從一道習(xí)題談《電動勢》教學(xué)暨高考改革

1、 從一道習(xí)題談電動勢教學(xué)暨高考改革黃書鵬福建漳州 漳州一中 363000 文章摘要：教學(xué)應(yīng)如何教，高考應(yīng)如何改，這是擺在廣大教育工作者前的一道課題。當(dāng)前的教學(xué)形成了，一是為了減負(fù)，高考試行必考選考制，于是高中教學(xué)“順應(yīng)”這個趨勢，形成了必教與選教（實(shí)是刪除）。另一方面在有限的課程課時(shí)內(nèi)，隨意增加了知識的深度，使學(xué)生負(fù)擔(dān)不見減輕，反而加重的怪圈。高中教育定位偏差，高中成了高考預(yù)科班的現(xiàn)象急待糾正。關(guān)鍵詞：電動勢 電動勢教學(xué) 高考改革 一。問題的提出.圖1有一道習(xí)題：如圖1是電解硫酸銅溶液的裝置示意圖，圖中電壓表示數(shù)為U，電流表的示數(shù)為I，通電時(shí)間為t，下面的說法正確的有（  

2、  ）AIt是這段時(shí)間內(nèi)流到銅板上的陽離子所帶的總電量BUIt是這段時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的總焦耳熱CUIt是這段過程中該電路消耗的總電能DUI是電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的功率本題答案選A、C。選項(xiàng)C是顯見的，就是A選項(xiàng)讓人糾結(jié)，在電解質(zhì)溶液中，形成電流的是正負(fù)離子，形成電流的電量是正負(fù)離子所帶電量絕對值之和。本題流到銅板陽離子為什么不是呢？要回答該問題還要從電解液導(dǎo)電機(jī)理談起，它也牽涉到化學(xué)電池電動勢形成的問題。RBACD圖2銅 鋅+-+-如圖2在電解液中插入兩根化學(xué)性質(zhì)活潑不同的金屬板（如鋅和銅或碳板）做電極，在電極附近的溶液中將發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化（反應(yīng)）。當(dāng)兩電極不加負(fù)載時(shí)，較活潑的金屬電極

3、B將失去電子被氧化成陽離子溶進(jìn)到溶液中（如鋅離子），并聚集在電極附近D，該電極因有多余電子帶負(fù)電而形成一極化電場，存在電偶極層的電極電勢。于是DB間化學(xué)作用促使正離子向D運(yùn)動，電場作用使正離子向負(fù)極B運(yùn)動，隨著D處正離子的增強(qiáng)，電場加強(qiáng)，最后達(dá)到平衡狀態(tài)，在電極附近形成一穩(wěn)定的極化電場，方向由溶液指向電極，其電極電勢差,在該區(qū)域只有正離子。這就是上例選A的原因。同理在較不活潑的電極A也將發(fā)生相應(yīng)物理化學(xué)反應(yīng)，溶液中的陽離子在電極處獲得電子被還原，并使電極因缺少電子而帶正電，在該電極附近C聚集負(fù)離子,形成另一穩(wěn)定極化電場，其方向由電極指向溶液，電極電勢差。當(dāng)外電路開路時(shí)（即不接外電阻R），電路中

4、沒有電流，除AC、DB間外，CD間電場強(qiáng)度處處為零，各點(diǎn)電勢相等，電解液沒有電流，正負(fù)離子只做無規(guī)則熱運(yùn)動，離子濃度處處相等,由熱運(yùn)動的均等性可知，任取一截面正負(fù)離子絕對值之和相等1。以上分析也是化學(xué)原電池的原理，以中學(xué)常見的鋅酸電池為例，溶液為稀硫酸，則鋅片為負(fù)極會隨電池的使用慢慢溶解腐蝕。在正極銅板或碳棒處會看見硫酸中的氫離子被還原成氫氣而釋放。若外電路閉合，則電路中有電流通過，具體又可分成接上電阻（負(fù)載）或另一電源兩種。前者是化學(xué)電池放電，在兩極電場作用下（方向由正極到負(fù)極），負(fù)極B處的電子經(jīng)外電路的電阻R流到正極A處與正電荷（正離子）中和，形成由正極A到負(fù)極B的電流，使兩電極上的正負(fù)電

5、荷減少，溶液中電極附近的極化電場被削弱，此時(shí)聚集在DC間的多余正負(fù)離子在D、C間形成另一電場，方向由D指向C，DC間有電勢差（內(nèi)電壓）,于是溶液中出現(xiàn)電流,方向由負(fù)極到正極。可見就是這個電場輸運(yùn)著溶液中電荷形成電流，其間形成電流的電荷是溶液中正負(fù)離子朝相反方向的漂移。電池內(nèi)阻,其值會隨溶液中單位體積電荷數(shù)即離子濃度n減小而增大?？梢娫陔姵貎?nèi)部，除兩電極附近處，形成電流主要還是靠電場的作用。后者接電源就是電源的充電或電解電鍍裝置。如果是充電，原電池的鋅板B接外電源的負(fù)極，銅板或碳棒A接電源的正極。由于外電源電動勢大于原電池的電動勢，與放電不同電流從銅板流入，從鋅極流出，銅板上電子減少，鋅板上電子

6、增多，破壞電極附近電偶極層內(nèi)的平衡狀態(tài)，促使化學(xué)反應(yīng)速度加快以維持兩極處電場間的電勢差不變，其結(jié)果是增加了溶液中正負(fù)離子的濃度n，提高電池電量的儲存，減小了電池內(nèi)阻。其過程將外界的其他能轉(zhuǎn)化為電源的電能。如果是電解或電鍍，電解槽（相當(dāng)原電池）中的陰極B（掛電解提純件或電鍍的鍍件）接外電源的負(fù)極，陽極A接外電源的正極。同樣在兩極處發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，在外電源作用下，電流從陽極A流入，從陰極B（鍍件）流出，破壞電極附近電偶極層內(nèi)的平衡狀態(tài)，提高了兩極處化學(xué)反應(yīng)速度，加快正離子在陰極處的還原。其過程是將外界的電能轉(zhuǎn)化成其他能（如化學(xué)能）。原電池內(nèi)電場的分布，也可以從場強(qiáng)合成分析。正極A板聚集正電荷，負(fù)

7、極B板聚集負(fù)電荷，在溶液中，形成方向由A指向B的外電場,原電池內(nèi)C、D也聚集著正負(fù)離子，形成由D指向C的另一極化電場（類似于靜電場中導(dǎo)體的感應(yīng)電荷形成的感應(yīng)電場）。不接負(fù)載時(shí)，這兩個電場等值反向，C、D間合場強(qiáng)為零，所以C、D間電勢處處相等。接上負(fù)載后，由于電源放電，外電場小于極化電場，在C、D間合場強(qiáng)不為零，方向由D指向C，使正負(fù)離子定向移動，形成內(nèi)電路電流。當(dāng)接上外電源時(shí)，外電場大于極化電場，使C、D間合場強(qiáng)不為零，方向由C指向D，使正負(fù)離子定向移動,形成充電電流。二。關(guān)于電動勢教學(xué)的討論分析了原電池原理，自然要提到電動勢教學(xué)。從上面分析討論中可得到，若用電壓表測得AC間電壓及DB間電壓，

8、發(fā)現(xiàn)為一常數(shù)，與電源空載（開路）和加載（閉合）無關(guān)。其值就是電源的電動勢 。而用電壓表測得的AB間電壓稱為外電壓，測得DC間電壓為內(nèi)電壓，其和也等于電源電動勢大小 。前者揭示電動勢形成的本質(zhì)，后者只表明電動勢與內(nèi)外電壓關(guān)系，不能混淆。曾聽了一節(jié)高二電動勢教學(xué)觀摩課2，其基本思路就是與上面討論相似，從化學(xué)電源內(nèi)部電場電勢差講起，再引入電動勢定義。與傳統(tǒng)的電動勢教學(xué)比較充滿新意。評課老師的評價(jià)是有創(chuàng)新教學(xué)。但筆者以為教學(xué)僅僅體現(xiàn)了“新” 與“奇”不足為倡。傳統(tǒng)電動勢教學(xué)，一種是從非靜電力做功定義電動勢，進(jìn)而簡單分析在電源內(nèi)部，非靜電力對電荷做功（實(shí)質(zhì)是僅限于電極附近），使正電荷（正離子）向正極，負(fù)

9、電荷（負(fù)離子）向負(fù)極做定向移動，形成電流從負(fù)極流向正極。屬以理論推導(dǎo)為主。另一種是從實(shí)驗(yàn)研究入手，通過對鋅酸電池電極和電極附近探針的測量，分別測出內(nèi)外電路的電壓，尋找內(nèi)外電壓的關(guān)系，進(jìn)而定義電動勢，并分析電源電動勢與內(nèi)外電壓的關(guān)系。兩種方法共同之處，就是省略了詳細(xì)分析電池內(nèi)部化學(xué)作用形成電動勢的機(jī)理，及內(nèi)部電場的分布情況。也就是說，前者（觀摩課）教學(xué)重點(diǎn)在電動勢形成的微觀機(jī)理上，后者（傳統(tǒng)課）側(cè)重于電動勢的宏觀表述上，各有特色。從教學(xué)教法上講均是可取的。但就高中教學(xué)上而言，本人以為傳統(tǒng)教學(xué)更符合中學(xué)教學(xué)的要求。理由是：其一，中學(xué)只需要學(xué)生掌握電動勢這一概念，會應(yīng)用這一知識處理相關(guān)電路問題。不必

10、詳細(xì)追究其形成過程。即使在大學(xué)普通物理教材中3，原電池（丹聶耳電池）也只是作為參考知識，作為選學(xué)內(nèi)容以小字體形式出現(xiàn)。也就是說，大學(xué)都不將其作為必修的，何況中學(xué)！其二，增加電動勢微觀形成機(jī)理的探究，勢必增加學(xué)生不必要的負(fù)擔(dān)，出現(xiàn)與微觀形成相關(guān)的練習(xí)如文章開頭的習(xí)題。這對學(xué)生掌握及鞏固電動勢的概念無用。于課標(biāo)要求相悖。其三，這種電動勢微觀形成的機(jī)理，也只是化學(xué)電源成立，對于其他電源，如太陽能電池，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理的發(fā)電機(jī)電源,等離子體電源等并不適用,不具普遍意義。如果是對教師培訓(xùn), 此觀摩課教學(xué)還是可行的,他提高了教師業(yè)務(wù)水平,使教師能站在比較高的位置,俯視教學(xué)內(nèi)容,能對一些學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行提

11、高教學(xué)。但在中學(xué)一般課堂教學(xué)卻是不應(yīng)該，不提倡的.其弊大于利。查遍歷年高中物理課本，不管是文革前或文革后，從甲種本到選修必修教材，不管是人教版或其他地方版，都不見在電動勢教材中探討化學(xué)電動勢的形成機(jī)理。化學(xué)原電池的形成在化學(xué)課程4 5有專門學(xué)習(xí),高中物理不能越俎代庖。出現(xiàn)這種情況，主要是對中學(xué)課標(biāo)要求(即原來稱之為教學(xué)大綱)掌握不妥.對教學(xué)定位的理解錯位引起的。而提到定位問題，又不得不牽涉到高考改革。三，關(guān)于高考改革的思考如今的高考改革陷進(jìn)了一個怪圈。一邊是為了減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)，設(shè)置了必考選考制。以為可以通過選考減輕學(xué)生學(xué)習(xí)壓力，以便讓學(xué)生有更多時(shí)間開展研究性學(xué)習(xí)，拓展學(xué)習(xí)空間，增加動手等實(shí)踐活動

12、。而實(shí)際上這種選考到了學(xué)校卻成了選教。比如物理科3-3的熱學(xué)與3-5的動量原子物理是屬選考內(nèi)容，選教熱學(xué)或原子物理學(xué)已成教學(xué)的“潛規(guī)則”，選考的就教，不考的就刪。本來中學(xué)物理力、熱、電、光、原五部分知識完整，現(xiàn)在殘缺不全了。在很多中學(xué)中，刪除3-3熱學(xué)內(nèi)容。而實(shí)際上熱學(xué)知識與自然科學(xué)和人文科學(xué)關(guān)系非常密切，刪之可惜啊。升到大學(xué)讀理科的學(xué)生熱學(xué)空白，讀文科的缺少必要的常識。另一邊學(xué)校在必考科目中又大做文章，隨意拓展知識深度，名曰探索教學(xué)。限于中學(xué)生的年齡及心理思維特征，中學(xué)階段有特定的教學(xué)要求，一切教學(xué)活動都應(yīng)該在課標(biāo)要求（即以前的教學(xué)大綱）框架內(nèi)進(jìn)行。如何把握好這一點(diǎn)，是搞好教學(xué)的首要問題。但

13、在這點(diǎn)上，教學(xué)的把握并不見得很好。比如說上面提到的電動勢觀摩課教學(xué)就有隨意拔高之嫌。這種情況在教學(xué)中并不少見，同時(shí)也反映在高考的命題上。自從高考命題權(quán)下放到省，高考命題班子從原來全國命題中心轉(zhuǎn)變?yōu)楦魇∨R時(shí)命題組，人員從專職到隨機(jī)組合。筆者以為命題缺少了命題中心原有的連貫性和規(guī)范性。以本省（福建）為例，2010和2011兩年理綜物理高考試題都出現(xiàn)了據(jù)評價(jià)是為考查學(xué)生能力的新題。卷中提示 “物理學(xué)中有些問題的結(jié)論不一定必須通過計(jì)算才能驗(yàn)證，有時(shí)只需通過一定的分析就可以判斷結(jié)論是否正確。”如2010年18題分析判斷如圖3關(guān)于點(diǎn)處電場和2011年分析判斷如圖4繩子拉力T1正確的表達(dá)式”（其中滑輪有一定

14、大小，質(zhì)量為且分布均勻的）的選擇題及如圖5的在正交電磁場中運(yùn)動電荷的第22計(jì)算題5。這些題目有個共同特點(diǎn)就是高中物理課標(biāo)中沒有要求，而在物理競賽輔導(dǎo)中都有詳細(xì)學(xué)習(xí)。也就是說，這種題目雖然對學(xué)生的能力有一定區(qū)分度，但選擇題區(qū)分的不是分析判斷能力而是猜題運(yùn)氣。同屆的考生，有參加競賽輔導(dǎo)和沒有參加結(jié)果大相徑庭。體現(xiàn)在幾乎是道死題的2011年第22計(jì)算題，有解答的也是按競賽方法用速度合成而非用參考答案的按諧振動方法求解。高考的權(quán)威性體現(xiàn)在“公開，公平，公正”的“三公”性上，這樣的試題還有權(quán)威性嗎？各校為高考成績計(jì)，教學(xué)上勢必加碼，增加學(xué)生的負(fù)擔(dān)。命題所起的導(dǎo)向作用，只能是將中學(xué)物理教學(xué)引向歧途。這種教學(xué)定位的偏差，使中學(xué)成了高考預(yù)科班，迷失了高中階段基礎(chǔ)教育的原目標(biāo)。我們懷念上世紀(jì)90年代末的物理高考試題，既有一定的難度和區(qū)分度，又不超出中學(xué)大綱要求。本人以為，減負(fù)關(guān)鍵不在選考和必考，而是對教材和教學(xué)的把握。在中學(xué)一線的教師，哪個不感覺到當(dāng)前中學(xué)教學(xué)負(fù)擔(dān)是越減越重，負(fù)越減學(xué)生的時(shí)間越少，負(fù)越減學(xué)生空間越小嗎？高考應(yīng)該改革，但必須是真正有利于中學(xué)教學(xué)，有利于學(xué)生發(fā)展，有利于高校選拔人才和體現(xiàn)“三公性”，而不是花架子。還有那已違背選拔奇才偏才的初衷，近乎專為某些人開