结果即是单位电荷所受的电场力,它满足了比较必须有相同的标准才能使比较的结果有意义的要求。因此,该比值就表示电场中某一点的强弱。进一步,我们会发现,在电场中某一点,电场力与相应电荷电量的比值又是一个常量。这个常量与检验电荷无关,只与电场本身的属性有关。这样,我们就把检验电荷在电场