注重物理概念建构促进学生思维发展

王志芳

摘   要：电动势是电路及其应用中一个比较抽象的核心概念，也是高中物理教学中的一个难点，并贯穿了恒定电流、电磁感应、交变电流等高中物理主干单元。基于学生对电源电动势概念已有的认知，将电动势定义式应用在不同的问题情境中，经过新旧知识的碰撞，引导学生在头脑中勾勒出知识体系之间的关联并建构物理模型，让电动势概念在学生的动态认知过程中得到提升与进阶。

关键词：电源电动势；概念建构；思维发展；学科大概念

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）5-0074-7

物理觀念的建立是一个缓慢、复杂的过程，是在学生经历物理概念和规律等内容的学习和运用过程中逐步形成的。物理概念的形成也是一个复杂的系统的过程。像“非静电力”“电动势”这类概念，学生在学习时就会普遍存在着思维上的一些障碍。学生的学习是一个知识和能力不断积累、不断优化发展的过程，学生对物理概念的理解往往要经历许多个不同的中间状态，需要逐层进阶，才能从浅表走向深度的理解。这就要求教师在教学过程中要根据物理概念和规律之间内在的逻辑来组织和优化教学程序，使学生对物理核心概念的理解达到一个较高层级的水平。

学生在建构物理概念的过程中，需要经历丰富的思维探究活动，获得充实的螺旋式上升的思维体验。在高中物理学习中，学生经历从新授课学习到高三的复习，对电动势概念的理解逐级深入。随着学习进度的不断推进，学生在头脑中形成的知识结构体系逐渐完善，这就需要教师在教学中不断挖掘物理概念的内涵，拓展概念的外延，从而保证学生对物理概念全面科学的建构。本文是在学生通过恒定电流单元学习已经建立电动势概念的基础上，将电动势定义式运用到不同知识单元的问题情境中，在不同问题情境中归纳出物理概念的共同属性和本质特征，以期充分发展学生的科学思维能力，以循序渐进的方式实现电动势概念学习的进阶，从而使电动势概念上升至能反映学科本质的大概念。

1    基于功能关系，定义电动势

1.1    电动势概念初建构

如图1所示，有两个导体A和B，彼此隔开一定距离，其中A带正电荷，电势为正，B带负电荷，电势为负。如果在A，B之间连接导线H，由于导体A的电势比导体B的电势高，导线中就会有沿着导线方向由A指向B的电场E，导线H中的自由电子就会在静电力的作用下沿导线运动而形成电流。自由电子在A，B间的电场的静电力作用下，沿导线从导体B运动到导体A，与导体A上的正电荷中和，因此导体A的电势降低，导体B的电势升高，它们之间的电势差不断减小。当导体A和导体B的电势相等时，自由电子不再发生定向移动，导线H中的电流也随之消失。在这种情况下，导线H中只存在一瞬间的电流。

如果要使导体中形成恒定电流，则导体内必须有恒定的电场。倘若在A，B之间连接一个如图2所示的装置P，它能在B失去电子的过程中，不断从A取走电子，补充给B，使A，B之间始终存在恒定电势差，H中就会存在持续的电流。能把电子从A搬运到B的这种装置P就是电源。在电源P内部，存在一个向右的电场，负电荷会受到向左的电场力，要想将负电荷在电源内部从电极A处搬运到电极B处，必须施加一个向右的力，这个力就叫非静电力。这个非静电力迫使负电荷反抗静电力，从电势能高的A处移向电势能低的B处，从而将其他形式的能转换为电能。这是以电源搬运的电荷为负电荷为例进行分析的，当然也可以电源搬运正电荷为例进行分析。

为了表征电源把其他形式的能转化为电能的本领，物理学中引入了电动势这个物理量。把正电荷（或负电荷）从负极（或正极）移送到正极（或负极）非静电力所做的功W与被移送电荷量q的比值定义为电源电动势，其比值定义式为E=，但电源电动势E与W，q无关。

1.2    初建构之教学实践探索

在实际教学中，我们发现学生对电动势概念的理解上有很多困难。学生在初中阶段已经学过一些电学知识，受当时学生认知水平的影响，初中阶段所学的电学知识可能会具有一定的片面性和局限性，导致学生对电动势概念的理解存在着很多干扰因素。电动势是表征电源中非静电力做功本领大小的物理量，电动势概念的呈现有些含蓄抽象。初学阶段，对电动势的定义一般采取直接给出的方式，由于学生没有经历科学探究过程和科学思维过程，导致其很难理解电动势概念。学习是构建知识的过程，学生通过高水平的思维活动来学习，通过解决问题来学习，才能让学习真实发生。按照学生思维认知特点，从非静电力做功的角度来定义电动势概念是目前更为科学的一种定义认知方式。

2    剖析电荷受力特征，建构磁流体发电机模型

磁流体发电是一种新型的发电技术，它是将带电的等离子体以极高的速度喷射到磁场中，离子流中的正负离子因各自受到不同的洛伦兹力作用而在磁场中发生偏转，运动到两个电极上并将自身所带电荷传递给电极，从而达到了发电的目的。磁流体发电机工作过程中，将工作介质的内能直接转化为电能，无需经过机械转换环节，所以磁流体发电技术中的燃料利用效率更高，是一种更为高效的发电技术。

2.1    磁流体发电机模型原理剖析

带电粒子进入电场中，要受到电场力作用；带电粒子进入磁场中可能要受到洛伦兹力作用。分析与解决这类问题的思路和方法与力学问题完全相同，只不过多加了电场力和洛伦兹力而已。图3所示的装置中，一束等离子体（高温下电离的气体，含有等量电荷的正、负离子）以某一速度v喷射入发电通道，发电通道处于左右两个磁极所产生的磁场之中，在通道内上下两侧放入两块金属板a，b作为电极。等离子体进入磁场后会受到洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下，正、负离子分别向b，a极板偏转积累。根据左手定则可知，正电荷向下极板b偏转，负电荷向上极板a偏转，两极板间形成竖直向上的匀强电场，离子在向前运动过程中，就会受到电场力和洛伦兹力作用，且两力方向相反。开始时，a，b两板积累电荷较少，形成电场还比较弱，qE■

2.2    磁流体发电机模型原理进阶

实际工作中的磁流体发电机，当电离气体喷入管道时，会受到摩擦阻力的作用，所以要想将等离子体不断喷入发电通道中，需要在通道两端有一个喷入的压强差，我们可借助如下的情境来计算这个压强差。

图4为一磁流体发电机的示意图，上下两个侧面是电阻可忽略的导体，与负载电阻R相连，发电管道部分是长为l、宽为d、高为h的长方体，前后两个侧面是绝缘体材料。电阻率为ρ的电离气体持续向右流经管道，电离气体所受摩擦阻力与气体流速成正比。整个管道处在方向垂直于前后面且向后的磁感应强度为B的匀强磁场中。当管道部分不加磁场时，电离气体的流速為v0，加上磁场时电离气体的流速为v，为保证正常持续发电，有磁场存在和无磁场存在两种情况下，管道两端都会有一个恒定的水平向右的压强差，我们可以根据受力平衡和压强的定义式来求解这个压强差的大小。

3    基于电磁感应规律，进阶电动势概念

感应电动势产生的机理不同，是因为引发磁通量变化的原因不同，一般分为两种情况：一种是导体不动（即面积S不变），由于磁场变化（即磁感应强度B变化）引起磁通量变化而产生的感应电动势，这种电动势叫感生电动势；另一种是磁场不变（即磁感应强度B不变），导体运动（即导体在磁场中的面积S变化）引起磁通量变化而产生感应电动势，这种电动势叫动生电动势。

3.1    感生电动势的产生机理

3.2    动生电动势的产生机理

当导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中的自由电荷会受到洛伦兹力作用而发生定向移动聚集在导体的两端，使得导体两端存在电势差，这就是动生电动势。如图6甲所示，水平放置的光滑U型导轨，在导轨所在区域内有竖直向下的磁感应强度大小为B的匀强磁场，与导轨接触良好的、长为L的导体棒cd放在导轨上面。现用水平向右的拉力F拉着导体棒在匀强磁场中以速度v水平向右做匀速运动。

通过上面的分析可知，洛伦兹力充当电源非静电力做了正功，这与学生平时的认知“洛伦兹力不做功”产生了矛盾，该如何解释呢？我们可以这样分析，当电子沿导体棒方向由d端向c端运动时，电子在cd方向上也有了速度，设电子沿导体棒方向的运动速度为u，方向由d端指向c端，则此速度也有一个垂直导体棒方向的洛伦兹力f2=euB，如图7所示，此时电子速度应该是v和u的合速度v■，电子受到的洛伦兹力为f1和f2的合力f，且v⊥f。设在Δt时间内， f1做正功，W1=f1·uΔt=evBuΔt，表示电势能的增加； f2做负功，W2=-f2·vΔt=-euBvΔt，表示机械能的减少，且W1=-W2，这说明导体棒中的一个自由电荷所受的洛伦兹力做功为零，洛伦兹力两个分力做功只是起能量“传递”的作用。

4    创设光电效应情境，深化对电动势概念的理解

光电效应是物理学中一个神奇而重要的光学现象。当光照射到某些物质上时，引起物质的电性质发生变化，物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，在这个过程中光能就转换成了电能。如图8所示，在真空中水平放置两块平行金属板，在光照前金属板均不带电，当用光照射金属板A时，金属板A中的电子可能会吸收光子的能量从金属板中逸出，这就做成了一个光电转换装置。两个极板的接线柱分别为a和b，忽略电子之间的相互作用，电子的电荷量为e，已知逸出的光电子都能垂直于A板运动到B板。保持光照条件不变，单位时间内从A板逸出的光电子数为N，从金属板逸出的光电子的最大初动能为Ekm。

5    借助创新情境，拓展对电动势概念的理解

随着科学技术的飞速发展，许多新型的能源不断产生，它们的能量来源虽然不同，但是产生电源电动势的原理近乎相同。基于创新情境的问题解决也是培养学生创新探究能力的有效手段，希望借助创新情境中信息的提取和建模，直至解决问题的历练过程，达到进一步提升学生学科核心素养的目的。

5.1    太阳能电池

太阳能电池是一种把光能转化成电能的发电装置，P型半导体和N型半导体的交界区域——PN结是其核心部分，当太阳光照射到半导体PN结上时，其两边就会出现电势差，这就是太阳能电池的发电机理。如图9所示的太阳能电池，坐标原点在P型和N型半导体的交界面中间， PN结左右端到原点的距离分别为xP，xN。无光照时，PN结内会形成一定的电压，产生方向由N区指向P区的内建电场E■；当有光照时，受正电荷约束的电子会获得光能成为自由电子，产生电子-空穴对。在内建电场作用下，带负电的自由电子被驱向N区，带正电且带电量为e的空穴被驱向P区，使得N区带负电，P区带正电，这就是光能转化成电能的直流电源。当断开外电路时，其PN结的内建电场场强E的大小分布如图10所示， xP，xN和E0的大小均为已知。若将该电池短路时，设单位时间内通过外电路中某一横截面的电子数为n。关于这个太阳能电池的电动势E和内电阻r的解答，可以从如下两个角度来考虑：

5.2    放射性同位素电池

综上所述，在不同的电源中，充当非静电力的物理本质可能会有不同，但非静电力扮演的角色是相同的，非静电力做功是电动势产生的重要源动力。蓄电池中的非静电力是一种化学作用，而电磁感应中动生电动势产生的非静电力是电荷所受的洛伦兹力，感生电动势中的非静电力是感生电场对电荷的电场力。本文中涉及到的与光电效应有关的电池、太阳能电池和放射性同位素电池等，其非静电力产生的原因可能不同，却有着相似的效果。

电动势是电学中一个较为抽象的物理概念，缺乏直观性，而且电源种类繁多，工作原理差异性也较大，学生在建构模型、概念的生成与理解、内涵挖掘等学习中会遇到巨大的挑战。本文拟通过电动势概念的科学建构过程，以期探索分层级、全方位、深度科学建构物理概念的教学实践，将电动势概念在恒定电流、磁场、电磁感应、交变电流等问题情境中以模型探究的方式呈现，进而达到让学生对电动势概念的进阶理解和应用。在这种情况下电动势概念就可能是一个能反映学科本质的可迁移的学科大概念。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020：5，3．

［2］廖伯琴．普通高中物理课程标准（2017年版）解读［M］．北京：高等教育出版社，2018．

［3］王立斌，王铁桦．基于核心素养培育的案例优化与思考——以“电动势  闭合电路欧姆定律”的教学为例［J］．物理教学，2020，42（6）：12-17．

［4］赵西耕，白玉芳．促进学生核心素养发展的“电动势”教学设计［J］．中学物理教学参考，2021，50（2）：42-44．

［5］魏华．“电动势”教学设计［J］．物理通报，2012（10）：58-59.

（栏目编辑    李富强）