电势和电势差

《电势和电势差》教学设计新思路上传：董飞发表时间：2009-12-1615:40:34天气状况："心情指数：《电势和电势差》教学设计新思路摘要：本文对电势和电势差的教学设计提出新的教学思路。核心问题在于物理概念的得出是直接从电场本质去探究，还是间接地采用电场力做功与电量的比值定义。比值定义法是物理课本常用定义概念的方法，往往无法揭示概念与概念之间的内在联系问题。作者认为这种沿用了很长时间的方法存在科学性问题，就此对电势和电势差教学思路重新设计，希望与同行一起探讨，不当之处请原谅。关键字：电势、电势差、比值定义法、物理本质、电场能量模型正文：电势和电势差是《电场》中基础的物理概念，也是高中物理中比较抽象的概念之一。教材中，由于电势和电势差都采用比值法来定义，使用更为抽象、学生更难理解的电势能和电场力做功两个新概念，大大增加理解的难度，更远离了概念的物理本质。作者尝试用新的教学设计思路来回避比值定义物理概念引发的误区，取得了良好的教学效果，撰写本文与同行交流。一、教材设计思路 个让学生钻入迷宫的的设计，能够融汇贯通解脱出来的是优生。1、电势能与电场力做功：准确理解电场力做功是引入电势差的前提，所以教材开篇就下大力气将学引入第一个“迷室”。该室中有以下“迷局”——难点。（1） 、电场力做功：电荷在电场中一定受到电场力，电荷在电场中移动，电场力会做功（有待商榷）。电场力做功这一新概念从无到有，突然进入学生的视野，往往使学生不知所措。电场力做功比重力做功复杂的多：重力做功只有高度下降和高度上升两种情况，电场力做功则有四种情况：正（负）电荷顺（逆）着电场线移动。用一个模糊的概念去理解另一个新概念，只能使学生对新概念的物理本质渐行渐远。（2） 、电场力做功跟电荷移动的路径无关，只由电荷的始末位置决定。教材中采用重力场与电场对比的方法实现知识迁移，这是一种很有效的教学方法。但这也无形中提高了学生理解电势差的“门槛”，只有对重力场情况掌握良好的学生才能够顺利地实现知识迁移，而对更多知识掌握不牢固的学生来说则是用一个“难点”遮挡另一个“难点”，在通往目标的道路上平添出一个新障碍。当然，如果是对能温故而知新的学生，制造多一些障碍，或许还是一件好事。（3） 、电场力做功与电势能的变化。概念的凭空出世同样会令学生大惊失色，这与第一点中电场力做功概念的突然出现相同。电势能概念的引入和电势能的变化与电场力做功的反向变动关系对学生理解电势差概念弊大于利，产生干扰作用。用一堆难点、不分主次顺序聚集在初学的众多学习层次的学生面前，能够理清头序已经很不容易，况且这只是一个介绍新概念的一个知识准备过程，笔者以为很不合适。2、比值法定义电势差这一步是揭示电势差这个物理量物理意义的关键步骤，而比值定义法则将学生引入第二个“迷室”。使学生的注意力从电势差描述电场本身能量特性的本质误导去关注电量对电场力做功的影响关系上，从而对电势差物理本质的认识渐行渐远，效果上“搞错对象”，使学生感到不学还有点明白，越学越不清楚。这个“迷室”设的是一个“调虎离山”的局，具体表现到下面几方面。（1） 、比值法有时不适合定义物理概念，而应当更恰当地称为比值测量法；教材中的定义：电场中A、B两点之间的电势差在数值上等于把单位正电荷从A点移到B点时电场力所做的功。两个与电势差无本质关联的物理量（电量和电场力做功）的比值不变只能反映出三个物理量之间的数学关系，可用于测量电势差的数值。但它们之间并没有物理本质上的决定关系，不能建立相等关系。这也直接导致教学中学生在“数值上相等”的理解模糊不清，无法深入探寻电势差的物理意义。因此，用试探电荷在电场中移动所做的功来“数值相等”电场中两点间的电势差，更像是一次测量实验，用来定义电势差则将简单的问题变得复杂，不利于学生直接面对电场这个研究对象。（2） 、电势差是静止的状态量，而电场力做功是动态的过程量，两者物理意义相距甚远，无法相等;电势差描述电场中空间两点的差异，由电场本身的特性决定，与试探电荷无关。它反映出电场在不同空间位置的相对情况，是静止的状态量。而电场力做功则依赖试探电荷。当试探电荷在电场中移动时电场力做功就反映出电场中不同位置的能量特性差异。这种差异是引起电场力做功的原因，电场力做功则是结果，不能用现象来定义原因的本质。电场力做功是动态的物理过程，用于定义初末位置电场的静态特性不恰当，阻塞学生深入认识电场本质特性发展途径。3、 引出零电势点：零电势点的人为规定目的在于由电势差概念导出电势，起到连接的作用。4、 比值法定义电势：在电场能量模型还不清晰，电场力做功问题还没消化理解前提下，电势的概念更加模糊。学生只能全力去从电场力做功的角度去努力，忽视了电势本是电场的自身属性的本质。在教学实践中，很多老师和学生公认这一节内容难学难教。物理概念多，抽象，物理概念之间的联系复杂。而教材编排时在内容处理上存在几点问题：一、没根据学生的认知能力由简到难设计教学流程；二、采用比值定义法使学生在理解概念的物理本质上走弯路；三、难点过分集中，且没有有效的知识铺垫，特别是电场力做功规律对学生理解电场本质造成很大困难。综合上述，本人以为教学中要对教材进行重大修改，根据学生的认知规律和教学内容的内在联系进行更为科学的组织设计，尽量减少学生学习过程中的无效阻力，让学生集中力量接近并思考电场本质的属性问题，建立起完整的电场能量模型。二、新设计思路 个从物理本质出发的设计，普通学生能一步一步认识概念的捷径。1、电势能：电荷在电场中不仅受到力，还具有能，这个物理事实可以直接告知学生。电势能的概念比较抽象，通过物理实验直接展示电势能在高中阶段很难做到。由于电势能是一个静态的物理概念，除间接采用做功的动态过程感知能的存在外，很难用其它途径解释清楚电势能的本质。考虑到间接感知的方法会增加学生理解的门槛和使问题复杂化，干脆将电势能存在的事实直接传授给学生，而把探究电势能物理意义的任务留给学生日后思考。给学生预留出自由思考的空间可能比塞入一大堆间接解释更好。之后，还可以直接将电势能的表达式呈现出来。从表达式中，学生可以很容易理解到影响电势能的两方面因素：试探电荷和电势（学生尚未知）。试探电荷是电势能存在的电场外因素，而电势则来自于电场本身的特性，学生的查因对象很容易找对，并激起对末知概念电势的探求动机。小节：教学中我们可以直接传授一些科学知识，同时留下一些思考空间，既可以避免少走弯路，又可以把握问题的主线。2、电势:学生在认识到电势能的存在依赖电场内外两方面因素之后，很自然就会去思考电场内因素是如何影响电势能的？这就打开了探究电势物理意义的大门。教学中，将电势能的表达式进行数学变换得到电势的比值表达式。此时，不急着去说明电势能与电量成正比的增加，它们的比值是一个常数。而是要让学生去思考电势与试探电荷之间是否存在直接决定关系。只要学生理解到电势与试探电荷无关，电势由电场本身更深奥的原因（场源和位置）决定，就不容易犯“成正比、成反比”的错误，更深刻地认识到该表达式只是一个数学表达式，仅可用于试验测量电势的值。接着，把“沿着电场线的方向电势越来越低”的基本规律直接传授给学生。从这条规律中：学生一方面更清楚地认识到电势与试探电荷无关，另一方面认识到在电场中不同的位置电势的值不同，从而有必要用电势来描述电场中不同位置能量特性不同的必要。最后：还要告诉学生电势就是初中所学的电压，将学生和新旧知识对接上，消除抽象概念引发的学习畏惧心理，激发好奇的探究心理。3、零电势点：知道沿着电场线的方向电势越来越低的规律之后，就面临一个电势高低的问题。此时可借用高度与电势进行对比教学。零电势点是人为规定的电势为零（比较基准）的点。零电势点一旦确定，电势的正负的物理意义立即跃然纸上。同时，学生也能自然感悟到电场中同一点的电势相对于不同的零电势点的值不同。电场是一种客观存在的物质，但看不见，摸不着，语言或符号表述往往力不从心，所以物理学采用了电场线的图形表达方式，可以很直观反映出电场中不同位置的特性差异，即用电场能量模型反映客观存在的电场。4、电势差：电势的概念初步形成后，电势差的概念则水到渠成。电势是电场中某点相对于零电势点的电势差，电势差则是电场中两点间的电势高低差值，两者在本质上是完全相同的，区别在于描述的用途和方式不同。电势是与电场中某个“点”相对应，电势差则是两个“点”之间的相互比较，零电势点的选择对它们的值的影响不同。建立了电场中电势的高低模型之后，可以更好感受电场能量特性，并为更进一步学习提供了知识基础。此时要强调电势差的数学表达方式，认识到电势差的相对性在表达形式上的差异与联系。5、电场力做功:有了电场的能量特性模型（电势的高低模型）之后，研究试探电荷在电场中移动过程中电场力所做的功则是一个应用过程，它间接反映出电场中不同位置对同一电荷的能量特性不同，并在电场力做功的过程中电势能与其它形式能量发生转化。教学中可以先复习重力在重力场做功的情况，再用类比的方法将相似的规律从重力场中迁移到电场。同时还要指出电场中要比重力场复杂，分四种情况分析正负电荷顺（逆）着电场线移动的做功情况。在知识应用的过程中，可以直观地让学生对电场能量特性模型进行反思，更深入地理解掌握电场的客观物质性。6、电场力做功与电势能变化的关系：电势能是试探电荷在电场中某个“点”的能量，它从能量角度反映出电荷与电场相互作用综合结果。电势能是一个静态的物理概念，与电场中的位置相对应。电场力做功则动态地反映出当电荷在电场中移动时，在不同位置电势能不同，多余的电势能转化成其它能量，不足的则由其它形式能量转化为电势能。电场力做功与电势能变化在数量上相等，在数学表达形式上相差一个负号，反映出做功与能量变化的反向变动关系。这部分知识与重力场中情况十分相似，教学中要做好对比异同，对原来的知识巩固，对新知识可以加深理解。7、电势能与其它能量的相互转化；这个环节进入知识综合应用阶段，要将动能定律和机械能守恒定律等能量规律扩展应用到电场问题中，用这种规律来探究电荷在电场中的能量转化问题。在只有电场力做功的情况下，电场力做功会导致电荷动能发生变化，而这种变化恰与电势能的变化相关联，它们之间保持能量总量守恒，能量形式在做功的过程中实现彼此转化。综合上述：七个教学环节可以合并成三个教学阶段：第一个阶段是电场能量模型的建立，形成电势能、电势、电势差三个反映能量特性的三个基础概念；第二个阶段是通过电场力做功这个动态过程来间接反映电场中不同位置的能量特性，利用电场力做功还可以测量出空间两点间的电势差的值，在反馈教学的过程中激发学生更深入思考电场自身能量分布特点，检验电场能量模型。第三个阶段是电场能量模型的应用，用已有的重力场知识和能量规律进行知识对比和迁移，综合应用知识分析电荷在电场中的能量问题。这个教学设计按循序渐进的思路把知识点从易到难、从简到繁一个一个的连接起来，每一个知识跨度都很小，很容易被初学者接受。同时，将知识点合理的重新组合，巧妙地绕过了比值定义造成的误区，使学生少走弯路，可以更集中精力思考电场本身的能量分布特性及其规律。既引导学生从繁杂的知识网络中解放出来，又开辟出学生深入思考电场自身物理特性的发展之路。教学中，通过上述两个教学设计方案对比和实践，感到物