电流教学中需要澄清的三个问题

◇ 河北 张志锋

课堂教学是落实物理学科核心素养的重要阵地,我们既要通过物理基本概念、基本规律的教学,让学生有效地形成包括力与运动、能量、动量等物理观念,也要引导学生在形成物理观念的过程中逐步形成科学思维、科学探究、科学态度与责任的精神,学会解决问题的科学研究方式．本文通过探讨电流教学中的三个问题,给出教学中落实物理学科核心素养的一些建议,与同行探讨．

1 教学中要区分电流和电流强度

物理学中的基本概念、基本规律(包括物理定理、定则、守恒定律)是构成物理学的基础．对基本概念的学习和理解是学生形成正确物理观念的重要途径．因此,在实际教学中,教师必须通过恰当的教学方法讲透、讲清每一个物理概念．具体到电源和电流教学中,我们要在初中电学学习的基础上,引导学生区分电流和电流强度．简言之,电流是普遍的物理现象,而电流强度则用于表示电流的强弱．

以金属导体为例,当导体内没有电场时,处于金属内部的正离子将会形成晶体点阵,自由电子将会在点阵内部自由移动,这种移动是不规则热运动,它们朝任何方向运动的概率都一样,因此,从宏观角度看并不形成电流．当在导体两端加上电压后,自由电子仍旧处于热运动状态,但此时它们不再是杂乱无章地运动,而是朝着某个方向移动,这样便会出现电流．一般情况下将大小与方向都不随时间推移而产生变化的电流称作恒定电流,并规定正电荷移动的方向是电流的方向．

在物理学中,通过导体横截面的电荷量q 跟通过这些电荷量所用的时间t的比值,即为电流强度,用公式表示为电流强度没有方向．在人教版教材中,电流强度这个物理量又简称电流,所以在教学时要适当引导学生注意区分．

2 电荷定向移动的运动性质

电流微观表达式是I＝nqvS,v 是指电荷定向移动的平均速率．如果教师不加以强调,就会使学生形成电荷的定向移动是匀速率运动的误解．自由电子的定向运动不是简单的匀速直线运动,而是在静电力作用下的加速运动,同时又不断地跟正离子碰撞,使定向运动遭到破坏,然后在静电力作用下再加速、再碰撞．如果从宏观视角着手,可以明显地发现电子在以平均速率v 做定向运动．现做定量推导如下．

假设电子在两次碰撞之间的平均自由运动时间为t,则在电场E 作用下电子可以获得的速度大小为当电子和晶体点阵产生碰撞后,电子将会向多个方向散射出去,这种散射具有偶然性．我们可以假设,电子碰撞后散射的速度沿各方向的几率相等,也就是说此时电子已经完全失去其原有的定向运动的特性,此时电子的定向初速度是v0．那么,在一个自由程内电子的平均速率等于和气体分子动理论一样,电子的平均自由运动时间t(即平均碰撞频率的倒数)与其平均自由程和平均热运动速率间有如下关系因为都与电场强度无关,可以明确的是,电子定向移动的平均速率和电场强度具有正相关的关系,也就是说导体中的电流是由电场决定的,但此电场是恒定电场,而不是静电场．

从物理学角度着手,实现对客观事物的本质属性、内在规律的深入研究分析,实际上是结合自身已有经验储备构建模型的过程,在以上教学设计中,我们引导学生建立电子碰撞模型、匀变速直线运动模型,类比气体分子运动深入研究了电荷定向移动的本质,让学生经历了物理模型建构、科学推理的“科学思维”过程,有助于强化学生的逻辑思维能力,可以有效落实物理学科核心素养．

3 恒定电场与静电场

在以立德树人为根本任务的新时代教育背景下,授业解惑不是教学的全部,课堂教学中我们更要关注学生关键能力、思维品质、科学态度与责任的培养,我们要把物理学发展过程中积累的科学探究方法、物理学家的科学思维和高贵品质传递给学生．

比如在电流教学中,作为承上启下的一节教学内容,我们必须要引导学生明确恒定电场和静电场既存在关联,又存在差异．静电场是静止电荷在周边空间激发的电场,而恒定电场主要通过电源和导线等电路元件共同支撑．在恒定电场内部,所有位置的电荷分布及电场强度都不会随着时间推移而发生变动,因而其基本特征与静电场有相似之处,诸如两种电场均是物质的客观存在,并且其内部均存储有相应的电能,对处于其中的电荷有电场力的作用;在两种电场中移动电荷,电场力往往要做功．但恒定电场绝不等同于静电场,对于恒定电场的理解要注意以下两点:

1)如果电路产生的电流是恒定电流,那么其电场将是恒定电场,且合场强方向一定沿着导线．恒定电场由两部分组成,其一为电源正负极所产生的电场,此电场通常能够被分解为两个方向:沿导线方向的分量将使自由电子逐渐趋近于导线两侧,导线两侧出现正负电荷共同分布的情况．此类垂直分量侧移的净电荷的分布产生附加电场,又被称为感应电场,电场将使电源正、负极产生的垂直导线方向的电场被逐渐削减,最终合场强变为零,所以导线内部的电场线必然和导线处于平行状态,自由电子只会沿导线方向做定向移动．

2)处于静电平衡状态下的导线内部的场强是零,静电平衡状态下的导体内部场强为零,而在恒定电场下导体内的不同位置有电荷的堆积,导体内的电场强度不是零．也就是说,在恒定电场中,电路中的电荷分布虽是稳定的,但不是静态的绝对稳定,而是动态平衡,就电路中任一微元来讲,流走多少电荷,就补充多少电荷．

如果上述两点无法被充分地呈现在教学活动中,即便学生看似没有疑问,但是却违背了“物理要说理”的重要原则,不利于学生对电流相关知识的真正理解,也不能起到本节课在本章教学中承上启下的作用,最重要的是不能有效落实新课程改革的重要理念,无法充分满足学生核心素养的成长需求．所以,教师在开展教学活动的过程中,不仅要让学生知其然,更要让学生知其所以然,既要“授业解惑”,更要“传道”．