“电源和电流”的“高端”备课，本文主要内容关键词为：电流论文,电源论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“电源和电流”是人教版《物理》（选修3-1）第二章“恒定电流”第1节内容，在教材配套的教师教学用书中介绍了本节的教材分析与教学建议，其中有这样的描述：“本节教材内容正是电场与电路两部分知识的衔接，起承上启下的作用……从学生刚刚学过的电场知识入手，分析、讨论问题，有效地将场和路的知识相联系，有利于培养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”。 学生在初中也学过直流电路知识，作为高中物理选修3-1模块的本章教材，跟初中教材不同的地方，最突出的就是将所学过的静电场知识作为学习的基础，从而大大丰富了本章教材的理论性，这样的安排是考虑到学生经过一年的高中物理学习后的理解能力与想象力已经比初中时大有提高。 这节概念课，教学难点是：对恒定电场的理解和对恒定电流的产生的理解，例题的解析，电子定向移动的平均速率与导线中建立电场的速率的差异。 教学面临的困难是：（1）教学内容抽象，需要学生有较强的想象力，需要教师有创新设计；（2）例题对学生建模、理解、推理、分析与综合的能力要求偏高；（3）所面对的学生能力相对较弱，教师要设置好思维台阶。针对这样的教学现状，我依据教学内容，对初、高中教材及教师教学用书进行了深入的学习，在教学中对教材中的几个地方作了改进与补充，准备了几个演示实验，课堂教学获得了听课人员的好评。现将自己在备课、上课过程中的思考及做法介绍给大家，以期抛砖引玉。 一、对教材中的内容作了变动处理：将教材中两个圆球电极改为平行板电极 如图1所示，为什么编写教材的专家用圆球形带电体来解释闪电的瞬时性呢？用A、B两球形带电体说明闪电的瞬时性，标出的球形电极只是为了方便画出其电场线的分布，与第一章静电场中的等量异号点电荷的电场线相吻合，其形状不涉及问题的实质。为什么要对球形电极模型图示作修改呢？理由如下：
①与云层和大地间的空间实际电场不符。 课题引入用的是雷鸣电闪现象，在对这一瞬间现象作解释时，用两个带异种电荷的导体球作为该情景下的电场模型与实际的云层与大地间的空间电场不符，而用带异种电荷的平行板电极模型更接近实际情景，有利于学生理解和分析，并且学生在前一章静电场学习中已经知道其电场线的分布情况，如下页图2所示。
②教材中电源的两极图示前后不统一。 如图3所示，图3中的左图是第一节内容中的电源与电路示意图，A、B两个带电的导体球为电源的两个电极；图3中的右图是第二节内容中的电源与电路示意图，用两导体平行板作为电源的电极。为了便于学生理解电源，自然过渡，一开始就用带异种电荷的平行板电极模型更好。
③平行板电极模型可以与演示实验相联系。 为了增强学生的感性认识，对瞬间小电流做直观的实验演示，教学中我用起电机先给两个平行导体板充电，然后用发光二极管连接两导体板，可以见到发光二极管短暂的发光现象。这样很直观地让学生明白了电流在两个带静电的导体间只是瞬时存在，很好地反映了闪电的瞬时性，为理论上进一步解释这一现象做好了准备。
二、对教材中恒定电场的补充 在教材中对恒定电场是这样定义的：由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，称为恒定电场。这里恒定的意义并不是指电场处处大小相等、方向相同，而是指在空间的任一位置处的电场大小与方向是不变的。但是这部分内容教材中表述不够清楚，没有点明关键处，无法解释恒定电流的形成，教学中必须要补充以下三点： （一）恒定电场与静电场的区别 恒定电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。产生电场的电荷是在做宏观定向运动，在导体内某一位置有多少电荷流走，就有另外的多少电荷来补充，整体电荷的分布是稳定的，这样使得在带电导体周围空间和内部的电场分布也不会发生变化，这种由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，称为恒定电场，是全体电荷宏观运动下的动态平衡所产生的电场，导体不是等势体。 静电场是由相对观察者带电体中不存在宏观定向运动的电荷，在周围的空间中产生的电场，电场在周围空间中的分布也是稳定的，是全体电荷在微观运动下的动态平衡产生的电场。在导体的内部没有净电荷，导体内部电场为零，导体是等势体。 （二）恒定电场与静电场的联系 恒定电场与静电场的电荷分布都是稳定的，电场强度都不随时间而改变。此外，恒定电场与静电场都是由电荷产生的电场，其基本性质也相同，在静电场中所讲的电势、电势差及其与电场强度的关系、电场力做功等概念或规律在恒定电场中也适用。 （三）恒定电场在导线中分布特点 在教材中所给的电路图如图5所示，学生很难从微观上理解在这样的电路中能产生恒定电流。
教材中是这样从微观上给予解释的：“由于恒定电场的作用，导体中自由电荷定向运动的速率增加；而运动过程中会与导体内不动的粒子碰撞从而减速，因此自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化。”这样的表述学生很难理解，可能是编写教材的专家自己都感觉到没有解释清楚这一问题，于是又给了一个宏观的实验检验，“如果我们在电路中串联一个电流表，电流表的读数将保持恒定”。其实，后面的宏观的实验检验没有实质的意义，因为初中时就知道这一实验结果了。关键难在如何使学生能在微观上清楚从恒定电场产生恒定电流。“电荷先加速后减速”就能保证“自由电荷定向移动的平均速率不随时间变化”吗？“因此”之前的理论叙述不完整，“因此”之后得出的结果令人难以信服，这种叙述让人对于“为什么在恒定电场下会产生恒定电流”很费解。在这里我们教师需要强调导线内的恒定电场的特点是：横截面积相同的同一导体内部场强处处大小相等，场强方向是与导线平行，在导线中自由电子定向运动的平均速率是与内部的电场强度成正比。否则，我们将无法从微观层面解释图5中的恒定电流的产生。如果学生问到导线是两种材料连接成的呢？如用一段铜导线和一段铁导线接成一根导线，这样的情况下两种导体中的恒定电场的大小是不一样的了，交界面处电场线不连续，或者说电场强度在交界面上有突变，铜导线中的电场强度小于铁导线中的电场强度，两者中的自由电子定向运动的平均速率也不一样；如果问到在同一导线中接一个电灯呢？电灯灯丝中的电场与导线中的电场也不一样了，在高中阶段只能讲到如此层面，对有兴趣的学生可以推荐他们去看大学电磁学教材。 为帮助学生对导线中恒定电场的理解，我做了一个演示教具如图6所示，这是用透明的硬塑料管代替导线，管中放入彩色玻璃球代表自由电子，在管外侧用一根红色导线表示导线内部电场的大小和方向，这样比较直观地演示了恒定电场在导线中的分布及宏观的自由电子定向运动。 三、一种不宜引入的恒定电流定义 目前，有教师提出这部分教材内容应作如下的调整：“在恒定电场的作用下，导体中的自由电荷发生定向移动。因为恒定电场内各处电荷的分布是稳定的，任何位置的电荷都不可能越来越多或越来越少，所以相同时间内，通过导体各处的电荷量必然相等，电流大小和方向都不随时间变化，这种电流称为恒定电流。”恒定电流的这种定义方式依赖刚学的恒定电场的定义和初中学习的电流的宏观定义，撇开了产生恒定电流的微观解释，更容易让学生理解。
这样的说法是有很多的同行认可的，但是我个人认为这样是能让学生容易理解恒定电流产生，却将更为本质东西丢弃了。教材为什么要从恒定电场引出恒定电流？就是想让我们明白导体中的自由电子是在电场力的驱动下加速运动，电场力对自由电子做正功，由于电子运动中会与导体内不动的粒子碰撞而减速，但是电子的宏观定向运动的平均速率不变。让学生从微观角度理解恒定电流的形成，如果用恒定电场的定义和初中学习的电流的宏观定义，撇开抽象的电子微观运动，则与初中所学电流内容有多少差异呢？教材中的例题编制又有什么意义呢？要知道只有让学生从微观更深的层面理解了恒定电流，才能更好地理解推导出的恒定电流微观决定式、第二节中的非静电力做功的问题及电源的功能关系，以及后面的电流做功等问题。 四、对教材例题中难点的突破 电源和电流这节内容中有一道例题，不少的教师看后并没有感觉到很难，可是学生所做的结果往往令我们大吃一惊，为什么会产生如此大的反差？学生难在何处？教师如何化解？ （一）学生解析例题时的难点 ①研究问题的物理模型难建立。学生不能建立一个有效的处理物理问题的模型，不知道在这样的问题中应该建立一个怎样的物理模型，拿到题目束手无策。 ②已知量与所求量关系难找到。本题中涉及的物理量多，宏观量与微观量并存，找不到各物理量间的关系，解题时如入迷宫一般分不清解决问题的方向。 ③运算量较大难以算出准确结果。本题数据处理能力要求较高，学生尚未具备处理题中数据的能力，这是由于初中学生可以用计算器处理数据高中却不给用所致。 （二）教学中处理难点的过程 ①怎么样帮助学生建立研究问题的物理模型呢？ 首先，要让学生审题后明白，这一例题要解决的问题是什么。要解决的问题就是寻找宏观量电流I与微观量自由电子定向移动速率v之间的关系。 其次，要解决宏观量电流I与微观量自由电子定向移动速率v之间的关系，我们需要建立一个怎样的研究模型？教师要从电流的定义式出发，启发学生思考：我们已经知道导线中的电流大小是由单位时间内通过导体横截面的电荷量多少决定的，那么t秒内有多少电荷量通过导体横截面呢？这些电荷量是在多长的一段导线中呢？从而引入解决例题的物理模型是取一小段长为vt导线，导线的横截面为S，如图7所示。
②怎么样帮助学生找到已知量与所求量关系呢？
③怎么样帮助学生解决运算量较大的问题呢？ 由于例题对求速率的结果并没有提出有效位数要求，学生在不使用计算器的情况下对例题中的数据处理时难度较大，许多学生根本计算不出来最后结果，处理数据占用时间过多。为此我提出结果取2位有效数字，并且提示学生处理数据时注意单位的统一，教给学生估算的一般处理方法，使得学生较好地完成了数据的处理。 （三）对结果的思考与拓展 ①区别自由电子“定向移动速率”与“电场传播速率”。 在例题中的结果出来后，就有些学生感觉不对了，因为以这样的速率，自由电子通过长1m的导线就大约需要近4个小时，这与我们生活中开关灯的事实明显不符，对此我在教室中进行了开关灯演示；为帮助学生进一步理解并且区别自由电子“定向移动速率”与“电场传播速率”，我展示了亚运会大型团体操的视频，如图8所示，在音乐声响起后不到1s，全体人员在400 m圆形广场上全部转动起来，就这一情景问学生：“是不是每个人的速度超过400 m/s？”显然这样的速度是手枪口射出的子弹速度，表演者不可能具有这样的速度。让学生通过类比，加深了概念的理解，分清了电场传播速率与自由电子定向运动速率的不同。
②探究电流强度的微观决定式。 例题讲毕，电流的微观决定式便水到渠成了。在例题原解的基础上，将前面推导出的宏观量与微观量的联系式
演变一下，就能让学生得到电流强度的微观决定式I=nvqS，v为自由电荷定向移动的速率，S为导体的横截面积，n为导体每单位体积内的自由电荷数，每个自由电荷的电荷量为q。从而让学生明白金属导体中的电流强度是由哪些微观因素决定，进一步深入了解了金属导体中的电流。 五、对电源与抽水机的类比的教材处理争议 在电源引入的教学中我没有采用目前教学中广泛运用的抽水机类比方法，课后有教师就提出这里应该用抽水机类比一下，便于学生对电源的理解。我为什么没有用教参中提供的类比模型呢？理由如下： ①因为在闪电瞬时现象的解释中就会涉及气体中的正、负离子分别向相反的方向运动的情况，用水流类比自由电子的定向运动在此不便解释。 ②这样的类比方法，学生在初中教材中已经知道，在高中阶段重复讲没有新意，类比并不能使学生的对电源的作用理解有多少帮助。 ③电源与抽水机两者在工作机理上的差异很大，只适合在初期学习中类比。高中学生的理解力有了一定的提高，在第一节教学中对电源的作用的理解并不是困难的，因为在第一节中提出电源的作用只是要求表象的、浅层的理解——搬运电荷的装置，没有要求学生对电源的作用作进一步的内在的、深层的理解，在第二节中才更深入探究电源的作用——从非静电力做功的角度，从能量转化的角度谈电源的作用。 综上所述，在物理概念的教学中我们要追求概念的本来面目，建构概念的认知过程，让概念的认知过程变成概念建构的过程；教学中我们要找到概念建构的关键点，围绕关键点进行概念的生成；教学中我们要创设合理问题情境，精心设计问题，动态展示概念生成过程，引领学生完成概念的认知，促进概念的自然生成；教学中我们要创造性地使用教材，不要被教材所束缚，真正实现概念在教学中水到渠成地形成；教师在概念教学中在做到“不惜时、不惜力、不惜智”，依据学生的认知规律，按照概念的发生、发展过程把概念生动地呈现给学生，使学生在研究概念的过程中培养物理兴趣，领悟物理思想，揭示物理真谛，从而真正为学生的终身发展奠定良好的基础。
标签：自由电子论文; 定向运动论文; 静电场论文;
