静电场教学的几点思考

静电场教学的几点思考

1学习内容的模糊性静电场是电磁学的开始，其知识内容和方法是整个电磁学的基础。因此，静电学在电磁学教育中发挥着重要作用。而电磁学中蕴含了丰富的科学思维方法,电磁学的学习是培养锻炼学生科学思维能力的契机。然而,从教学实践中笔者发现,由于学生对“场”这一抽象的客体概念的模糊,加之对研究电磁学必备的使用工具和手段——微积分知识理解不深透,往往只能被动跟随,机械模仿做题,难以真正理解本段学习知识的精髓内容,以致影响整个电磁学理论的学习掌握。鉴于以上原因,笔者在教学实践中进行了一些尝试。2抓住并强化物理思维的提升要实现有效教学,提高教学的效果,教师必须根据学生出现的思维困难给学生以必要点拨。这就要求教师首先要把握相关物理知识内容精髓、逻辑结构及数学方法,抓住其关键点;其次要分析学生的知识基础及预测其学习过程中的思维障碍,设计教学方案,并在实施过程中,注重引导学生关注知识理论形成的过程及物理学方法,从而提升学生的物理思维的深度。按知识教学结构的顺序,在教学实践中笔者主要是从下述几方面抓住关键的。2.1克林波特法静电学一般以真空中的库仑定律开始,这一定律是描述真空中两静止点电荷之间相互作用的大小与方向的实验规律。其包含以下几个关键问题。2.1.1数学矢量程式的正确使用在教学过程中一般较重视讲解或提醒学生们关注电荷之间相互作用大小与方向的规律及数学矢量表达式,因这与学生解题密切相关,这无疑是正确的。然而教学过程也不能忽视引导学生思考、比较库仑与万吸引定律,体会自然规律的相似特征,以及由此引起后续规律的相似特征,让学生感受自然规律的和谐美,增进学习的乐趣与动机。2.1.2个概念的说明点电荷也是定律的关键内容。在教学实践中发现学生们普遍不太关注这一定律中所描述的对象,即点电荷概念。而且有些教材,也不再单独讨论点电荷,只在该定律前,给一个概念,而未做进一步的说明。笔者认为点电荷这一对象问题是静电学研究中第一个关键问题,后续求解静荷问题均有赖于对它的理解。同时点电荷是理想模型研究方法的又一应用,因此教师有必要提示学生关注这一问题,并注意提示学生思考这一理想模型是怎样抽象出来的。此时学生可能不如学习质点时那么易理解,教师就应告诉学生在以后学习中要进一步关注这一概念的抽象过程。这种思维的过程一定要让学生经历,才有利于提高学生对物理研究方法的深入理解,并提高学生思维的深度。2.1.3思想认同的前提:必须把握叠加原理的内在内涵在运用库仑定理解决现实静电学问题时,从两点电荷相互作用到多点电荷相互作用,还需要电场力满足叠加原理,问题才能得以解决。在力学中已明确,引力、弹力、摩擦力满足力叠加原理,是否不需要讨论此问题。笔者认为应引导学生思考这一问题,使他们通过思考讨论,明确物理学规律是不可随意外推的,均需由实验证明或先理论推导再到实践证明,才能确定。自然规律是客观的,不能靠主观意断,这是搞科学研究的人必须遵守的一条原则。其次要引导学生深入理解叠加原理的内涵:首先是静电力彼此是独立的,即任何一对点电荷之间的静电力都遵守库仑定律,并不因为邻近存在某一点电荷而改变;在此基础上,才有当空间有两个以上的点电荷时,作用在某一点电荷上的总静电力等于其他各点电荷单独存在时对该点电荷所施静电力的矢量和。教师们常常较重视叠加原理第二层内涵的理解讲解,而学生并不太理解为何一定要如此,只能被动跟随用此法求解问题,而不能进一步去理解。教学实践中若教师能引导学生思考所有的力均可用此简单的叠加方法求多力作用效果,是原于自然力的独立性。学生明白了这一因果关系,才会更明晰地解决问题。教师还可引导学生思考非自然力是否具有独立性,可让学生打开视野,认识自然规律与社会规律的区别,并由此让学生体会到解决自然与社会问题的区别。2.1.4库仑定理的应用有了上面的理论后,有的教材说:“库仑定律和叠加原理相配合,原则上可以求解静电学中的全部问题”。笔者不这样认为,到此时,库仑定理仍然是理论研究上的意义,往往不能直接应用于实际,这又回到前面关于对“点电荷”的理解,实际带电体一般情况下是不能被视为点电荷的。所以,在此要引导学生思考此一说是否正确,该怎样解决。现代教学不只是解决问题,还应在解决问题后再引出新的问题。由此为学生学习后续用微积分解决连续带电体静电学问题奠定基础。2.2盐场和场的强度这部分内容是静电场的核心内容。其教学中要处理好以下问题。2.2.1学生当前认知水平不够此概念在高中学生已经形成,但可能不够准确深入。笔者在教学实践中曾想引导学生将此部分教材读懂,后发现途劳无功。经反思分析,发现学生根本无法在此时理解教材中关于电场的特性的描述,写教材的人是在深入理解与掌握了电磁学的全貌后写下的,而学生当前认知水平不够。制定的目标远高于学生的认知基础,让他掌握,当然是不可能的。因此,在后来的教学实践中,先淡化对电场概念的理解,在高中电场概念的基础上,直接进行下一步的教学。2.2.2测量定位:学生操作定义的强化对于测量原理的认知在电场强度操作定义引入过程学习中,先要引导学生理解试验电荷概念。需要从两个方面引导学生思考,首先是为什么要用试验电荷才能测量电场。让学生通过思考讨论明确,电场是人的感观不可直接观察的,这是由于人的感观功能的有限性,不能因此而否定其存在。可证明其存在的特征之一是它对其它电荷有力的作用。经过这一过程有利于学生进一步理解电场概念,同时形成对自然与人的正确看法。其次是试验电荷的条件:即自身所带电量小(测量对象要尽量不改变被测对象);自身线度小,可视作点电荷,可确定每一点的性质。引导学生关注这一问题,有助于学生学习掌握科学研究的思维和方法。通过电场强度操作定义引入过程的学习,引导学生理解操作定义只是实现物理量的可测化的表达。不能因关注了操作定义而忽视其本质,即我们常说的物理量的物理意义。电场强度的本质是描述电场对电荷作用力强弱这一本质特征的,即与试验电荷无关。其次要开始引导学生关注作为静电场的“场”概念的特征,即场是在一定空间范围内连续分布的客体,因此描述它的物理量是空间函数:E(x,y,z)=F/q0。2.2.3叠加原则的问题首先,由库仑定律和电场强度操作定义得出点电荷电场强度计算公式;然后由静电力叠加原则推出电强叠加原理;最后求实际连续带电体电强的问题,回到库仑定律留下的问题。这又是一个重要的关键点,在教学实践中笔者引导学生思考,将连续带电体分解为一个个的点电荷,就可以用点电荷电场强度公式求出每一个点电荷的电场强度,再用叠加原则即可解决。那么现在要解决的问题是怎样才能将连续带电体分为点电荷,分为怎样的点电荷系统。由此可进一步引导学生用所学过的高等数学知识(当然要针对已学完微积分的学生而言)看能不能解决,可能有个别数学学得好的学生试探着问是否可以用微积分,但由于大多数学生微积分知识也是被动跟随着学的,直接解微积分题还可以,而在物理上建立数学模型则有一定困难。因此,只好进一步分析讲解加引导思考。连续带体电荷可不可以分成连续的微元带电体(宏观微元带电体电荷量可视为连续,无需考虑电荷的量子化),使每个微元对场点而言可视为“点电荷”即可,只要写出微元带电体的电量dq,再由点电荷场强公式写出该微元(点电荷)在场点产生的场强,然后再将所有微元带电体的场强进行矢量叠加,尤其是连续带电体分为无穷多个连续微元电荷产生的无穷多连续的电场强度叠加,即为定积分运算。剩下的数学问题是我们一直以来教师的教与学生的学最擅长的方式。在此不再说明。2.3研究场地2.3.1培育新的研究对象“场”作为电磁学研究的核心问题电磁场,与已学习过的力学、热学等的研究对象完全不同,“由于研究对象的重大变化,必将引起基本观念、规律性质的深刻变化,必将导致新概念、新的研究方法、新的描述手段和新的数学工具的出现”。为此应引导学生关注并思考电磁学的新的研究对象“场”与力学、热学研究对象的不同,从而关注研究方法、描述手段和数学工具的不同。场是在一定空间范围内连续分布的客体,认识场要从它的空间分布规律入手,从总体上去把握它。所以描述场的物理量,如电场强度,与力学、热学中遇到的物理量速度、加速度、压强、温度等有很大不同,需要知道空间各点的值,即电场强度是空间位置的矢量函数,即矢量场。所以认识场的第一步是确定它的空间分布,即场强空间分布函数,关于此问题的前面电场强度计算,已经给出了一些具体的实例分析,得出了一些(理想的)特殊形状的带电体的电场强度空间函数值。2.3.2“场域”的引入引导认识场的第二步就是进一步认识其总体分布所具有的某种特征和性质,以便从总体上区别和比较。由此引入高斯定理、环路定理。关于高斯定理、环路定理的推导及意义说明,常规教材均有较好的论述。在教学实践中,笔者除了引导学生理解教材中的分析和说明外,还借用陈熙谋等老师的办法,以流体形成流速场为例,说明除了解各种情况下流速的空间分布外,还应从总体上考察液体的流动是否形成“漩涡”,或者是否与喷发液体的“源”相联系,即是否有漩和是否有源,只有这样才能从总体上把握各种流速场的特征。由此可以理解对场的描述有电场概念外,还需要进一步引入能量和环流(或称环量)的概念,并找出电场的高斯定理和环路定理,因为它们正是确定矢量场是否有源、是否有漩的有效手段和恰当方式。由此进一步引导学生思考:电场能量不为零,这表明它是有源的;环路定理指出,场强经任意闭合曲线积分(即静电场环流)必为零,这表明它是无漩的,即电场线不闭合。关于场描述的这种方法在后续的稳恒磁场、涡漩电场教学中会得到进一步强化,到时再引导将几种场描述方法、结果及特点等进行比较,以加深对场概念的理解,才能真正理解“场”对象的全貌。3科学文化与教学内容相结合的原则大学物理教学