电势与电势差的教学探讨
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摘 要:本文针对高中物理选修《电势和电势差》这一节,做难点形成分析,比较粤教版、山东科技版对这一节的设计处理,经由突破难点的思想基础分析,提出对这节书中多个物理量之间联系的处理建议。
关键词:电势和电势差 电场的描述 概念间的联系
《电势与电势差》这一节内容是高中物理电场一章中重要的概念课,它是理解“场”的概念、认识“场”的描述工具的重要过程,后面又涉及很多物理情景中的分析、理解和应用。只有正确理解电场和各种描述工具,才能在面对用任一种工具所描述的电场中,都能够建立清晰的物理情景。但这一节教材内容的教学一直是高中物理教学的难点之一。本文仅就难点的形成进行分析,并结合多种教材的处理,进行一些教学思路上的探讨。
一、难点形成的原因分析
从教材结构来看,电势与电势差这一节教材中包括了电场力做功、电势差、电势、电势能四个全新的物理概念,概念较为抽象,涉及的知识面广。
电场是力学结束后,电学开始的第一章,无论是高一的力学还是初中学习过的电路知识,都是可以实际看得见摸得着的实物形式,而电场是第一个学习的“场”的形式的物质。这一抽象的物质形式在生活实际中较少被直接地感受到,更别说是“看到、摸到”;而电场的描述工具:电场线、电场强度等,相对与旧知识缺少类比,较少有实际的实验可以帮助形成概念,学生对这种“物质形式”的接受要有一个过程。而电势和电势差这两个物理概念更是专门用于描述电场的“能的性质”的物理量,在以前学过的物理量中少有相同的可以借鉴的经验。学生的思想认识水平很难跃上这两个台阶。
学生更容易接受直观的、分类清晰的、有严格因果关系的思维过程。许多教师在教学中往往把大量精力集中于这四个物理量的引入讲解,却忽视了对这四个物理量的内在联系的讲解,造成学生头脑中的这些概念是一个个独立的点,难以形成一个网,而在应用中感到混乱。如何克服这种混乱是教学中的另一个难点。
二、各教材的处理方法
考虑到学生的知识积累和认知接受能力,由于学生刚从力学的学习过程中走过来,必修部分后半内容讲的是机械能,所以由电场力做功来引入较为从容。教材多是从电场力做功与重力势能的相互类比来引入这一节。
粤教版中从电场力做功引入两条思路,一条是做功联系到电势能的改变,同时类比重力势能的变化;一条是理论分析电场力做功与移动的电荷有关,不能用于反映电场的性质,以比值定义电势差用于描述电场。然后再顺着后一条思路,类比高度和高度差,定义电势。(如下图)教材中有电势能的改变的计算,没有具体讲到电势能的定义。
山东科技出版社的教材则略有不同,是一条思路讲述完成的。从电场力做功开始,类比重力做功、引入参考点,从而先引入电势能的概念,明确电场力做功引起电势能的变化。再由电势能与电荷有关不能用于描述电场而引入电势的概念。最后由高度和高度差的类比,由电势引入电势差的概念。
三、突破难点的思想基础
本节教材的一个难点是这几个概念的形成,另一个难点是这几个概念之间的内在联系。本文重点探讨后一个难点的处理。对于以上两种教材的处理方法,笔者更倾向于粤教版的方法。因为面对较多的物理量用于描述同一个物理情景时,这些物理量之间呈网状的形式比呈线状的形式,更容易接受。如果在这些概念间形成一个“回路”更有利于学生的学习和掌握。
这四个物理量中,电势能、电场力做功与电荷有关,电势和电势差是描述电场的与电荷无关,电场力做功、电势差是与功有关的物理量,电势能、电势是与能有关的物理量。
四、突破教学难点的思路设计
四个物理量之间公式较多,一个清晰的关系图有助于学生理清思路。下面以一个图表的形式描述这几个物理量的关系。
由电场力做功分两条思路分别经电势差和电势能的变化讲述到电势为止。
第一次:由电场力做功与电荷有关引入电势差,取电场力做功和电荷的比值定义为电势差,再由电势差即为电势之差,引入参考点,引入电势。
第二次:由电场力做功和功能关系引入电势能的变化,再由选定参考点引入电势能,由于电势能与电荷有关,而引入电势。
同是从电场力做功出发,经由两种方向都引入到电势的概念。这样网状的讲述,有助于学生形成四者相互关联的印象,图中的所有的箭头都只是这次推导的方向,都可以逆向推导,即:由一个物理量就可以计算到每个物理量(在已知电荷量和参考点的情况下)。且由图表的帮助,有利于加深印象。该图中左边两项都与电荷有关,右边两项都与电荷无关,专门用于描述电场。上边两项是与功有关,有过程量;下边两项是与能有关,电势能和电势都是状态量。而且每个物理量都和相邻的两个物理量有直接的公式计算。
参考文献:
1.普通高中课程标准实验教科书.物理选修3-1.广东教育出版社
2.普通高中课程标准实验教科书.物理选修3-1.山东科学技术出版社
作者单位:广东省广州市番禺区祈福英语实验学校