创设实验情境 激活惰性知识——以电场中的两个实验为例

刘建浩

(浙江慈溪中学 浙江 宁波 315300)

中学物理学主要内容有力学、热学、电磁学、光学和原子物理学.学生开始首先学习的是力学，与力学知识相比，学生在实际生活中更难获得与电场知识相关的感性认识和直觉经验；学生在无感性认识的抽象环境中学习，导致了学习困难和惰性知识的产生.

情境认知理论认为，学习者通过具体情境建构知识，又通过具体情境活动不断巩固和发展所学知识.在新课教学中，教师尽量通过联系生活实际和设计实验创设情境，使学生能够在具体情境中建构知识；在学生学完相关新课知识之后,本文作者创设了两个真实实验情境，让学生通过情境建模活动巩固、发展、激活所学的知识.

1 手摇电铃

1.1 实验情境

如图1所示，两平行金属圆板间放一悬挂的金属小球(金属小球直径为2 cm，两金属圆板间距约3.5 cm)，感应起电机两放电叉分别与两金属板接触；匀速摇动感应起电机，悬挂的小球不停地来回撞击金属板，发出悦耳的金属铃声.

图1 “手摇电铃”实验装置图

1.2 情境问题与情境建模

问题1：金属小球为什么会不停地振动？

如图2所示，设左金属板带正电，右金属板带负电，两板中心部分电场近似看作水平向右的匀强电场.金属小球与左金属板相碰以后带上正电，在电场力作用下向右运动，与右金属板相碰以后带上负电，在电场力作用下向左运动，不断重复.

图2 “手摇电铃”实验原理图

问题2：金属小球一次往复运动，搬运多少电荷？(设每次与金属板相碰后小球带电荷量大小都为q)

带电荷量为+q的小球与负极板相碰以后，带电荷量变为-q，有2q的负电荷从负极板传递给金属小球；带电荷量为-q的小球与正极板相碰以后，带电荷量变为+q，有2q的负电荷从金属小球传递给金属板.所以金属小球一次往复运动，从负极板搬运2q的负电荷到正极板.

问题3:进行适当的近似和理想化处理，写出小球搬运电荷的过程中产生的平均电流大小的表达式.

适当的近似和理想化处理:两金属板间距相对摆长很小，小球的运动近似看作直线运动，细线拉力与小球重力互相抵消；两板间距相对金属板直径很小，两板中心处电场近似看作匀强电场，小球在电场力作用下做匀加速直线运动；感应起电机匀速摇动，因此假设两金属板间电压恒为U(可用静电计检测，发现静电计指针略有抖动，偏角基本恒定).假设小球与金属板相碰后速度立即变为零，设小球的质量为m，两金属板距离为d，小球带电荷量大小恒为q.

推导小球搬运电荷的过程中产生的平均电流大小的表达式:

设一次往复运动的时间为2t

则平均电流

(1)

匀加速运动的加速度

其中

所以

(2)

由运动学公式得

(3)

由式(1)～(3)得

从表达式可以看出，距离d和质量m越大平均电流越小，电压U和带电荷量q越大平均电流越大，基本符合直觉感受.

2 疯狂的锡箔小球

2.1 实验情境

如图3所示，两金属圆板上下平行放置，5个锡箔揉成的小球放在下面金属板上；为防止锡箔小球跳出金属板外，金属板间再夹一圆环状透明塑料圈，塑料圈由常见5 L纯净水瓶裁剪而成；感应起电机两放电叉分别与上下金属板接触，匀速摇动感应起电机，观察到锡箔小球疯狂地上下跳跃.

图3 “疯狂的锡箔小球”实验装置图

2.2 情境问题与情境建模

问题1:锡箔小球为什么会上下运动？

如图4所示，设下极板带正电，上极板带负电.锡箔小球与下极板接触带上正电，受到向上的电场力大于重力，向上做加速度运动；小球与上极板相碰而带上负电，受到向下的电场力与重力作用，向下做加速运动再次与下极板接触，不断重复.

图4 “疯狂的锡箔小球”实验原理图

问题2:锡箔小球往复运动一次，搬运多少电荷？(设每次与金属板相碰后小球带电荷量大小都为q)

与“手摇电铃”原因相同，锡箔小球一次往复运动，从负极板搬运2q的负电荷到正极板.

问题3:假如两金属板之间，只有一个锡箔小球，进行适当的近似和理想化处理，写出小球搬运电荷过程中产生的平均电流大小的表达式.

适当的近似和理想化处理:两板间距相对金属板直径很小，两板中心处电场近似看作匀强电场；感应起电机匀速摇动，因此假设两金属板间电压恒为U；假设小球与金属板相碰后速度立即变为零；设小球的质量为m，两金属板距离为d，小球带电荷量大小恒为q.

推导小球搬运电荷的过程中产生的平均电流大小的表达式:

小球向上运动的加速度

其中

所以

(4)

同理小球向下运动的加速度

(5)

设小球向上运动的时间为t1则

(6)

设小球向下运动的时间为t2则

(7)

小球搬运电荷的过程中产生的平均电流强度

(8)

由式(4)～(8)解得

创设真实实验情境进行情境化学习，巩固、发展、激活所学的知识，使所学知识具备实践作用；创设真实实验情境进行情境化学习，培养学生通过真实情境建立物理模型的能力，训练学生科学思维，提升学生核心素养.