《第十章 静电场中的能量》学习过程设计

从课程目标来看，本章的主要内容是帮助学生进一步形成“能量观”。能量观在本章中的体现可由下表来概括

　　本章主要学习以下三项内容：一是静电场中有关能量的概念和规律，包括电势能、电势、等势面、电势差与电场强度的关系等；二是电容器的电容；三是带电粒子在静电场中的运动。

　　科学方法的教育价值，科学方法是人们在认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的思维方式和行为方式，科学方法不仅是中学物理教学的重要内容，还是获取物理核心知识的重要手段，更是培养学生关键能力的重要途径。

　　物理核心知识的深度学习，从生活中的物理现象到核心知识，到物理核心概念，再到物理观念的构建是一个曲折和螺旋上升的过程，主要包括三个过程、四个要素：从物理现象到物理核心知识的体验和感悟过程、从物理核心知识到物理核心概念的整合和联结过程、从物理核心概念到物理观念的提炼和升华过程。

　　因此必须实现对物理核心知识的深度学习，深刻把握核心知识的丰富内涵和多维意义，才能发展学生的物理学科核心素养。深度学习强调对知识本质的理解和对学习内容的批判性吸收与利用，追求有效的学习迁移和真实问题的解决，属于以高阶思维为主要认知活动的高投入、有意义学习。

　　以科学方法引领核心知识的深度学习，深度学习追寻知识与思想方法、情感、逻辑、意义、价值的整合建构，以科学方法为主线组织教学，充分发挥科学方法的教育价值是实现核心知识深度学习的有效途径。

　　学习电势能的主要研究方法——类比法，进而用此方法推导静电场的规律。静电力和重力都是非接触力；库仑力和万有引力公式的相似性；静电场和重力场有诸多的相似性，我们就应该主动运用类比法，有意识地由重力场的性质作出猜想，以期待得到更多静电场的性质。静电力做功与路径无关，是建立电势能概念的基础。学习相关内容有三个层次： 第一，对匀强电场中电荷沿两条不同的路径（一条是直接到达、 另一条是沿折线到达） 所做的功进行推导，证明它们是相等的，因为这是下一层次的基础；第二，把第一层次的直线到达，改为沿曲线到达，用把曲线分割成许多段的分析思路，证明静电力做功与路径无关的结论也适用于曲线，这个过程的学习目的不仅是为了得到“适用于曲线”的知识结论，同时也是为了让学生再一次经历物理研究中“极限”的思维方法，提升学生的科学思维素养；第三，关注用旁批说明： “这个结论虽然是从匀强电场中推导出来的，但是可以证明对非匀强电场也是适用的.”在这里要引导学生再一次使用分割的思路，把非匀强电场分割成许多匀强电场进行证明。

　　学习电势主要体会用物理量之比定义新物理量的方法。尽管过去也用物理量之比定义过新的物理量，例如密度、压强、 比热容，速度、加速度等，但电势的定义跟以往有很大不同，是被定义的新物理量跟定义式中的物理量不是同一研究对象，没有相互影响的因果关系。具体说，电势虽然等于试探电荷的电势能与试探电荷的电荷量之比，但该比值的数量和单位并不是描述试探电荷的性质，而是描述静电场中某一位置的性质，该比值与试探电荷无关，这是物理研究中一种重要的思维方法，通过学习类似的电场强度、电势、磁感应强度的定义，学会比值定义式学习新概念科学思维方法。

　　学习电势差的主要研究方法-推导法，首先在学生已有的基础上引导学生为什么要提出电势差概念，推导得出的结论时，是根据以下几个规律： ① ② ③ ④公式①是根据静电力的功等于电势能减少的规律得出的；公式②、③是根据电势的定义得出的；公式④是本节引入的电势差的定义。这四个公式不局限于匀强电场，也不局限于沿着电场线方向做直线运动，因此，这公式在静电场中普遍适用的特点，用可以计算任意形式静电场中的带电质点做各种运动时静电力所做的功，配合动能定理，能很方便地解答带电粒子在静电场中的动能变化问题或速率变化的问题，这是公式的优点。在公式中，有正有负，q有正有负，也有正有负，因此就存在各种复杂的正负关系，在处理这些正负关系时，A规定是初位置，B规定为末位置，例题就是让学生熟悉这些正负符号规则的。通过理论探究找到两点间电势差和电势的关系表达式，确定两点之间电势差的正负号与这两点的电势高低之间的对应关系，并能够理解电势差的数值与零势面的选取无关。让学生明白为什么要学，怎样学，学了有什么用，以此来突破教学的难点。这也是概念性比较强的理论知识，学习这些知识，很多是通过演绎的方式进行的。因此，通过这些知识的教学来提升学生的科学思维能力。

　　学习等势面的主要研究方法-类比法和定性到定量法，等势面的分布图和地理中等高线分布图的类比，从等高线引入课题，一方面激发兴趣，一方面用地理中坡度的陡峭程度来类比电势降落的快慢，增强感性认知，并且从定性到定量，降低学生认识的难度。用了三个环节来完善等势面的教学。第一，用反证法证明，等势面一定跟电场线垂直。教学中不仅应该让学生了解这个结论，还应该让学生经历这个反证法的推理过程。为此，本章后A组题的第2题，安排了一个类似的反证法问题，证明疏密不同而又互相平行的电场线是不存在的，目的就在于提升学生用反证法进行推理的能力。第二，学习几幅典型电场的等势线和电场线插图，一方面是让学生了解这些典型电场的等势线和电场线的大致形状，另一方面让学生感受一下等势线和电场线相互垂直的具体呈现。第三，通过“思考与讨 论”，思考物理中的等势线跟地理中的等高线在意义。

　　学习电势差与电场强度的关系主要研究方法-分析推理法，电势差与电场强度的关系式有两种表达形式，一种是，另一种是。教学中先根据静电力的功推出前一种形式，再通过数学变换演变为后一种形式。前一种形式的含义为“匀强电场中两点间的电势差等于电场强度与这两点沿电场方向的距离的乘积”，后一种形式的含义为“电场强度在数值上等于沿电场方向单位距离上降低的电势”。后一种形式更容易体现电势差与电场强度的关系，它解读了“电场线较密的地方等势线也较密”的原因，因为两相邻等势线之间的电势差U相同时，E越大的地方，d越小，所以等势线越密。分析推理法是帮助学生深度理解知识的重要方法，学生在自主分析推理的基础上才能建构知识的意义。针对学生观察到的现象，通过问题驱动与学生深度对话，帮助学生认识电势差与电场强度的关系。

　　采取比较法学习电场强度的三个公式，学生只有在比较中提升对公式的理解，提升面对多个问题的科学分析方法，提升物理科学素养。

　　采取观察法去认识电容器，观察什么？如何观察？第一，要观察电流的方向，充电时电流的方向是怎样的？ 放电时电流的方向是怎样的？ 由此思考电容器两个极板的带电情况； 第二，要观察电容器两极板电压大小怎样变化？ 跟上述两极板的带电情况联系起来；第三，要观察电流大小如何变化，联系电压、电量思考充电或放电的具体情境。学生在讨论合作中积极完成，类比法要研究电容器容纳电荷本领的大小，就得研究电容器容纳的电荷量Q和两极板电势差U之间的关系。实验探究法要研究电容器容纳的电荷量Q和两极板电势差U间的定量关系，可借助DIS实验系统，用电流传感器和电压传感器进行实验。采用比值定义法可以发现电容器容纳电荷的本领与两极板间电势差有关，电容器容纳电荷的本领可以用来表示，这个比值越大说明电容器容纳电荷的本领越强，把这个比值就定义为电容器的电容C，。

　　控制变量法展示教学用的平行板电容器，让学生猜想平行板的电容器的电容与那些因素有关。安排了一个“探究电容器带电量跟电压的关系”实验。这个实验的器材需要用数字电压表和大容量电容器，不能用普通指针电压表。因为用电压表测量电容器的电压时，实际上就是一个闭合电路： 电容器是电源，电压表是用电器。普通电压表的内阻不够大，因此回路中电流不是足够小，测量时，电容器所带的电荷量很快就被消耗了，因此指针电压表不可能维持很长时间。数字电压表（或数字多用表电压档）电阻非常大，如果电容器的电容足够大，其测量电容器电压的读数可以维持很长一段时间而不会明显改变。

　　常用电容器，介绍了聚苯乙烯电容器、电解电容器、可变电容器和超级电容器。教学中，除了介绍它们的不同特点之外，还应该从影响平行板电容器电容的几个因素，来思考这几种电容器增大电容的思路，把科学规律和技术发明结合起来。

　　带电粒子在电场中的运动本节属于派生性的知识，（1）关于带电粒子在电场中加速的问题，有两种分析思路： 一种是利用牛顿第二定律结合匀变速直线运动公式来分析；另一种是利用静电力做功结合动能定理来分析。当解决的问题属于匀强电场且涉及运动时间等描述运动过程的物理量时，适合运用前一种思路分析；当问题只涉及位移、速率等动能定理公式中的物理量或非匀强电场情景时，适合运用后一种思路分析。在讲解这个例题时，除了剖析直线加速度的原理之外，还应该体现这两种分析思路。（2）带电粒子在电场中的偏转，比在电场中沿直线加速运动复杂一些，涉及两个方向的运动。由于带电粒子垂直电场方向进入匀强电场后，其初速度和所受的力跟平抛运动相似，因此运动规律也跟平抛运动相似，分析的方法也就跟平抛运动相同。所不同的是，平抛运动物体所受的力是重力mg，加速度为g；而带电粒子在匀强电场中所受的力是静电力qE，加速度为，在垂直于电场方向和沿电场方向的分析方法和平抛运动是一样的。主要包括两个方面，一是分析和了解带电粒子在某时刻的位置或某段时间的位移；二是分析和了解带电粒子在某时刻的速度。因此，在教授带电粒子在匀强电场中的偏转例题时，简要地围绕着这两个主题进行，一是求偏移的位移，二是求偏转后速度的方向。解析这两个问题，主要用到运动与相互作用的关系，是“运动与相互作用观”解决问题的具体体现。

　　采用合作探究式的教学方法，通过实验演示创设物理情景，激发学生学习兴趣；通过微机模拟电子运动，使微观粒子运动的过程宏观化；通过恰当的问题设置和类比方法的应用，点拨了学生分析问题的方法思路；引导学生进行分析、讨论、归纳、总结，使学生动口、动脑、动手，亲身参与获取知识，提高学生的综合素质，学习过程中应用计算机、多媒体课件、示波器、大屏幕投影等现代化手段，既节约了时间，又提高学习效率。

　　同学科技前沿介绍，让学生了解科技发展的前沿，和学生观看CCTV10《走进科学》播出的“超级电容”内容，用大学实验仪器和学生一起去做密立根实验—电子电荷量的测定。

　　为实现物理核心知识的深度学习，需要充分挖掘科学方法的教育价值，以科学方法为主线，组织、整合物理核心知识教学，这样一方面有助于将物理核心知识凝练、升华为物理观念，另一方面有助于学生在掌握科学方法的同时发展科学思维能力，提高其物理学科核心素养。