陶聰燕

(浙江省玉環(huán)中學(xué) 浙江 臺(tái)州 317600)

“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”是在學(xué)習(xí)了電場(chǎng)的基本性質(zhì)之后，對(duì)核心內(nèi)容的深入研究和拓展應(yīng)用，意在提高學(xué)生綜合運(yùn)用物理知識(shí)的能力.本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)明確要求通過對(duì)放入靜電場(chǎng)中導(dǎo)體的自由電荷運(yùn)動(dòng)情況的討論，了解靜電平衡的概念，知道處于靜電平衡的導(dǎo)體特征和電荷分布特點(diǎn)，以及尖端放電和靜電屏蔽現(xiàn)象.本節(jié)內(nèi)容抽象，在生活、生產(chǎn)中涉及面廣.其中靜電感應(yīng)、靜電平衡、靜電屏蔽等概念對(duì)學(xué)生來說十分深?yuàn)W.

金屬導(dǎo)體放在電場(chǎng)中，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)是一個(gè)非?？斓倪^程.學(xué)生無法親眼看到導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生的變化，但對(duì)這一過程的分析卻又十分重要.雖然經(jīng)歷了理論分析，前概念中絕緣體帶來的“安全感”卻是根深蒂固的，在分析過程中極易出現(xiàn)思維定勢(shì)和主觀臆斷的不良傾向.演示實(shí)驗(yàn)的操作要求以及相應(yīng)的理論解釋需要在教材的基礎(chǔ)上進(jìn)一步精細(xì)化分析.如何改進(jìn)教學(xué)方式，調(diào)整教學(xué)策略，突破難點(diǎn)的同時(shí)讓學(xué)生能有更直觀深刻的感性體驗(yàn)和深度理解是本文所探討的重點(diǎn).

1 構(gòu)建直觀模型 展現(xiàn)感應(yīng)電荷的產(chǎn)生過程

導(dǎo)體呈電中性，將導(dǎo)體置于電場(chǎng)中，學(xué)生很容易理解為正負(fù)電荷分別受到反向電場(chǎng)力，在導(dǎo)體左右兩側(cè)聚集.但實(shí)際上正電荷受束縛力較大是無法定向移動(dòng)的.在只有電子定向移動(dòng)的過程中，正負(fù)感應(yīng)電荷是如何產(chǎn)生的呢？學(xué)生的第一反應(yīng)是認(rèn)為最左側(cè)電子直接跳到最右側(cè).那為什么中間的電子沒有動(dòng)？實(shí)際上所有的電子都發(fā)生了移動(dòng).

準(zhǔn)備紅、黑兩種磁扣，在紅色圓形磁扣上標(biāo)記“+”表示正電荷，略小的黑色磁扣上標(biāo)記“-”表示電子，如圖1所示.

圖1 紅、黑磁扣及其標(biāo)記

結(jié)合板畫，將磁扣吸附在黑板上，示意圖如圖2所示.

圖2 磁扣吸附在黑板上示意圖

電子在電場(chǎng)力作用下發(fā)生定向移動(dòng)，左邊第一個(gè)電子離開正電荷到達(dá)左側(cè)邊界，第二個(gè)電子進(jìn)行補(bǔ)位，再第三個(gè)、第四個(gè)依次補(bǔ)位.隨著電子不斷地向左側(cè)移動(dòng)，最右側(cè)正電荷未能與電子中和，因此導(dǎo)體右側(cè)呈正電性.將相互中和的正負(fù)電荷隱藏，突出感應(yīng)電荷分布左負(fù)右正的導(dǎo)體.

以直觀模型代表微觀粒子，呈現(xiàn)微觀狀態(tài)，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生深入思考.逐步演繹感應(yīng)電荷的產(chǎn)生，剖析動(dòng)態(tài)過程，給予親身體驗(yàn)幫助學(xué)生建立正確的認(rèn)知.在降低理解難度的同時(shí)提高建模能力.這種微觀現(xiàn)象直觀化的操作是研究微觀運(yùn)動(dòng)的一種重要手段.

2 隱藏外電場(chǎng) 展現(xiàn)感應(yīng)電場(chǎng)的形成與穩(wěn)定過程

提出問題：導(dǎo)體內(nèi)部電子會(huì)源源不斷地向左邊移動(dòng)嗎？

這個(gè)問題的難度是非常大的.學(xué)生眼中通常只看到外加電場(chǎng)，很難發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電場(chǎng).教師在分析時(shí)可以通過動(dòng)畫將外加電場(chǎng)隱去，為學(xué)生發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電場(chǎng)做鋪墊，如圖3所示.

圖3 隱藏外電場(chǎng)展現(xiàn)感應(yīng)電場(chǎng)的形成

導(dǎo)體兩側(cè)累積的正負(fù)電荷使得兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差，會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生由正電荷指向負(fù)電荷的感應(yīng)電場(chǎng).該電場(chǎng)會(huì)使其余電子受到向右的電場(chǎng)力F感.再將外加電場(chǎng)重新呈現(xiàn)出來，它與感應(yīng)電場(chǎng)的方向是相反的，給予電子向左的電場(chǎng)力F外.隨著導(dǎo)體兩側(cè)正負(fù)電荷的積累，感應(yīng)電場(chǎng)增強(qiáng)，電子受到的感應(yīng)電場(chǎng)力增大.當(dāng)其大小與外加電場(chǎng)力大小相等時(shí)，電子達(dá)到受力平衡狀態(tài)，便不再定向移動(dòng)，此時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部合場(chǎng)強(qiáng)為零.正負(fù)電荷相等，即凈電荷為零.

為加深理解，可將圓形導(dǎo)體置于非勻強(qiáng)電場(chǎng)，如圖4所示.

圖4 圓形導(dǎo)體置于非勻強(qiáng)電場(chǎng)中

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn) 破除靜電場(chǎng)中絕緣體帶來的“安全感”

不論是“達(dá)人秀”中的表演視頻，還是高壓維修工具，學(xué)生觀念中的安全材料肯定是絕緣體.雖然已經(jīng)學(xué)習(xí)了靜電平衡和靜電屏蔽，卻不足以克服學(xué)生的思維定勢(shì).為了破除這一障礙，可以從理論和對(duì)比實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行以下操作.

將兩個(gè)平行金屬板相對(duì)放置，間隔0.5 m，并用手搖發(fā)電機(jī)充電.在兩金屬板中間放置驗(yàn)電羽，可觀察到羽毛飛起來.先后用金屬鳥籠和透明塑料盒罩住驗(yàn)電羽，對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生從理論角度分析塑料盒不起“隔絕”作用的原因.突出絕緣體中沒有自由移動(dòng)的電子，無法達(dá)到靜電平衡狀態(tài)，不起屏蔽作用.既是對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用，也能夠破除學(xué)生前概念影響，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到靜電場(chǎng)中導(dǎo)體帶來的安全感.

4 深度分析 理解“電風(fēng)”吹蠟燭實(shí)驗(yàn)中的靜電現(xiàn)象

“在一個(gè)導(dǎo)體尖端附近放一根點(diǎn)燃的蠟燭.當(dāng)我們不斷地給導(dǎo)體充電時(shí)，火焰就好像被風(fēng)吹動(dòng)一樣，朝背離尖端的方向偏斜.”對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，現(xiàn)行教學(xué)中的解釋為：……尖端附近電場(chǎng)很強(qiáng)……與尖端上電荷異號(hào)的離子受到吸引，最后與尖端上的電荷中和，與尖端上電荷同號(hào)的離子由于排斥而飛離導(dǎo)體，形成“電風(fēng)”吹向蠟燭.

仔細(xì)一想就會(huì)發(fā)現(xiàn)，既然“電風(fēng)”是離子定向移動(dòng)形成的，實(shí)驗(yàn)中正負(fù)離子反向定向移動(dòng)，應(yīng)存在兩股反向“電風(fēng)”，為何蠟燭只朝一側(cè)偏離？

這是因?yàn)榛鹧媸请婋x劑，在蠟燭火焰中產(chǎn)生了正負(fù)離子和電子.由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，容易擴(kuò)散出火焰之外，使得火焰呈正電性.當(dāng)尖端帶正電時(shí)，火焰由于受到排斥力及“正電風(fēng)”作用而背離尖端偏斜，甚至有可能被吹滅.當(dāng)尖端帶負(fù)電時(shí)，火焰所受吸引力和“負(fù)電風(fēng)”是反向的.當(dāng)起電電壓、距離等因素把控不當(dāng)時(shí)，不僅吹不滅火焰，還有可能出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象.反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電極接正且將蠟燭置于4～5 cm距離內(nèi)，可吹偏甚至吹滅火焰.

通過直觀模型為學(xué)生搭建“看得見”的微觀世界，帶領(lǐng)學(xué)生共同參與討論這一過程，突出重點(diǎn)，突破難點(diǎn).通過隱藏干擾因素，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電場(chǎng)，降低理解和分析難度.以靜電場(chǎng)中導(dǎo)體與絕緣體的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，突出靜電場(chǎng)中的安全因子源于自由移動(dòng)的電子，以此來破除學(xué)生的前概念影響.精細(xì)化分析教材中較為模糊的實(shí)驗(yàn)成因，培養(yǎng)學(xué)生批判質(zhì)疑、勇于探究的科學(xué)精神，促使核心素養(yǎng)的提升.