通过培养高中生物理观念突破静电场教学难点的方法分析

冯楠

摘 要：2017版普通高中物理课程标准将物理核心素养纳入其中，并对其要素做了具体阐述，分为物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。文章从培养核心素养中物理观念这个要素出发，在教育教学中，培养学生的运动观念、能量观念和相互作用观念，并探讨运用物理观念解决电磁场的实际问题，从而突破静电场的教学难点。

关键词：物理观念;静电场;教学难点

一、 引言

高中物理静电场的知识将力学、电学、运动学以及能量有机地融合起来。在实际教学过程中，教师按照章节一节一节地进行教学，学生学习的是碎片化的物理知识，在头脑中难以将知识系统地生成并构建到已有的知识体系中，遇到复杂的物理问题难以将知识提取出来解决物理问题。这造成了教师难教，学生难学的教学难点的困境。培养学生核心素养中的物理观念，结合电场知识，让学生形成经典的运动观、能量观、相互作用观，能够有效地突破电磁学的教学难点。

二、 建立物理观念

物理观念的培养主要是让学生形成经典物理的物质观、运动观、能量观、相互作用观，并且能用来解释自然现象和解决实际问题。在电磁学的教学中，培养学生的物理观念主要是运动观念、能量观念，以及相互作用观念这三种观念的形成与建立。其中相互作用观念主要指物体与物体之间的相互作用，也就是在静电场中建立力的观念（图1）。利用科学的物理观念，对静电场中的物理问题进行力学分析、运动分析以及能量分析，达到解决实际问题的目的，突破高中物理静电场教学的难点。

（一）相互作用观念

在高中物理静电场的教学中，要注重培养学生的相互作用观念。在静电场中，主要研究电荷与电荷的相互作用，在点电荷的电场中用库仑定律来研究电场力的大小;在非点电荷产生的电场中，用试探电荷在电场中的受力大小与试探电荷量的比值来引入一个新的研究电场力的工具，称为电场强度。故此，在静电场的教学中，首先要给学生建立的是力学观念，对处于电场中的电荷进行受力分析。

（二）运动观念

万物起源于运动，牛顿第一定律告诉我们，一切物体在受到物体与物体的相互作用力时，会改变原有的运动状态。静电场中建立了相互作用观念后，在相互作用力的作用下，物体要开始动起来了，因此要建立运动学的观念。牛顿第二定律是力学与运动学之间的桥梁，根据受力分析物体的加速度，判断加速度方向与速度方向的关系，判断运动状态。根据运动学公式以及运动合成与分解的知识对粒子在电场中的运动进行具体分析，得出物体的运动速度、运动位移、运动路程、运动时间等运动学的物理量。

（三）能量观念

物体处在重力场中，由于位置具有重力势能，同理，电荷处在静电场中，因为位置具有电势能。功是能量转化的量度，类比重力做功与重力势能变化的关系，提出在静电场中移动电荷，电场力做功等于电势能的变化量，若将电荷从某点移到零势能点，电场力做功就等于该点的电势能大小。从电势能出发，由电势能与电荷量的引入电势的概念，规定零电势点，判断静电场中电势的高低。根据电场力做功的多种推理方法，得出电势差与电场强度的关系。将能量观念引入电场之中，为解决物理问题提供了一条新的思路。

三、 运用物理观念解决静电场问题

运用物理观念解决静电场问题，通过对问题进行相互作用、运动、能量的分析，找出各个物理量之间的相互关系，建立科学的思路，从而解决物理问题。下面从力学角度、运动学角度及能量角度出发，分析静电场中物理问题的三条主线。

（一）带电粒子在静电场中运动分析

力学分析：对处于静电场中的带电粒子进行相互作用力的分析分为两种情况（图2）。第一，从粒子受力的大小、方向出发，根据库仑定律和电场力的导出公式，得出场强的大小和方向，由牛顿第二定律得出加速度的大小和方向。第二，给出電场线这个理想化的模型，电场线的疏密代表电场强度的大小，切线方向为场强方向，由场强判断物体的受力大小和方向，得出加速度的大小和方向。通常对给定粒子轨迹的分析，受力方向指向轨迹内侧，并与场强方向共线。

运动分析：运动分析分为两个方面（图3）。第一，已知受力大小，得出物体的加速度大小，若为匀变速直线运动，进而可以分析物体的运动位移、运动速度、运动时间等运动学物理量。第二，根据受力方向得出加速度方向，由加速度和速度方向的夹角判断功的正负，进而判断电势能的增减，电势的高低。若夹角大于90°，移动正试探，电荷电场力做负功，电势能增加，电势增加;移动负试探，电荷电场力做负功，电势能增加，电势降低。若夹角小于90°，移动正试探电荷，电场力做正功，电势能减小，电势减小;移动负试探电荷，电场力做正功，电势能增加，电势增加。

能量分析：能量分析从电势出发，通过电势的高低，判断电势能的大小，进而判断做功的大小和正负，由动能定理得出物体的运动速度的增减（如图4）。

判断电势高低的三种方法：①电场线法：沿着电场线方向，电势越来越低。②场源电荷法：离正场源电荷越近，电势越高;离负场源电荷越近，电势越低。③电势能法：正试探电荷在电势能高的地方，电势高，在电势能低的地方电势低;负试探电荷在电势能高的地方电势低，在电势能高的地方电势高。

例如：（2019全国2卷物理第7题）静电场中，一带电粒子仅在电场力的作用下自M点由静止开始运动，N为粒子运动轨迹上的另外一点，则（  ）

A. 运动过程中，粒子的速度大小可能先增大后减小

B. 在M、N两点间，粒子的轨迹一定与某条电场线重合

C. 粒子在M点的电势能不低于其在N点的电势能

D. 粒子在N点所受电场力的方向一定与粒子轨迹在该点的切线平行

力学分析：带电粒子在只受电场力，且电场线是直线时运动轨迹才与电场线重合，由于该电场未知，所以粒子的轨迹不一定与某条电场线重合，故B错误。