电势差与等势面

电势差与等势面

福建省福州格致中学鼓山校区郑健

一、使用教材

鲁科版高中《3-1》第二章第二节。

二、实验器材

自制教具：可变平行金属板电容器、J1206-1型电子感应圈、高楼人物树木避雷针模型、手持氖泡点阵探测器；

智能手机、信息技术融合等势面实验器、高内阻数字电势差计、可调稳压直流电源、自制模拟静电场电极三套、水槽与探针等。

三、实验创新要求/改进要点

1. “初感”：用电子感应圈配合自制可变平行金属板电容器，演示火花放电。通过改变极板间距观察不同的放电现象，自制避雷针模型演示生活中的雷电尖端放电过程。引导学生通过实验观察感悟自然现象及其物理知识，理解电场强度与电势差的关系。

2. “浅探”：演示探测空间中的立体等势面。用生活中熟知的试电笔中的氖泡改造得到探测空间中电势的探测器，通过实验探究空间电场中的等势面分布，氖泡的亮暗及位置分布可以很直观形象的将原本看不到的电场规律反映出来。材料简易便捷。

3. “深究”：用信息技术融合，通过智能手机摄像和无线互联技术同步实验视野的方法，探究描绘水中的模拟静电场电势分布情况。学生可以分组同时在希沃一体机上进行互动实验，亲手探测和描绘出等势线。

四、实验原理/实验设计思路

根据静电场物理原理，电场强度与电势差的关系，当电压不变时，极板间距越小电场强度越大，电场强度增大到击穿空气的临界值时，将发生极板间的火花放电现象，电场强度越大，放电越明显。当极板表面不平行时，会发生不均匀的尖端放电现象。

当无法直接观察放电现象时，可以用探测与零电势之间的电势差的方法，探测空间中任意位置的电势情况，通过探测器反映电场中的电势与等势面的分布规律。

在描绘等势线实验中，用恒定电流场模拟静电场，自来水作为电介质，自制多套形状的电极模拟各种典型电场分布；用两台高阻数字电压表探测等势点；同时融合信息技术用智能手机的高清摄像和无线互联技术将操作画面共享到教室的电子白板，在电子白板上直接标注和描绘等势面；用多台智能手机可以实现分组多画面共享或推送教学资源。信息技术的融合应用创新了物理探究实验教学的互动模式。

五、实验教学目标

1. 知识与技能：理解电场强度与电势差的关系，知道电场中的电势及其分布规律，知道等势面及描绘等势面的方法，等势面与电场线的关系。

2. 过程与方法：通过探测、模拟等实验方法，观察电场中的电势差，测量电势差获得电场中的电势。

3. 情感、态度、价值观：体验探究带来的乐趣，基于事实证据发现和论证科学规律，形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任感。

六、实验教学内容

实验一：演示空间匀强电场中的放电现象，分析电场强度与电势差的关系，理解避雷针和尖端放电的原理。

实验二：用探测法探究空间中匀强电场的电势分布情况，立体呈现等势面的分布规律。

实验三：用模拟法获得匀强电场、点电荷电场和等量异种电荷电场，用创新教具与信息技术进行互动定量测量实验，获取等势线。

七、实验教学过程

描绘等势线实验的教学过程如下：

1.模拟静电场

在透明亚克力水槽中注入约1cm深的清澈自来水作为导电介质。在水中放入电极，不同的电极组合模拟不同的电场。电极上引出导线接学生电源直流稳压12V档。将智能手机摄像头朝上放置在仪器底部，拍摄的实验视野画面传送到教室屏幕上。

2.以匀强电场为例寻找等势点

实验由两人一组互动配合完成。其中用表笔探测等势点的同学称为“操作者”。打开学生电源和数字电压表电源，数字电压表显示为“0.00”。操作者手持电压表的两把表笔，其中黑表笔定义为电势为零（接地）。将黑表笔碰触在匀强电场的一个电极上不再移动，红表笔在水中移动探测电势为3V的点，同时操作者观察仪器底部的电压表读数。当电压表读数为“3.00”时，描绘者在屏幕上描点。

3.在电子白板或屏幕上描绘等势点

实验中智能手机拍摄的画面实时显示在屏幕上，手机拍摄到的数字电压表是安装在水槽底部的，这台电压表与操作者所看到的电压表并联，读数一致，都反映了表笔所探测的电压。此时由另一位同学直接在电子白板上用手指或白板笔描点，如果是普通显示屏则用可擦除的水彩笔描点。这位同学称为“记录者”。当操作者探寻到一个等势点时，记录者同时描点，接着操作者再寻找下一个等势点，依此进行下去。当得到一个电势的多个等势点后，记录者将这些点用平滑线连接成等势线。两人的互动实验如图所示。

八、实验效果评价

1. 分析能力的提升：学生的认知建构规律是具体到抽象、简单到复杂、感性到理性。通过实验学生对电场中电势的分布有了充分感受，在情境中基于事实经验引发推理探究，对知识结构和分析能力的形成有很好的促进作用。

2. 操作能力的提升：实验中能够运用恒定电流模拟点电荷、匀强和等量异种三种静电场，材料环保、使用便捷；信息技术深度融合，实验视野下的全程操作向全班同学演示，操作者和记录者分工合作、主动探究。不仅如此，还可以进行多屏互动，在一个屏幕分屏、同时进行四个电场等势线的描绘，使得每个学生都能积极参与到实验中来，这将是物理探究实验的一种创新模式。

3. 思维方式的提升：学生不仅能亲手描绘出等势线，还能容易的获得电场线与等势线垂直、顺电场线电势逐渐减小以及疏密分布等结论。与理论推理相辅

相成。情景感悟浅探深究、思维阶梯有序发展。