浅谈静电场概念教学方法

单华文

[摘 要] 利用控制变量法引入描述静电场的物理概念和定义物理量。为什么要引入相关物理概念和物理量，为什么要这样定义物理量？下面结合教学实践进行分析探讨。

[关键词] 控制变量法 电场强度 电势和电势差

[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 1674 6058（2016）17 0074

物理概念教学，必须让学生知道为什么要引入这个概念和物理量，为什么要这样定义物理量，只有清楚了这几个为什么，学生才能真正理解相关概念和物理量的意义。

静电场是高中物理电磁学的基础，静电场特点是看不见、摸不到、无气味的，它的特性是对放入其中的检验电荷有力的作用。在电场中移动电荷，电场力会做功，电势能改变，静电场具有力和能的双重特性。所以静电场是客观存在的一种看不见的特殊物质，非常抽象。描述静电场引入了许多物理概念和物理量，如电场强度、电势、电势差，电场力、电势能等。学生在学习静电场的过程中出现了许多困惑，为什么要引入电场强度、电势和电势差？为什么电场强度、电势和电势差都用比值法定义？为什么用课本中的那种方式定义？这些物理量之间究竟存在什么样的关系？所以教师在教学过程中要解决学生的这些困惑，学生才能真正理解描述静电场的概念和物理量。以下是我在教学过程中的具体做法，就是利用控制变量法引入描述静电场的概念和定义物理量，首先让检验电荷的电量q不变，改变检验电荷在电场中的位置，然后让检验电荷在电场中的位置保持不变，改变检验电荷的电量q。

电场强度的教学过程中，电荷之间的相互作用是通过电场实现的，在静电场中不同的位置放入同一个检验电荷q，通过实验探究就会发现同一个检验电荷q在静电场中不同的位置受到的电场力不同，这就说明静电场中不同的位置电场是不同的，这个不同导致了检验电荷受到的电场力不同，究竟是电场中不同位置的什么不同导致了力不同呢？所以就得引入一个物理量来描述这个不同，物理学中就把这个物理量定义为电场强度E，物理学中规定同一个检验电荷q受到的力越大的地方电场越强，受到的力越小的地方电场越弱，这就说明电场是有强弱的，所以电场强度就是用来描述电场强弱的物理量，引入它是为了确定电场力。那怎么定义电场强度呢？如果在静电场中同一个位置放入不同的检验电荷q，通过实验探究就会发现检验电荷不同受到的电场力F就不同，但同一个位置处检验电荷受到的电场力F与检验电荷的电量q成正比，F∝q，如果用数学表示有F=kq，k=F/q，k是一个常数，不同的位置这个常数不同，同一个位置这个常数k是一个定值，这就说明这个常数是由静电场决定的，与放入的检验电荷q无关，静电场中k越大的地方检验电荷受到的力越大，k越小的地方检验电荷受到的电场力越小，k和我们想定义的电场强度完全相符，所以物理学中把这个常数定义为电场强度E，E=F/q就是电场强度的定义式，而F=qE就是电场力的决定式，由此可以看出电场力F与两个因素有关，内因电荷电量q和外因电场强度E。

电势的教学过程中，仍然用控制变量法。如果设想把一个检验电荷q放入静电场中，在电场力的作用下就会加速运动，电场力对检验电荷做正功，它的动能就会越来越多，根据能量守恒定律，一定是电荷的其他形式的能量在减少，这就说明检验电荷在电场中具有其他形式的能量，检验电荷在运动过程中不同的位置动能不同，所以检验电荷的这个未知能量也就在不同位置会不同，那这个未知能量究竟是什么能量呢？物理学中就把这个能量定义为电势能EP，根据功能原理，电荷在电场的某一个位置的电势能，等于把它从这个位置移动到零势能位置时电场力做的功。同一个检验电荷q在电场的不同位置电势能EP不同。如果电场是匀强电场，检验电荷仍然会加速运动，动能仍然会越来越多，电势能就越来越少，所以同一个检验电荷q在电场的不同位置电势能EP不同，肯定不是电场强度不同导致的，说明电场的不同位置，还有另外一个物理量不同，物理学中就把这个物理量定义为电势φ。那怎么定义电势φ？如果在静电场的同一个位置再放入不同的检验电荷q，电势能EP就不同，但电势能和检验电荷的电量却成正比，EP∝q，用数学表示有EP=kq，k是一个常数，不同的位置这个常数不同，同一个位置这个常数k是一个定值，这就说明这个常数是由静电场决定的，与放入的检验电荷q无关，物理学中就把这个常数定义为电势，φ=EP/q这就是电势的定义式，

由此可以看出电势能EP与两个因素有关，内因电荷电量q和外因电势φ。

电势差的教学过程中，一个检验电荷q在静电场中受到电场力的作用而运动，电场力对检验电荷做功，检验电荷的动能和电势能之间相互转化，电场力做正功，电势能减少，动能增加，电场力做负功，电势能增加，动能减少，根据功能原理，WAB=EpA-EPB=qφA-qφB=q（φA-φB），物理学中把（φA-φB）定义为电势差UAB，就是两点之间电势的差值，UAB=WAB/q这就是电势差的定义式。

通过这样的教学过程，学生们就理解了为什么要引入电场强度、电势和电势差。

（责任编辑 易志毅）