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基于学生核心素养的教学设计

2020-01-07 14:02:10 物理教学探讨 2020年12期

邓颖

摘? ?要:文章通过设计两个创新演示实验来深化学生对“电源”和“电场”概念的理解。物理概念是建立物理学大厦的基石,是学生对物理概念深刻理解的基础。在学习抽象的物理概念时,以实验作为学生认知的起点,从现象到探究科学本质,可以有效提升学生的核心素养。

关键词:电源;电场;电场强度;创新实验

中图分类号:G633.7 文献标识码:A ? ? 文章编号:1003-6148(2020)12-0030-3

1? ? 创新演示实验演示电荷周围存在电场,深化对电场概念的理解

案例1 人教版高中物理选修3-1 “电场”教学设计

1.1? ? 用氖管与范德格拉夫起电机使“电场”可视化

电场是高中物理最难理解的概念之一,因为电场本身具有抽象性,看不见摸不着,学生很难正确理解。用创新实验证明电荷周围存在看不见的特殊物质是电场。创新演示实验一:如图1所示,悬挂的小球发生了偏移,电荷之间产生了相互作用。法拉第认为电荷之间的作用是通过电场产生的,若将带电小球移除,改变场源电荷M(用范德格拉夫起电机充当M),M在周围空间产生的电场仍将使悬挂的小球再次发生偏移。

创新演示实验:演示电荷周围存在电场。实验器材有范德格拉夫起电机(范式起电机)、氖管(试电笔中的氖管)、透明吸管。将起电机开关打开,手持氖管一端靠近范式起电机但不要接触,看到氖管发出橙色的光,远离起电机,氖泡熄灭,如图2所示。将氖泡放入到透明吸管中,然后手持吸管靠近范式起电机,也会看到氖泡发光,如图3所示。从实验效果来看,手持氖管发光强度更大,原因是氖管两侧的电势差决定发光强度,手持氖管时手持的一端相当于直接接地,这样氖泡两端电势差大,发光强度也强。

原理说明:范式起电机的原理见人教版高中物理选修3-1第38页。当范式起电机工作时,壳上分布着正电荷,大家手持氖管靠近起电机,在带电球壳周围形成了强电场,电场使得氖泡发光。根据实验现象说明带电球周围存在一种看不见的物质——电场,电场可以使氖管发光,说明电场是有能量的,同时可以更好地理解场和实物是物质存在的两种不同形式。

氖管发出橙色光容易引起视觉注意,这里用其他各种颜色的发光二极管来演示也可以,但实验效果不及氖管好。也可以将多个氖管串联来演示电场存在,在距离带电金属球壳较远的位置氖管会发光,如圖4所示。演示实验操作的一个重要指标就是可视性,氖管发光强度越大证明效果越好。

1.2? ? 创新演示实验演示电场有强弱和方向

实验器材:范德格拉夫起电机(范式起电机)、7个3 V白色发光二极管、吸管一根、铜导线一根、剪刀一把、鳄鱼钳一把。

实验演示:首先,将导线剥皮,用铜线将发光二极管正负极引脚依次连接,然后将吸管用剪刀从中间剪开一条直线,将连接好的发光二极管放入吸管内部,吸管起到固定作用,如图5所示。其次,接通范式起电机电源,发光二极管靠近范式起电机,在距离金属球壳一定距离时可以看见二极管发光(观察实验可得:白色二极管发出的光线强度最强,其他各种颜色亮度相对较弱),如图6所示(在较暗环境观察,效果更好)。距离范式起电机越近,二极管发光亮度越大,说明电场是有强弱的,距离场源电荷越近,电场强度越大。最后,改变二极管方向,发现在距离球壳相同的位置二极管不发光,如图7所示。在演示实验之前,可以先演示二极管具有单向导电性,更有益于学生理解电场是有方向的。也可以用单个发光二极管来演示,串联二极管是为了实验的可视性,便于学生观察。二极管的单向导电性可以很好地说明静电场的方向性。实验时,多个二极管串联后,在远处可以明显观察到二极管发光,能更清晰地演示电场的强弱和方向性。

说明:使用范式起电机时,金属球壳上均匀分布着同种电荷,在球壳外部空间的电场分布着等效于球壳上的电荷集中到球心处产生的电场。距离球心越远,电场越弱。这里通过二极管发光强度来反映电场的强弱,越靠近球壳二极管越亮,越远越暗,说明球壳空间的电场分布与空间位置有关,并由电场本身决定。而在同样的位置,改变二极管的方向,二级管不发光,说明电场有方向性。该创新实验操作简单,可以很好地说明电场本身具有大小和方向。

点评:关于“电场”的教学实验设计从教材上的实验出发,悬挂带电小球受到场源电荷作用而偏离竖直方向;用范式起电机替代场源电荷,说明场源电荷周围存在看不见的特殊物质——电场;用二极管和范式起电机直观展示了电场有强弱和方向。该实验设计取材简单,有较高的教学价值,具有可视性和趣味性。

2? ? 创新实验将抽象物理模型用实验演示,深化概念理解

案例2 人教版高中物理选修3-1“电流和电源”教学设计

如图8所示, A、B两个导体带等量异种电荷,A导体带正电,B导体带负电,用导线连接,电子从B移动到A,中和以后A、B电势相等不能提供持续电流,如图9所示。要想维持A、B之间的稳定电势差需要引入一个装置使得到达A的电子移动到B,如图10所示。建立抽象的物理电路模型,在实际的物理情境或实验支撑下,更利于学生物理核心素养的培养。

物理建模的基础是从实际问题开始,因此,物理教学所研究的问题应该从真实物理情境出发进行分析、判断,简化、抽象出物理问题与物理模型,然后依据物理常识、科学思维和数学工具进行推导演算,最后解决问题。

笔者紧密结合教材,设计出一个创新演示实验。实验器材:静电感应起电机、5个家庭用220 V试电笔(内部有氖管)。

实验准备:首先,拆出试电笔管内的氖管,然后取一根直径稍微大点的透明塑料吸管,用剪刀在吸管一侧剪出细缝,将氖管依次放入内部,最后用铜线连接成圆环形,以方便套在起电机两极的小球上,如图11所示。

实验步骤:

(1)直接将感应起电机两极靠近,手摇起电机产生放电现象,说明起电机的两个小球带有异种电荷,同时说明两小球的极性。

(2)将感应起电机两极之间的距离拉大,短暂摇动起电机使两极带电,然后将做好的5个串联氖管放上去(关闭室内灯光,拉上窗帘便于观察)。实验发现,氖管发光后迅速熄灭。

(3)持续摇动起电机,氖管持续发光。

物理建模1:根据以上实验情境,可以画出如下电路,如图12所示。A、B小球带有等量异种电荷(对应感应起电机两个莱顿瓶存储的电荷),电流从带正电荷的A极通过氖管流到带负电荷的B极。

为了简化问题,大家假设导电的是正电荷(实际是带负电的电子),随着正电荷移动到负极与负电荷中和,两极之间的电势差逐渐降低,当完全中和后(如图13),没有电流经过,氖管无法发光。如果想要维持A、B两极之间的电势差,就需要把移动到B极的正电荷搬运到A极,如图14所示,电源P就是维持两极之间存在稳定电势差的装置。这样可以顺利过渡到“电动势”一节的教学。

物理模型2:依据图14的等效电路建立闭合电路的电场线分布模型,如图15所示。在外电路,电流从正极流向负极,所以外电路电场线从正极沿着导线指向负极。由于电源正、负极之间总是稳定保持一定数量的正、负电荷,所以电源内部存在由正极指向负极的电场。在外电路,正电荷从正极移动到负极,电场力做正功,电势能减少,转化为其他形式的能。在电源内部,非静电力做功(如范式起电机是将机械能转化为电势能)。在将正电荷从电源负极移动到正极的过程中,电场力做负功,电势能增加。

点评:“电流和电源”的教学设计通过一个简单、有趣的实验将“电源和电动势”结合到一起。电源的作用是维持电源两极之间有稳定的电势差,将其他形式的能转化为电能。

创新演示实验可以激发学生的学习兴趣,从实际的物理现象出发,简化、抽象、构建闭合电路模型,清晰体现了电源外部电能转化为其他形式的能,而电源内部是其他形式的能转化为电势能。通过实验事实和物理建模,学生可以深刻地理解电源的作用和能量转化。

(栏目编辑? ? 邓? ?磊)

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