論電場強度概念的教學(xué)

1、論電場強度概念的教學(xué) 問題的提出電場強度是高中物理教學(xué)內(nèi)容中的重要概念.長期以來,教材在引入時通常是沿用普通物理的處理方法,即只講電場強度是檢驗電荷在電場中某點受到的電場力與電量的比值是一個常量,這個常量與檢驗電荷無關(guān),只與電場本身的屬性有關(guān),所以定義這個比值叫做該點的電場強度,而不講為什么要用電場力與電量進行比較的原因.這種情況就使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中對于電場強度概念的定義始終處于一種“知其然而不知其所以然”的境地,從而在一定程度上影響了學(xué)習(xí)的效果.有鑒于此,本文擬結(jié)合有關(guān)教材對電場強度概念引入方式的比較分析,探討電場強度概念的恰當(dāng)引入方式,以期對中學(xué)物理概念教學(xué)有所裨益。 2 人教版教材電場強度

2、概念引入方式的分析對于電場強度概念,人民教育出版社出版的全日制普通高級中學(xué)教科書5物理6(第二冊)是這樣引入的。研究電場,必須在電場中放入電荷.這個電荷的電荷量應(yīng)當(dāng)充分小,放入之后,不致影響原來的電場.體積要充分小,便于用來研究電場中各點的情況.這樣的電荷稱為試探電荷.  把試探電荷q放在電荷Q產(chǎn)生的電場中(如圖1所示),電荷q在電場中的不同點受到的電場力的大小一般是不同的,這表示各點的電場強弱不同.電荷q在距Q較近的A點,受到的電場力大,表示這點的電場強;電荷q在距Q較遠的B點,受到的電場力小,表示這點的電場弱.但是,我們不能直接用電場力的大小表示電場的強弱,因為不同的電荷q在電場

3、的同一點所受的電場力F是不同的.實驗表明,在電場的同一點,比值F/q是恒定的;在電場的不同點,F/q比值一般是不同的.這個比值由電荷q在電場中的位置所決定,跟電荷q無關(guān),是反映電場性質(zhì)的物理量.在物理學(xué)中,就用比值F/q來表示電場的強弱.放入電場中某點的電荷所受的電場力F跟它的電荷量q的比值,叫做該點的電場強度,簡稱場強,用E表示電場強度,則有E=F/q.我們的研究表明,該教材對電場強度概念引入的處理存在著邏輯上的缺陷.我們知道,電場強度是從力的角度描寫電場各處強弱及方向的物理量.因此,如果要引入電場強度這個物理量,就需要在電場中放入電荷.然而,直接用電場力表示電場的強弱是不行的.但其原因不僅

4、是/因為不同的電荷q在電場中同一點所受的電場力是不同的,更是因為,如果這樣做,就可能會出現(xiàn)離場源電荷Q近的地方電荷受的電場力小(如果在該點放置一個電量較小的電荷),而離場源電荷Q遠的地方電荷受的電場力大這樣的情況(如果在該點放置一個電量較大的電荷),從而得出離場源電荷Q近的地方電場強度小,而離場源電荷Q遠的地方電場強度大的錯誤結(jié)論.原因何在呢?原來,出現(xiàn)上述佯謬的根本原因在于,直接把兩個不同的電荷q放在電場中的不同點所受的電場力F進行比較是沒有意義的.這是因為,在做比較時必須要有相同的標(biāo)準.只有具備了相同的標(biāo)準,才能使比較的結(jié)果有意義.那么,如果兩個電荷q的電量不相同怎么辦呢?根據(jù)比較的要求,

5、就需要把它們的電量"變"成相同.而這種"變"的方法,就是把兩個不同的電荷q放在電場中的不同點所受的電場力F與各自的電量相比,而比的結(jié)果就“變”成了單位電荷所受的電場力,這正是電場強度的定義.因此,在電場強度概念引入的過程中,如果在電場中同一點放置不同電量的兩個電荷,由于其比值F/q是恒定的,所以,無法比較電場的強弱.相反,如果在電場中的不同點放置不同電量的電荷,由于其比值F/q是不同的,因此,可由其比值判斷電場的強弱.然后再在電場中同一點放置不同電量的電荷,由于F/q是一個常量,它是一個反映電場性質(zhì)的物理量.這樣的邏輯關(guān)系,才使電場強度定義的引入水到渠成

6、. 3 北師大版教材電場強度概念引入方式的分析由教育部基礎(chǔ)教育司<高中物理課程改革與實驗>課題組編寫的全日制普通高級中學(xué)教科書<物理>(第二冊)是這樣引入電場強度概念的。 電場的最基本的特性就是對處在電場中的電荷有力的作用。在圖2中,Q是一個正電荷,它的周圍存在著電場(Q也可稱為場電荷)。將同一個電荷很小的點電荷(又叫檢驗電荷)放在電場中a,b,c,等不同的位置,檢驗電荷在這些點受到的電場力Fa,Fb,Fc,是不同的。這說明電場中不同的位置電場的強弱是不同的。如果把電荷分別為q1,q2,q3,的檢驗電荷放在電場中的同一點上,各檢驗電荷所受電場力分別為F1,F2,F3,也

7、是不同的。但是,電場力與相應(yīng)電荷的比值F1/q1,F2/q2,F3/q3,卻是一個常量。這個常量與檢驗電荷無關(guān)。在電場中不同位置上,這個常量是不同的?？磥?這個常量與檢驗電荷無關(guān),只與電場本身的屬性有關(guān)。物理學(xué)中就把檢驗電荷在電場中某點受到的電場力F與電荷q的比值,叫做該點的電場強度,簡稱場強,用E表示電場強度,寫成公式是E=F/q。我們的研究表明,上述教材關(guān)于電場強度概念的引入同樣存在著邏輯上的缺陷。因為,比值定義法采用兩個或多個物理量相比來定義一個新的物理量,不是因為其比值恰好是一個常量,而是因為通過比較可以達到選取相同比較標(biāo)準的目的,使比較的結(jié)果有意義,從而定義一個新的物理量。而該教材在

8、編寫時忽視了比值定義法運用時的一個關(guān)鍵問題為什么要用兩個物理量相比來定義一個新的物理量。只回答是什么(比值是常量)而不回答為什么(為什么要比),這是該教材對于電場強度定義處理的根本缺陷。其實,對于目前教材中電場強度概念引入方式的缺陷,物理教育工作者已經(jīng)有所覺察并做了相應(yīng)的研究。比如,有研究認為:“電場強度是一個非常重要而又十分抽象的概念,課本上通過檢驗電荷受到的力與檢驗電荷電量的大小的比值對某一點來說是一個常量這一本質(zhì)屬性來定義電場強度這個物理量。實際上這個概念的建立不是很順利的,學(xué)生有一個思維障礙,即為什么要用這種方法來測試電場的強弱,造成學(xué)生在方法認識上沒有主動性,這屬于一種元認知困難?！?/p>

9、針對這個問題,我們使用一個遷移方法來解決這一難題。以下是教學(xué)片段例舉:師:同學(xué)們,我們現(xiàn)在來研究一個問題,如何測定風(fēng)力的強弱?(提示:應(yīng)該使用風(fēng)的什么性質(zhì)?風(fēng)對阻擋物有力的作用。)生:用一個物體去擋風(fēng),測試力的大小。師:物體受到的風(fēng)力大小與哪些因素有關(guān)呢?生:與阻擋風(fēng)的面積大小有關(guān)。師:風(fēng)力大小與擋風(fēng)面積之間存在什么關(guān)系?生:風(fēng)力大小正比于擋風(fēng)面積。師:那么我們可以將風(fēng)力F與擋風(fēng)面積S間關(guān)系表示成F=kS,那么k=F/S,討論k的意義。生:k的大小實際上表征了所測點的風(fēng)力強度。這段討論給學(xué)生啟示了一種測量物理量強度的方法。擋風(fēng)面積S的引入起測量作用。測量點的風(fēng)力強度與引入擋風(fēng)面積大小或是否測量

10、無關(guān)。這是風(fēng)力的客觀性。在這種思考的引導(dǎo)下,再引入電場強度的測量(定義)E=F/q就非常容易理解了。上述研究具有一定的啟發(fā)意義,但仍然沒有很好地解決為什么要用電場力與電量進行比較來定義電場強度的問題。這說明,對于這個問題,仍然需要繼續(xù)進行研究。4 電場強度概念引入的教學(xué)設(shè)計根據(jù)上述分析,我們提出如下電場強度概念的教學(xué)設(shè)計。電場最基本的特性就是對放在電場中的電荷有力的作用。為了描述電場的這種特性,就需要引入一個新的物理量。而引入新物理量的思路就是在電場中的不同點放置不同的電荷,用電荷所受電場力的大小來描述電場中不同點電場的強弱。然而,直接用電場力的大小來表示電場的強弱卻存在著問題。這是因為,如果在離場源電荷Q較近處放置一個電量較小的電荷而在離場源電荷Q較遠處放置一個電量較大的電荷,就會出現(xiàn)前者所受的電場力較小而后者所受的電場力較大這樣的情況,從而得出離場源電荷Q近的地方電場強度小,而離場源電荷Q遠的地方電場強度大的錯誤結(jié)論。解決這個問題的關(guān)鍵,是要在比較兩種情況下電場力的大小時采用相同的標(biāo)準即兩種情況下電荷的電量是相同的。為滿足這個條件,只需將兩種情況下不同電量的電荷所受的電場力與相應(yīng)電荷的電量相比即可。因為比的結(jié)果即是單位電荷所受的電場力,它滿足了比較必