人教版《物理》“第九章 静电场及其应用”教材编写说明

2020-02-10 03:02:41 中学物理·高中 2020年1期

摘?要:概括介绍新版人教版《物理》必修第三册第九章的编写说明,以使教师从核心素养角度进行教学.

关键词:核心素养;编写说明

文章编号:1008-4134(2020)01-0007?中图分类号:G633.7?文献标识码:B

作者简介:方贵荣(1964-),男,云南陆良人,本科,中学特级教师,硕士生导师,教育部“国培计划”专家,研究方向:课程教学論.

1?全章概述

本章是人教版《物理》必修三的第九章,也是高中学生学习电学的开始,其内容是高中阶段重要的基础内容之一,既是电磁学知识的基础,又是其他物理学知识的重要基础,是在过去教材传统内容上,选取了四节内容,重点介绍电荷的产生及其相互作用,电场的性质以及静电的防止与应用,把静电力做功及电势能方面的知识安排到下一章.这一章在研究方法上是应用力学中学习的力与运动的知识,对电荷的产生与中和、电荷的相互作用等现象的分析与讨论,其学习过程也是对力与运动规律的再学习过程.

本章共4节,其知识线索为:一是电荷的产生与属性.明确摩擦和感应是产生电荷的基本方式,电荷是物质的基本属性之一,电荷有正负两种,正负电荷会发生中和,对一个与外界不发生电荷交换的系统,电荷量不会发生变化.二是电荷间的相互作用规律.明确电荷间存在相互作用,同性相斥,异性相吸,作用规律为库仑定律(与电荷量的乘积成正比,与距离的平方成反比). 三是电场及其描述.明确电荷在其周围空间激发了电场,电场是一种客观存在,电荷间的相互作用力是通过电场产生的,电场有强弱,其大小与方向由电场强度进行定量描述,也可由电场线进行粗略的描述.四是静电的防止与利用.明确生产、生活中会产生大量静电,这些静电有时对人的生命财产是有害的,应该加以防止,有时又可以利用其为生产生活提供便利.

根据课程标准的要求,教材在保持知识的系统性基础上,更加注重物理学科核心素养的渗透.具体安排如下.

1.1?物理观念

教材从电荷产生的本质——物质的微观结构,试图让学生知道,电荷是物质的一种基本属性,从电场是一种客观存在,强调电场的物质性,进一步让学生建立世界是物质的这一重要观念.同时,教材试图通过静电感应、静电平衡等概念的建构过程,让学生进一步建立运动与相互作用观念.

1.2?科学思维

教材从点电荷概念的建构、试探电荷引入,到匀强电场、各种典型电荷系的电场线图景,为学生建立了不同的模型.同时,教材从电荷守恒定律的旁批(追寻守恒量)以及万有引力定律到电荷间相互作用力的类比及其旁批,到电场强度概念建构后的科学方法专栏——用物理量之比定义新物理量,渗透了科学思维方法教育.

1.3?科学探究

教材从点电荷概念的引入,从“实验事实说明,两个实际的带电体间的相互作用力与它们自身的大小、形状以及电荷分布都有关系.……”,到库仑定律分析多于两个电荷的情形的旁批——“实验表明,两个点电荷之间的作用力不因第三个点电荷的存在而改变”,试图让学生树立证据意识.同时,教材把建构电场强度概念的过程,设计为一个相对全面的探究过程,由分析推理得出的,“试探电荷在电场中某点受到的静电力与试探电荷的带电量之比是一个常数”作为一个假设,通过点电荷的电场进行验证,又从特殊的点电荷电场推广到一般带电体电场,试图让学生既理解科学探究的重要性在于对假设猜想的验证,又知道从特殊到一般,从一般到特殊的认识的基本形式.

1.4?科学态度

本章教材是学生第一次定量学习场概念,教材的逻辑是先研究电场强度,用定量的方法对电场进行描述,然后再介绍电场线可以形象地、直观地描述电场.这样的逻辑与物理学发展逻辑并不完全一致,但符合学习规律,以此培养学生实事求是的科学态度.同时,第四节静电的防止与利用,分别介绍生产生活中到处都可能产生静电,静电产生后可能给生产生活产生积极影响,也可能带来消极影响,甚至危及人民的生命财产安全,需要有效防止和利用.通过这样的学习,力图让学生建立一种任何事物都有两面性的辩证唯物主义思想认识,有利于学生形成正确的科学价值观.

课时安排建议:

第1节?电荷??1课时

第 2节?库仑定律??1课时

第3节?电场?电场强度?2课时

第4节?静电的防止与利用?1课时

2?具体说明

2.1?第一节教材

本节由电荷、感应起电、电荷守恒定律和元电荷四个知识点组成,属于本章的预备知识.静电现象的产生以及两种电荷在初中已有介绍,高中阶段侧重从物质微观结构的角度认识物体带电的本质,结合摩擦起电的分析,进一步提高学生理解产生电荷的机理.本节教材把感应起电作为一个小标题突显其教学价值,因为感应起电是电荷守恒定律的预备知识,又是后续内容静电平衡的基础知识,教材引入演示实验,通过用金属微观结构模型来解释,与摩擦起电形成内容上的有效呼应,使学生牢固建立起摩擦和感应是使物体带电的两种方式,其本质是使学生理解电荷的产生并不是创造了电荷,而是带电粒子发生转移,为学习电荷守恒定律埋下伏笔.电荷守恒定律是自然界最基本的规律之一,教材通过对各种电现象的分析,引导学生认识到电荷的转移从更大的系统看,电荷数量不变.电中性和电荷的中和是代数和为零,而不是带电粒子减少了.关于正负电子湮灭,主要让学生知道,随着物理学的发展,电荷守恒定律的内涵变大了,表述也变了.元电荷是学生接触到的第一个“量子化”概念,应该把握元电荷概念的建立基于实验事实,即迄今为止,在实验中能够找到的最小电荷就是e=1.6×10-19库仑,所有带电体所带电荷量一定是它的整数倍.进一步让学生理解带电是物质的属性,有质量也是物质的属性,提出比荷概念,通过计算电子的比荷,让学生了解基本粒子比荷也是描述其属性的一个物理量.

2.2?第二节教材

本节的核心内容是库仑定律,它不仅是电磁学的基本定律,也是物理学的基本定律.库仑定律阐明了电荷间的相互作用力规律(平方反比),这是整个电磁学大厦的基础.教材通过一个实验引入相互作用力与什么因素有关,力图引起学生的思考.进而类比万有引力定律,提出电荷间的相互作用力是否与电荷量的乘积成正比,与它们之间的距离成反比的猜想.进一步介紹库仑定律的具体内容.但从认识上看,要让学生知道,类比的结论需要实验证实,这就是教材旁批之用意.继而介绍库仑的扭秤实验验证了库仑定律的正确性.最后分析推理了有几个电荷存在的电荷系对某个电荷的作用等于各个电荷单独存在时施加的作用力的矢量和.这一结论的得出是通过旁批“实验表明”,再一次让学生认识到,得到一个物理结论必须有充分的证据.教材中,先给出库仑定律的内容,再来定义点电荷概念,也就是说,先使用了点电荷的概念,后定义点电荷概念,这是学生不易理解的,教材中旁批了点电荷类似力学中的质点,暗含着那里也是先讲了物体间的相互作用,再提出质点概念.但是点电荷作为一个理想模型的提出,要严格其程序,突显模型是对真实的物理研究对象,忽略次要因素,突出主要因素的抽象,所以教材中“实验事实说明,两个实际的带电体间的相互作用力与它们自身的大小、形状以及电荷分布都有关系.……带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们间的相互作用力的影响可以忽略时,这样的带电体可以看做带电的点,叫做点电荷.”这一思想需要教师引导学生仔细领悟.

另外,要引导学生思考,为什么要用库仑扭秤?难道不可以用测力计测量吗?回答就是,测力计测不了,静电力太小了,必须对静电力进行放大.扭秤的作用就是转换放大,这就是库仑扭秤设计的精髓所在.当然,库仑扭秤实验中还有一件事值得教师引导学生玩味,即库仑所在时代还没有电荷量的定量概念,因此,静电力与距离的平方成反比关系的验证相对容易些,而静电力与电荷量的关系遇到了难题.有两种说法,即拿两个完全相同的金属小球,让其中一个带上电,设电荷量为q,让它与不带电的金属小球接触后分开,一种是纯粹哲学思考,从对称性考虑,没有任何理由不认为,两个小球平分电荷量q,各有q/2的电荷量,以此类推,可以得到q/4、q/8、……另一种是测量它们对间隔同样距离的第三个带电小球的作用力相等,由此可以判断二者电荷量相等……教材用的是后一种说法,教师可以根据教学需要自行处理.

2.3?第三节教材

本节的主要内容是电场概念的建立与电场的描述.过去教材都是按照物理学发展线索,从静电力是超距作用还是近距作用的争论开始引入,本教材受篇幅限制,直接给出法拉第的“电荷周围存在着由它产生的电场”的观点.“场”是物理学中的一个重要概念,我们说它客观存在,但确实看不见又摸不着,过于抽象而难于理解.因此,在教学中,教师还是应该引导学生把静电力的产生分成两个步骤,即场源电荷激发了电场,电场对置于场中的电荷产生力的作用.置于场中的试探电荷所受的静电力也就是电场力的响应,把电场显示出来.怎样描述电场的强弱与方向?这是一个教学的难点,教师在教学中,可根据教材安排内容,引导学生由易到难,层层深入,逐步提高认识.首先让学生认识到,一个电荷在电场中受到的力的大小与该电荷的电荷量以及在电场中的位置有关,方向与电荷的正负有关;从而引导学生明确电场中同一点不同电荷受力不同,因此,用电荷受力大小描述电场是不行的,进一步引导学生分析在电场中同一点不同电荷受力有什么关系,经过分析、推理、论证,得到同一位置不同电荷受力与电荷量的比是同一个值,该值与试探电荷无关;进而得出该比值可以描述电场强弱与方向.

关于电场强度的叠加,教材是从点电荷的电场强度分布特点出发,结合上一节讲的电荷间的相互作用力的关系,分析、推理得到的.同时教材还介绍了连续带电体(不能视为点电荷)的电场特点,其推理、论证的思想与上一节分析连续带电体对某个点电荷的作用力的方法一脉相承.教师在教学中应引导学生仔细领悟这种微元法思想.

受教材篇幅限制,教材直接给出电场线可以对电场进行直观、形象、粗略的描述(大小、方向),在同一幅电场线图中可以进行分析、比较.对于教材给出电场线的两个特点,教师可引导学生用反证法思想进行学习,以达到深入理解.至于匀强电场,教师可给出一幅电场线图景,引导学生分析、推理其特点,再作定义.

2.4?第四节教材

本节内容由静电平衡、尖端放电、静电屏蔽和静电吸附四个知识点构成,其中静电平衡是最重要的基础概念,理解好静电平衡概念对尖端放电与静电屏蔽概念的学习至关重要.教材从静电场中的导体的电荷分布到导体内部的电场分布,提出静电平衡的概念,即导体内部场强为零,没有净电荷.进一步,教材分析了不规则导体静电平衡时外部聚集的大量电荷使空气电离,电离后的离子在电场力作用下快速运动形成尖端放电现象.利用静电场内部的导体内部没有电荷,电荷只分布在导体的外表面的性质,制造静电屏蔽,使外电场对导体壳内部电场不发生影响.最后,教材通过分析带电粒子在电场作用下会产生运动这一性质,分别用来除尘、喷漆、复印.本节内容虽然是电场知识的应用,但是较为抽象,建议教师在教学中要循循善诱,注重理论分析,重在对物理原理的理解,避免过多技术讲解.

(收稿日期:2019-11-10)

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