在“静电场”习题教学中培养学生的阅读能力①

张小洪 蒋 敏

(西南大学附属中学校,重庆 400700)

1 引言

物理学习需要学生具有相应的物理阅读能力。一方面,物理阅读能力与一般阅读能力一样,包含对信息进行扫描、检索并输入大脑的能力,对信息进行理解、推理、判断的处理能力,以及将处理过的信息说出来、画出来、写出来的输出能力。另一方面，物理阅读能力又具有鲜明的物理特色,信息输入的能力包含对文字、符号、图像信息的输入能力,信息的处理能力包含根据信息还原物理情景、抽象物理模型、将字符与图像语言互化的能力,信息的输出能力包含将生活语言转化为物理语言、物理语言转化为数学语言的能力。笔者以“静电场”习题教学为例，探讨培养学生的阅读能力的途径。

静电场是高中物理的重要内容,对于物理阅读能力有多方面的要求,教师在习题教学中,可以从信息输入能力、信息处理能力、信息输出能力三个方面入手,培养学生的物理阅读能力。

2 培养学生的信息输入能力

在静电场的习题解答中,会涉及对文字、符号、图像信息的扫描、检索等输入过程。

例1:如图1所示,实线表示某静电场的电场线(方向未标出),虚线是一带负电的粒子只在静电力作用下的运动轨迹,设M点和N点的电势分别为φM、φN,粒子在M和N时加速度大小分别为aM、aN,速度大小分别为vM、vN,电势能分别为EpM、EpN。下列判断中正确的是( )。

图1

A.vM

B.vM

C.φM<φN，EpM

D.aM

根据题干所述,图中实线为电场线,粒子带负电,经分析可得正确选项为D。若仅将电场线改为等势面,则正确选项变为B;若仅将“带负电的粒子”改为“带正电的粒子”,则正确选项变为C。例1比较有代表性，反映了在静电场的学习过程中经常涉及的电荷的正负、电场线与等势面的区分、脚标的顺序等典型问题。如果学生在信息输入的过程中,忽视或看错这些关键信息,则会得出错误的结论。

因此,教师在教学过程中要利用类似于例1的例题,让学生体验其中的区别;同时,引导学生养成阅读时用笔勾画出“电场线”“等势面”“正电荷”“负电荷”以及物理量的脚标(包括脚标中的字符顺序)等关键信息的习惯;另外,还可以通过让学生自己编制习题等方式进行练习和巩固,让学生不仅能辨析信息,还能站在一定的高度主动检索文字或图像中的关键信息，养成良好的物理阅读习惯,提高信息输入的准确性。

3 培养学生的信息处理能力

静电场的学习经常涉及电场线、等势面以及带电粒子在静电场中的运动、能量等问题,问题解决中经常要用图像进行表达，从中可以培养学生还原物理情景、抽象物理模型、将字符与图像语言互化的信息处理能力。

例2：图2所示为某电场中x轴上电势φ随x变化的图像,一带电粒子仅受静电力作用,从x=0处由静止释放并沿x轴正向运动,以一定的速度通过x=x2处,则下列说法中正确的是( )。

图2

A.x1和x2处的电场强度均为零

B.x1和x2处的场强方向相同

C. 粒子从x=0到x=x2过程中，电势能先增大后减小

D. 粒子从x=0到x=x2过程中，加速度先减小后增大

初步分析图像,可看出电势φ随x变化的规律是先升高后降低,由于粒子仅受静电力且由静止释放,电场力一定是先做正功后做负功(其运动和受力情况如图3所示),因此粒子的电势能先减小后增大,C选项错误。

图3

进一步分析图像,φ-x图线的斜率大小表示场强的大小,斜率的正负表示场强的方向,可判断出x1和x2处场强均不为零且方向相反,图2中电势最高的x3处场强恰好为零。可画电场线分布大致如图4所示(因不知电荷的具体分布情况,只能大致画图,但足以解决问题)。场强Ex随x变化的规律大致如图5所示(假设水平向右为正方向，因不知道φ与x的具体函数关系,故所画Ex-x图像时只关心Ex的正负与增减,不深究其图像斜率的大小,但足以解决问题),因此A、B选项错误,D选项正确。

图4

图5

在解答本题的过程中,用到了φ-x图像与运动情景图、电场线的相互转化。在静电场习题教学中常涉及E-x图像、φ-x图像和相应的v-t图像问题,教师可充分利用此类习题,引导学生将图像信息与物理情景相结合,通过E-x图像、φ-x图像和v-t图像的相互转化,培养学生的信息处理能力;同时,学生还学习了点电荷、等量同种电荷、等量异种电荷的电场、匀强电场等典型电场的场强和电势特点,以及这些电场对应的电场线、等势面分布情况,已基本形成了模块化知识结构,教师需引导学生“窥一斑而见全豹”,既能根据阅读信息还原物理情景,又能根据物理情景抽象出物理模型，如本例给出了某点电荷电场中一点的场强情况,我们可能还原出这是正点电荷的电场,然后可以据此模型比较电场中另外两点电势的高低。教师如能做好以上两点,可提升学生的信息处理能力。

4 培养学生的信息输出能力

在解决带电粒子在静电场中运动的问题时,正确列式是非常重要的一步。列出式子是一个信息的输出过程,学生需要“以输出倒逼输入”,优化阅读过程,将生活语言转化为物理语言，并最终转化为数学语言。

例3:如图6所示,初速度为零的氕、氘、氚的原子核经同一电场加速后,又经同一匀强电场偏转,最后打在荧光屏上,以下说法中正确的是( )。

图6

A. 经过加速电场的过程中,静电力对氚核做的功最多

B. 经过偏转电场的过程中,静电力对三种核做的功一样多

C. 三种原子核打在屏上的速度一样大

D. 三种原子核都打在屏的同一位置上

首先,粒子的电荷量为q,质量为m,则氕、氘、氚原子核的q相同、m不同;其次,根据图6中的标注,确定加速电压和偏转电压为分别为U1和U2;再次，根据粒子先做匀加速直线运动、后做类平抛运动的特点,设偏转极板的长度为L,板间距离为d,偏转极板右端到荧光屏的水平距离为L′。在判断题中各选项时,都要想办法用以上物理量来进行表达，列式分析过程如下:

(1) 在加速电场中静电力做的功均为W1=qU1,故A选项错误。

在此类问题解决中,公式看起来多而杂,成功解决此类问题的逻辑线索为：先根据所求物理量列式,一步步倒推每一个需要进一步表达的物理量,“顺瓜摸藤”,直到每一个物理量在已知条件中都有了“着落”,才算大功告成。

通过对例3的分析不难发现：信息的输出是整个物理阅读过程的目标与方向,在根据信息输出的需要进行回溯的过程中,对信息进行检索、组织、加工、整合、判断的过程会变得更明确、更规范、更有序。在高中物理习题教学中,类似的情况还有很多,例如，在解答带电粒子在磁场中做圆周运动的问题时,因为需要列出洛伦兹力提供向心力的式子,就必然要求学生在阅读过程中注意检索和分析电荷量、磁感应强度、速度、半径与圆心的位置等信息。在解决物块与弹簧组成的物体系统的动量与能量的综合问题时,由于需要列出各物理过程中的动量或能量表达式,就必然要求学生在处理信息的过程中关注弹簧处于原长、最短、最长等特殊状态时各物体的运动和受力情况，关注在各物理过程中是否满足动量守恒或机械能守恒的条件。可见,培养学生的信息输出能力是提升他们物理阅读能力的重要手段。

5 结语

笔者结合静电场的内容特点,探讨从信息的输入、处理和输出的角度培养学生物理阅读能力的途径,旨在提升学生的核心素养,促进学生的终身发展。