基于跨学科融合视域的电动势高端备课再研究

张惠晴　邢红军　石尧

摘   要：基于跨学科融合视域，对电动势教学的高端备课进行了再研究。通过阐明“板电场”“膜电场”模型建立的微观机制，指出非静电场与静电场、非静电力与静电力在场源电荷与电路构成上的本质区别，并从三种视角展现了铜锌伏打电池中非静电力做功的本质图景，最终得出了非静电场、非静电力为电路提供恒定电流的物理机制。

关键词：电动势；跨学科；物理建模；高端备课

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）6-0072-4

电动势作为描述电源特性的物理量，不仅对于学生理解电路中回路的构成，建立能量观有着特殊的意义，同时也是电化学领域的重要研究对象。因此，电动势的教学就带有鲜明的“跨学科”属性。有鉴于此，我们立足跨学科融合的视域，在梳理原有电动势高端备课不足的基础上，对电动势内容的教学展开再研究。

１    电动势高端备课再研究的意义

电动势的高端备课立足电动势形成的知识本质，根据教材内容的深广度与学生的可接受程度，以伏打电池为例，系统阐释了电动势的微观机制，从而对电动势的教学进行了有益探索。简而言之，文中先对现行电动势的教学进行了回顾与反思，并在此基础上指出：现有教学安排均回避了对电动势概念的本质阐述，导致学生可能无法完整地建立电动势的概念。随后，文中以铜锌伏打电池为例，指出非静电力在本质上仍然是一种“电场力”，这种立足“非静电力”本质的诠释，使电动势的概念和形成过程一目了然［１］。当然，物理高端备课作为一种接受课堂教学实践检验的备课形式，在经历了课堂教学实践后，也需要进行自我革新。为此，我们基于跨学科融合的视域对电动势的高端备课进行了深入反思，并尝试进一步将“板电场”模型和“膜电场”模型建立的微观机制、静电场与非静电场的区别、静电力与非静电力的区别融入其中。

２    电动势高端备课的再研究

追溯电化学发展史，世界上第一个真正意义上的电池是由意大利物理学家伏打发明的。伏打发现，只要两种中间夹有湿硬纸、皮革或其他海绵状物的不同金属接触，就会有电流产生，从而据此研制出了能维持一定电流的伏打电堆，如图1所示［２］。这里，我们对“伏打电堆”进行教学上的简化与纯化，即将锌片与铜片置于稀硫酸中，构造出一个简化的“伏打电堆”模型，如图2所示（说明：为了方便呈现，本图及后面相关图片均略去电解质溶液）。接下来，我们从分析恒定电流的形成过程入手，尝试厘清电动势在电路中的作用和意义。

现藏于意大利科莫伏打博物馆

２．１    在稀硫酸中插入锌板与铜板，分析化学反应实质

首先，根据金属活动性顺序表（图3），锌可与稀硫酸发生反应，继而失去电子，以带正电荷的锌离子形式存在于溶液中；相应地，稀硫酸中的氢离子因从锌板中得到电子而变为氢气逸出，化学反应方程式可表示为：

Zn+H₂SO₄=ZnSO₄+H₂↑

同时，由于金属铜性质稳定，不与稀硫酸反应，所以铜板不受影响。

２．２    连接锌板与铜板，分析“板电场”与“膜电场”模型建立的微观机制

用导线连接锌板与铜板后，电路就形成了回路。这里，我们先分析锌板上的电子运动情况。此时，电子有沿导线从低电势向高电势移动的趋势，同时刚进入溶液带正电荷的锌离子也阻碍了带同种电荷的氢离子进一步获得电子，这样电子就暂时积聚到了锌板上。由此，储存电子的锌板将带有负电荷，就吸引溶液中的锌离子排列在锌板与溶液的接触面上，从而形成了一层带等量正电荷的“薄膜”。再分析铜板上电子的运动情况，电子在锌板的储存导致溶液中正电荷累积而显正电性，这样铜板的电子必然受到正电荷的吸引而进入溶液中，完成电性的中和，由此从物理视角解释了“溶液呈电中性”的原因。此外，留下的铜板带有正电，最终溶液中的电子也将受到吸引，排列在铜板与溶液的接触面上，形成一层带等量负电荷的“薄膜”［３］。这里，我们把在锌板和铜板内表面电荷构成的电场称为“板电场”，把锌板外表面（与溶液接触的表面）的正电荷“薄膜”与铜板外表面（与溶液接触的表面）的负电荷“薄膜”构成的电场称为“膜电场”，如图４所示，这就是“板电场”与“膜电场”模型建立的微观机制。

２．３    连接锌板与铜板，分析“板电场”与“膜电场”模型变化的微观机制

当锌板与铜板连接后，原电池就连通了外电路，如图５虚线框所示。由于锌板带负电而电势低，铜板带正电而电势高，因此，锌板中的电子受到铜板上正电荷电场的吸引，在外电路中沿导线从锌板流向铜板，结果导致锌板上的电子与铜板上的正电荷都减少了，相应地“板电场”也就变小了。

随着“板电场”的减小，“膜电场”对电子的阻碍作用不断增强，直到锌板中的电子减少到一定数量后，“膜电场”变得足够强，以致电子再也无法流向铜板，此时“板电场”与“膜电场”便暂时达到了稳定状态。这里，我们把“板电场”与“膜电场”在空间叠加形成的等效电场称作“E非”。由于此时“板电场”减小，“膜电场”起主要作用，因此“E非”（E_非＝E_膜-E_板）的场强方向向右。并且，因为此时铜板和锌板外表面（与溶液接触的表面）的电荷是静止的，所以“板电场”是静电场，施加给电子的力是静电力［４-５］。

２．４    连通内电路，分析内电路离子移动

在外电路連通后，稀硫酸溶液作为“导电体”也就连通了内电路，如图６虚线框所示。稀硫酸作为强电解质，在水中能够完全电离生成氢离子与硫酸根离子，电离方程式为：

H_２SO_４=2H^＋+SO₄^２－

锌板内表面的电子经导线来到铜板后与氢离子结合，生成氢气离开溶液体系，并且随之产生的锌离子和剩余的硫酸根就会积累在锌板外表面与铜板外表面，使“膜电场”增强，从而阻碍电子移动，使化学反应终止。可以说，正是因为有等效电场“E_非”的存在，使銅板附近带负电荷的硫酸根被不断搬向锌板，中和带正电的锌离子，从而为新“剩余”出的硫酸根“腾出”位置。

等效电场“E非”消除了锌板因为生成电子而带来的电荷积聚影响，从而使锌板上电子数量减少后，又能有新的电子产生，继而使锌板上的电子数保持恒定。并且，由“板电场”的形成过程可知，铜板上的正电荷是溶液中带正电的锌离子吸走铜板上的电子所致。再由电极方程式：

Zn-2e^-= Zn²⁺

可知，锌板上电子的增多必定伴随着溶液中锌离子的增多。现在锌板上的电子数保持恒定，故而进入溶液中的锌离子数量也是恒定的，由此可知铜板上的正电荷数量保持不变，因此构成“板电场”的电荷就达到了“动态平衡”。同样，尽管构成“膜电场”的锌离子与硫酸根也在不断运动，但总有新的锌离子与硫酸根补充进来，因此也达到了一种“动态平衡”。

此时，虽然构成“板电场”与“膜电场”的电荷不是静止的，但电荷的分布是稳定的，不会随时间而变化，故而导致电场的分布也不会随时间而变化。值得说明的是，这种“由稳定分布的电荷所产生的稳定电场”正是我们在高中阶段所学的 “恒定电场（ｓｔｅａｄｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）”［４］。由于产生恒定电场的电荷处于“动态平衡”中，因此，恒定电场是一种“非静电场”，带电离子在电场作用下受到的力也是非静电力。如图7所示。

、２．５    统领全局，理解非静电力的本质

最后，教师在此基础上，从回路电势、回路电荷、回路电场三个角度，为学生阐释非静电力的本质。从回路电势的角度而言，电子从锌板不断来到铜板，导致锌板一侧电势逐渐升高，铜板一侧电势逐渐降低。为了能持续产生电流，电路中需要维持电势差。对于正极：

2H⁺+2e^-=H₂↑

铜板上的电子不断被氢离子结合而生成氢气逸出，导致电势的升高。对于负极：

Zn-2e^-=Zn²⁺

锌板不断生成电子而导致电势的降低，并且随之生成的带正电荷的锌离子进入溶液中，被E■搬运来的硫酸根中和。从回路电荷的角度，外电路中带负电荷的电子在静电力的作用下，沿导线由负极来到正极；内电路中带负电荷的硫酸根在等效电场的非静电力作用下，从溶液中由正极来到负极，最终构成了负电荷在电路中的“回流”。从回路电场的角度，恒定电场作为一种“非静电场”，其特殊性在于，它提供的“非静电力”能够升高电势，从而弥补了“静电力仅能让电路电势降低而无法维持电势差”的不足。电荷“非静止”的意义不仅在于令恒定电场导体内部的电场强度不等于０，使电荷被不断搬运以维持电势差；同时电荷持续非静止的定向运动需要能量来维持，这就决定了电源是一种能量转化装置。可见，正是场源电荷的状态及分布情况决定了静电场与非静电场、静电力与非静电力在电路构成与能量转化上的本质区别。

上述三种视角清晰地展现出了铜锌伏打电池中非静电力做功的本质，即铜锌伏打电池通过化学的方式产生非静电场，该电场通过提供“非静电力”对溶液中的带电粒子做功，继而维持电源电势差，将化学能转化为了电势能。该图景不仅展现了“非静电场”“非静电力”为电路提供恒定电流的重要意义，更揭示出在电源内部的电路中，施加给带电粒子的“非静电力”不是“化学力”等由电源类型决定的力，而是由动态的电荷所施加的“电场力”，从而完美地剖析了电动势产生的微观机制。

３    研究启示

３．１    掌握建模方法，培养科学思维

众所周知，物理知识的获得和应用均需要借助科学方法来完成，其中理想模型法作为一种重要的科学方法，以分析、抽象、概括等思维为基础，意在突出主要因素，忽略次要因素，使复杂而冗繁的物理现象变得简单且易于分析［６］。研究显示，理想模型法只有在实际应用中，才能被学生掌握与内化。故而为了使学生能够更好地掌握理想模型法，我们从选取研究对象开始，便积极引导学生运用理想模型法对伏打电堆进行简化与纯化，由此构建出由锌板、铜板、稀硫酸溶液和导线组成的探究模型。再者，“板电场”与“膜电场”的建立也是以电化学中的“双电层（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ）”模型为基础的，其间引导学生立足物理视角，忽略“溶剂化离子（ｓｏｌｖａｔｅｄ ｉｏｎｓ）”“吸附现象（ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）”［３，７］等次要因素，突出主要的“电荷分布”这一关键性因素，来完成理想化模型的建构。可以说，理想模型法贯穿电动势教学设计的始终，使学生在电动势的学习中可以渐次体验理想模型法的妙用，并完成方法的内化。

３．２    注重过程细节，疏通教学逻辑

物理教学不仅要讲清楚“是什么”，更要从知识的本质入手讲清楚“为什么”［８］。针对电动势的教学而言，在理解伏打电池微观机理的过程中，学生要根据已掌握的知识尝试对新知识进行解释与学习。倘若粗浅地略过了其中一些关键的教学过程，势必会造成学生头脑中逻辑链条的断裂，无法形成对电动势的完整认识。于是，我们在教学中补充了“在稀硫酸中插入锌板与铜板，分析化学反应实质”“连接锌板与铜板，分析‘板电场与‘膜电场模型建立的微观机制”等环节，由此为“板电场”与“膜电场”的模型建立与理解做好了充分铺垫，让学生能够真正明晰等效电场的来龙去脉，促使他们顺利完成对非静电力本质的探究。

３．３    关注学科融合，贯通理科知识

Ｍｏｒｒｉｓｏｎ 曾指出，“将知识按学科进行划分，对科学研究、深入探究自然现象、模块化地教授知识有所助益，但却不能反映我们生活世界的真实性和趣味性”［９］。由此可见，各学科之间的融合与贯通不仅可以更好地解释现有的概念与问题，更能为未来的研究与探索打下坚实的基础。有鉴于此，我们基于跨学科融合的视角，摆脱学科中特定知识的束缚，重新开启了电动势教学的高端备课，从物理和化学之间的跨学科联系切入，打破学科间的“思维壁垒”，回归问题研究者的原始身份。值得强调的是，在进行“跨学科”的物理教学中，教师必须坚持自己的物理学科立场。如教学中对电动势微观机制的剖析，虽然是建立在化学原电池的基础之上，但我们的高端备课在建模与分析电动势的微观机制时均采取了“突出物理视角，弱化化学知识”的方式，着重强化了“电场”“电场力”的作用，阐释了“溶液呈电中性”的原因，并结合基本化学方程式去理解电动势形成过程中的电势与电荷变化，而非囿于“氧化还原”“化学平衡”等化学问题。

参考文献：

［１］许冉冉，邢红军．电动势教学的高端备课［Ｊ］．物理教师，２０１６，３７（５）：６－８．

［２］人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究開发中心．普通高中教科书化学选择性必修 １化学反应原理［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９：１０１－１０２．

［３］高鹏，朱永明．电化学基础教程［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０１３：５２，６２．

［４］人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心．普通高中教科书物理必修第三册［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９：１１－１２，５４．

［５］程守洙，江之永．普通物理学上册［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０１６：２５７．

［６］邢红军．高中物理科学方法教育［Ｍ］．北京：中国科学技术出版社，２０１５：６４．

［７］傅献彩．物理化学·下册［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６：７３．

［８］乔际平．物理教育学［Ｍ］．南昌：江西教育出版社，１９９２：３．

［９］Ｍｏｒｒｉｓｏｎ Ｊ， Ｂａｒｔｌｅｔｔ Ｒ， Ｒａｙｍｏｎｄ Ｖ． ＳＴＥＭ ａｓ ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ［Ｊ］．Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｗｅｅｋ，２００９（２３）：２８-３１．

（栏目编辑    李富强）