“自由电子的金属导线之旅”恒定电场教学探究

2019-09-18 版权声明 举报文章

“自由电子的金属导线之旅”恒定电场教学探究

摘 要 2007版物理选修3-1中提出“恒定电场”的概念,所以力图在教学中通过探究“自由电子金属导线之旅”让学生理解“恒定电场”的概念,

明确恒定电流形成的原因和动态平衡的概念,本文是针对于这样的教学设计过程和价值的探讨和研究。

关键字 恒定电流 恒定电场 动态平衡 电流的形成 新课程中对“恒定电场”概念的引入意义的分析

2007版物理选修3-1这套教材的第1节教学中,提出了“恒定电场”的概念,我们过去在教授这块知识时,其实是相当含混的,总是说“导体中形成了电场,所以自由电荷发生了定向移动”。学生对“恒定电场”的理解总是相当模糊,认为导体中的电场强度应该为零,怎么在导体中又有了电场?其实,导体中电场强度为零是需要一定的条件的,只有在达到静电平衡状态时才行。但是在过去的教学中,我们并没有处理过静电不平衡的情况,如果在处理这段教材时,我们可能会稀里糊涂的过去,虽然这对学生学习“恒定电场”这个知识点来讲,并没有太大的影响,但是却有悖于物理学作为一门“追求事物原理”的学科的价值观教育原理。所以,我们在教学中,要逐步引导学生理解导体两端加上恒定电压时,导体内部的不同的位置有电荷堆积,所以其中电场强度不是零,但导体内部的电荷分布是不随时间变化的,电场强度也是不随时间变化,所以在我们所讲的“恒定电场”中的“恒定”的概念只是相对于静电场而言,其本质却是一种“动态平衡”。

对于“恒定电场”教学的引入“自由电子金属导线之旅”的几个探究点的分析

导体内部的这种瞬间的动态平衡建立的很快,但是却不易被学生理解。所以在引入“恒定电场”的教学时,的确需要我们花一些功夫,抽丝剥茧,揭开导体内部恒定电流形成的神秘面纱。我们不妨将金属导线内部的自由电子作为自己的研究对象,展开一场“自由电子的金属导线之旅”。引导学生在如下几个问题进行探究和分析:

1.请学生简单说明金属内部结构,未加电源时,导体内部自由电子的运动情况如何?我们试图通过对这一问题的分析确定自己的研究对象,将学生比较常见的电子和导线作为研究的对象,起到简化的目的。并且理解金属内部是由自由电子和正离子构成的。自由电子可以自由移动,不加电源时无规则热运动并不会形成电流。

2、如图1所示的是电源外电路断开时的电场分布图,现将一段导体接入电源,则:(可截取电场中的一小段导线进行分析)

图1 图2

(1)导体内部自由电子在电源正负电荷形成的电场中,受力情况如何?

(2)自由电子在此力的作用下,会向导体的哪一侧运动?

(3)导体两侧面的电荷分布会出现什么变化?

(4)导体两侧积累的电荷形成的电场的方向如何?它和原电源的合场强向什么方向?

通过对以上4个问题的分析,让学生利用上一章学过的静电场的知识去分析导体中的自由电荷在这个电场力作用下,会运动到导线的某一表面,而另一个表面留下带正电的离子。这样,导体两侧表面分别积累了带正电的离子和带负电的自由电子。导体内部积累的电荷形成的电场,垂直于导线的方向。从正电荷指向负电荷。导体两侧表面产生的附加电场,与E0的垂直于导线方向的分量方向相反,随着导线两侧表面上正负电荷的积累,产生的附加电场强度越来越大,直到与E0的垂直于导线方向的分量抵消,此时合场强与导向方向平行,正负电荷向两侧的分离过程也停止,导体内的电场达到了一种新的分布。

导线内部的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。这些电荷是静止不动的吗?不是,它们也在运动,只不过,有的流走了,另外的又来补充,所以电荷的分布是稳定的,所以电场的分布也不会随时间变化,这种稳定分布的电荷产生的电场,我们称它为“恒定电场”。

至此,恒定电场概念的提出就不会再含混不清,学生利用现有的知识,自己分析获得成功的喜悦也是不可替代的。

3.如果把把导体接到一个电源上,自由电子在导体内部电场的作用下,最终将做什么运动?有了前面的分析,导体中自由电子正是因为这个恒定电场,使电子向着电源的正极定向移动,然后电源又把电子搬运回来,在运动过程中,自由电子在恒定电场的作用下,加速,但是这些自由电子有很多机会和正离子发生碰撞,一经碰撞,定向运动的速度变为零,做无规则热运动;又在电场力作用下加速,然后又碰撞,做无规则热运动,再继续加速,所以这个定向运动的速度不会无限增大,因此自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化。这样的话就在电路里形成了一个大小、方向都不随时间变化的电流,我们把这个电流称为恒定电流。恒定电流的概念也很顺利的得出了。

引入“自由电子金属导体之旅”探究教学的价值和值得商榷的问题。

初中学生也学习过电路的知识,但是选修3-1这套教材的编排有一个非常大的特色就是把“电路的知识”与“电场的知识”精密的结合起来,电源和电流这节知识正好是电场和电路两部分知识的衔接,起到一个过渡的作用,这样的学习有利于学生学习电磁学知识体系的构建,避免知识的割裂,培养了学生不断运用学到的知识分析解决实际问题的意识和能力。丰富了这节教材的理论性,学生在上一章当中学习的静电场知识,马上可以利用来分析本章的恒定电流的知识。在头脑中建立很清晰的动态平衡的概念。不会将恒定电场的知识和前面的静电场的知识割裂开来。同时这个附加电场的观念在后来的霍尔效应的教学中也将再次出现,所以利用这样的观念的确有利于学生对恒定电场的理解和认知。同时,在正确了解恒定电场的形成过程后,学生会了解到恒定电场的性质和静电场相同,就可以利用静电场的知识来分析一些复杂电路,利用电势法画出等效电路等等。

值得商榷的是,新课程的教学,并不要求学生很深入的了解恒定电场,不要求学生分析导体内电荷的分布情况,也不要求分析电荷分布达到平衡的过程。所以整体教材对这部分的内容的编排是非常简单的,虽然在降低教学难度上的确是起到了一定的作用,但是深入的实在不够。

我认为,在教学过程中,如果不将其中的原理,层层剖析开来,学生是很难理解“恒定电场”的“动态平衡”的本质,对于一些喜欢思考事物原理的同学来讲,就错失了一次揭开事物本质原理的机会,少了一次成功的体验,而学生只有在不断的发现问题,解决问题的过程中,能力才能得以锻炼,在这个过程中,知识点的落实固然重要,但是学生对事物探究的激情的火花不能被泯灭;利用已知知识去探究未知世界的能力必须得到锻炼。所以我们在这段的教学过程中,还是可以大胆的进行有针对性的进行拓展的教学。这也是新课程所倡导的目标,让学生具备对知识分析、运用和整合的能力!

参考文献:

[1]赵凯华.新概念高中物理读本[M].人民教育出版社.

[2]胡力盛.引进恒定电场理论的教学价值[J].理论创新.

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