【教材解读】静电场中的能量.docx
第十章静电场中的能量一、课标要求(1)知道静电场中的电荷具有电势能。了解电势能、电势和电势差的含义。知道匀强电场 中电势差与电场强度的关系。能分析带电粒子在电场中的运动情况，能解释相关的物理现象。(2)观察常见电容器，了解电容器的电容，观察电容器的充、放电现象。能举例说明电容 器的应用。二、教材概述本章是高中物理电学内容的第二章。前一章从力的视角来研究电场性质，而本章则从能 的视角进一步研究电场的性质。物理学中的'电能”究竟说的是什么，本章将给学生一个清 晰的认识；初中所说的“电压”是什么，学了本章之后，会真正了解电压的物理意义。本章 所涉及的电学中的重要概念是学好本章及后续几章的基础。能量观是重要的物理观念，电能是形成能量观不可缺少的内容，学生在本章中将根据静 电力做功来建立电势能的概念；随后知道不同电场赋予外来电荷电势能的本领是不同的，电 势是描述电场这种本领的物理量，电势之差就是电势差；由于静电力等于电场强度与电荷量 的乘积，静电力做的功等于电势差与电荷量的乘积，由静电力跟静电力做功之间的关系，可 以推出电势差与电场强度的关系。以上关于静电场中能量的讨论,是本章内容的第一个主题。本章的第二个主题是电容器的电容。对学生来说，电容是一个新概念。跟电场强度、电 势一样，电容也是用两个物理量之比来定义的。这三个定义式的分母都是电荷量/但这三 个物理量的决定因素都跟电荷量q没有关系。教学中应注意对此进行前后铺垫和呼应。本章的第三个主题是带电粒子在电场中的运动。实际上，这是第九、十两章最后的应用 小结。它汇集了带电粒子运动与静电力的制约关系、系统电势能与机械能的转化等问题，是 提升“运动与相互作用观”、“能量观”的很好载体。具体来说，编写本章时有以下思考。1 .形成一个关联紧密的封闭知识链静电场中经常涉及的物理量有6个：静电力、电场强度、静电力的功、电势能、电势、 电势差。教科书的知识脉络把这6个物理量的关系构成了一个如图1的封闭知识链，其中的 实线箭头指明教科书逐渐展开的线索。图1当教学完成后，两物理量之间就建立了双向联系。此时我们增加一个逆向的虚线箭头(图 10-1),这表示逆向的求解也是可行的。同时，封闭六边形的两个顶点(静电力的功、电势差) 还能建立一个直接的关系式WabfUab。这就相当于在一个六边形的蜂巢结构上加一条横梁,更加牢固了。熟悉物理量相互之间关系的结构，对灵活运用物理知识解决物理问题具有重要 意义。2 .重视知识的铺垫和引申前面学过的知识为后面的学习过程进行铺垫，给后面同类的学习过程打下基础；后面的 学习对前面的同类学习过程进行引申，使该过程得以拓展和发挥。这常常是物理课中一种有 效的教学方法。本章关于知识的铺垫和引申，有四个方面需要教师作出布局。第一是静电力做功与路径无关，这是对重力做功与路径无关的引申。在说明重力做功与 路径无关时，普通高中教科书物理必修第二册在正文中只设计了物体沿直线从两条路径 进行论证，具有普遍意义的沿任意曲线路径的论证，则在“拓展学习”栏目中简要说明。本 章关于静电力做功与路径无关的论证，其能力要求的设计比重力做功的论证有所提升。教科 书正文中除了通过直线路径进行说明之外，还通过任意曲线的路径，运用极限的思想进行论 证，更加严密和更具有普遍意义。第二是静电力做的功等于电势能的减少量，这是对重力做的功等于重力势能的减少量的 引申。与学习重力做功时不同的是，学生在学习电势能时，已经了解动能定理的知识，因此 在引申静电力做的功跟电势能变化的关系时，可以借助动能定理的知识，使论证更加科学、 更加严密和富有逻辑。第三是电势概念的建立，它是电场强度概念建立过程的引申。在建立电场强度概念时， 要创设情境说明“试探电荷在电场中某点所受的静电力与它的电荷量之比与试探电荷无关” 这个结论；在建立电势概念时，关键是要得到“试探电荷在电场中某点的电势能与它的电荷 量之比与试探电荷无关”这个结论。因此，在讲授电场强度和电势能的过程中，应该为突破 难点做好充分的铺垫。第四是电势差的概念，应该为以后学习串联电路总电压等于各部分电压之和等电路知识 的理论分析进行铺垫，提升用电势差的概念分析电路的理论水平。3 .通过创设情境突出重点、突破难点电势能是本章的重点，也是难点。为什么静电力做功与路径无关就可以引入电势能的概 念？这是学生常常感到困惑的问题，也是教师不容易讲清楚的内容。应该怎样讲清楚这个因 果关系？重力势能是这样引出的：在得到重力做的功等于相的后，教科书引导说，帆?/2的 值“随着高度的增加而增加、随着质量的增加而增加，恰与前述重力势能的特征一致”，因 此把吆叫作重力势能。教科书这样引出，是基于学生当时的学习基础。而在建立电势能 概念时，学生的知识基础大不相同了，已经学习了动能定理的知识，因此，就有条件使电势 能的引入更有逻辑，可以在学生原有认知基础上创设合理情境，通过逻辑推理来建立电势能 的概念。例如创设这样的情境：一个带电质点在电场中由A运动到以只受静电力作用，由 于静电力做功，质点增加了一定的动能。由动能定理可知，质点增加的动能等于静电力所做 的功。根据能量守恒定律，质点动能的增加一定意味着另一种形式的能量减少，这种形式能 量的减少量也等于静电力做的功（功是能量变化的量度）。由于静电力做的功与路径无关，是 由始、末位置决定的，说明电场中这种形式的能量是由位置决定的，因此把这种能量叫作“电 位能”，后来统一称为“电势能”。这样，电势能概念的提出不是笼统、抽象的，而是创设了 质点在静电力作用下由A运动到5的具体情境后，根据动能定理，一环扣一环进行思维加 工，从而引出电势能的。电势是本章的重点，也是难点。为什么试探电荷在电场中某点的电势能与它的电荷量之 比跟试探电荷无关呢？可以创设这样的情境：以无限远为零势能位置，把电荷量为q的试探 电荷从无限远移到电场中某点。设静电力做负功，功的绝对值为W,则试探电荷在电场中该 点的电势能是W。现把另一电荷量为2q的试探电荷也从无限远移到电场中同一点，它们的 路径一样，位移完全相同。两个试探电荷在电场中同一位置，2所受的静电力始终等于跖 的2倍（因电场强度相同），因此从无限远移动2cl到电场中某点静电力做的功一定是q的2 倍。这样为在电场中的电势能就是的2倍，因此，试探电荷在电场中某点的电势能与它 的电荷量之比必然跟试探电荷的电荷量无关。教科书不可能花费大量笔墨创设具体的情境，更多的情境需要在教学中进行再创造。4 .理解物理量的“定义式”和“决定式”的区别在第九、十两章中，学习了三个重要的物理量：电场强度、电势、电容。因此有条件在 本章让学生体会物理量的“定义式”和“决定式”的区别，提高学生对物理公式的理解能力。 学生最容易犯的毛病是把物理量定义式中的那些量理解为该物理量的决定因素，认为电场强 度是由试探电荷所受的静电力决定的，认为电势是由试探电荷的电势能决定的、电容器的电 容是由电容器所带的电荷量决定的。为此，教学中可以用电场强度的定义式e=£和点电荷 q电场强度的决定式£=攵乌为例，说明定义式和决定式的两大区别：一是定义式是普遍适用 厂的。无论是点电荷的电场、匀强电场还是其他的各种电场，公式£=£都适用，因为这是定 Q义。而决定式是有条件的，例如只适用于点电荷产生的电场，不适用于带电的平 r行板电容器，决定平行板电容器两板之间电场强度的，有另外的公式。二是定义式£=£可 q以用来量度某点的电场强度，并非电场强度是由尺9决定的。电场中某点的电场强度究竟 是由哪些因素决定的，不同的电场有不同的决定式。电势、电容这两个物理量，也存在区别其定义式和决定式意义的问题。教学中，可以通 过表格列出电场强度、电势、电容三个物理量的定义式和点电荷电场强度、平行板电容器电 容的决定式（这是教科书的拓展学习内容），并告诉学生，点电荷电场的电势也有决定式9二 攵?。把它们罗列出来具体说明定义式和决定式的区别，能帮助学生理解其中的内涵。到下 r一章“电路及其应用”的学习中，电阻的定义式和金属导线电阻的决定式将 进一步帮助学生理解定义式和决定式的区别。定义式和决定式反映了人们对自然界认识的不同层次。定义式侧重描述客观世界，刻画 自然界是怎样的；决定式则侧重对客观世界的因果解释，解释自然界为什么是这样的。因此， 在教学中不仅要讨论两者的区别，还应该了解两者又是如何相互联系着的。
