以“场强”为例剖析类比法在高中物理概念教学中的应用
摘要
关键词
类比;物理概念;知识体系
正文
高中学生经常出现概念不清、读不懂题的情况,这与学生在学习物理时没有掌握知识的本质有关。学生只是机械的背诵概念,没有从知识的形成过程中体会科学思想和方法,没有形成自己的理解和思考,导致遇到问题无法建立物理情景和物理模型。学生越学到后边越觉得思维混乱,越害怕学习物理,考试成绩也就越来越不理想。学生会学、会用知识的能力是在知识获得过程中培养的,所以教师的教学设计不能一味的根据知识点按部就班,要遵循让学生看到、意识到、体会到知识的逻辑顺序,让学生清楚的掌握知识的来龙去脉、联系和对比,在学习过程中逐步培养运用所学知识解决实际问题的能力,长期以往,学生就具备将实际问题类比、模型化的能力,在做题过程中能找到适合的物理规律进行求解。
1 “电场强度”概念教学
电场是学生第一次正式接触的场的概念,并要求能探究场的存在、强弱和方向,由于电场看不见、摸不着,内容抽象难懂,学生往往在该块内容慢慢脱节。教师可以以问题引领思考,类比生活中的风吹物体的现象化抽象为形象,慢慢引导探究进行教学。
【问题1】电荷并没有相互接触,他们之间却有力的作用,这个力是通过什么传递的?通过图一帮助学生建立清晰的物理情景。介绍法拉第提出电场的概念,他认为电荷间的作用是通过电场作用的。

【问题2】:电场看不见也摸不着,它是真实存在的吗? 教师引导:电场是客观存在的一种特殊物质。
【问题3】:电场看不见也摸不着,我们怎样才能感知它的存在及强弱呢?教师引导:日常生活中,风同样看不见摸不着。
【问题4】:我们是怎样感知风的存在、强弱及方向呢?教师展示风吹动草的动态图,引导:风看不见也摸不着,风可以吹动小草、风车,如果自己在风里也会因受力而感知到风的存在、强弱和方向。通过小草和风车的状态就可以知道风的存在及强弱。电场看不见也摸不着,电场可以对放入场中的电荷有力的作用,电荷在电场中受到了力就可以感知电场的存在及强弱。
【问题5】:风吹动小草和风车,小草和风车会产生风吗?对研究的风影响大吗?教师引导:静电场、场源电荷、试探电荷。说明对试探电荷的要求并说明原因。
【问题6】:处在风里的不同位置,风的强弱和大小相同吗?教师引导:如图二,将两个试探电荷分别放入电场中的A、B两位置,根据库伦定律,这两个位置受到的电场力的大小和方向都不同,这说明这两个位置的电场强弱和方向都不同。

【问题7】:如何表征电场的强弱呢?直接用这个力可以吗?引导:风的大小和强弱跟放进去的树和小草无关,并且不同位置的风的强弱和方向不同,经验发现同一位置放小草和大树,它们的受力大小不一样。如图二,在A点放入+q的电荷,受到的电场力是F,如果在同一位置A,改放+2q的电荷,受到的电场力是2F,若果在该点改放-q的电荷,受到的电场力方向跟原来相反,与电场的性质矛盾,所以不能用F表示电场的强弱。可以发现电场力与试探电荷q的比值 在同一位置不变,并且在不同位置测量的比值也不同,也就是可以用它来表征电场的强弱,它能反映电场本身的性质,这个物理量被命名为电场强度,再将电场的定义式:
与加速度、密度等比值定义类比、分析,使抽象概念能顺利建立,在此进一步理解比值定义。引导学生将场源电荷和试探电荷间的库仑力
带入电场强度的决定式
得出
,观察发现,这个E与场源电荷和距离场源电荷的距离有关,满足场的特点,所以该式为场源电荷激发的电场的场强决定式。
电场的探究式教学中用学生日常生活中感受到的风及看见风吹动物体引发如何感知真实存在但看不见的物质的思考,学生能很好的理解如何探究电场的存在、强弱和方向,也能在探究过程中形象理解电场的强弱为什么不能直接用物体受力的大小表示,整个探究过程形象,循序渐进,便于学生的理解。
2.“电场强度”和“磁感应强度”概念和定义式的类比教学
为了感知场的存在,要用能够在场中受力但又不会影响要感知的场的对象进行感知,类比电场的探究可以知道,要感知磁场的存在、强弱及方向,引导学生思考磁场对什么物体有力的作用,引导分析可以放入磁铁(小磁针)、电流、运动电荷来研究。
思考一:放入小磁针,小磁针的磁性不会影响要感知的磁场,小磁针在磁场中静止时可以指示磁场的方向,但是由于磁铁存在两个磁极,所受合力始终为零,所以小磁针只能感知磁场的方向,不能感知磁场的存在及强弱。
思考二:放入电流,电流也会激发磁场,为了不影响要感知的磁场,电流要小长度要短,叫做电流元,可以类比点电荷。若电流方向与磁场方向平行,则无论磁场强弱都不会受力,无法感知磁场,所以对试探电流元的放入有位置的要求,若电流方向与磁场方向垂直,则受力最大。该点是相比较电场探究上的一个跨越点,学生在此能进行对比理解的话,后期不会遗忘如果试探电荷不受力,则没有静电场;如果电流元不受力,可能是真的不存在磁场,也可能是电流方向与磁场方向平行。
思考三:放入运动电荷,运动电荷也会激发磁场,为了不影响要感知的磁场,试探电荷的速度不能太大;若运动的方向与磁场方向平行,则不受力,无法感知,所以对试探电荷的运动方向有要求,垂直时受力最大。如果运动电荷不受力,可能是真的不存在磁场,也可能是电荷运动的方向与磁场方向平行。
理论分析可得,磁场的感知相比较电场更为复杂,高中阶段为了能让学生初步感受磁场的探究过程,通过对比生活中的风,学过的电场知识与磁场的相似或相同点来推出它们在某些方面的相似规律,进而逻辑推理概念、规律,形成知识体系。为加强本节知识形成体系,可以用如图三的思维导图将以上三个思考进行对比,清晰展示。

3.“电场强度”、“引力场强度”、“磁感应强度”定义的类比分析

4.质量分布均匀的球体的“引力场强度”与电荷分布均匀的球体的“电场强度”的类比分析


两模型对比后,学生会得出质量(带电)均匀的球体在球外激发的场强,与一个位于球心,质量(电荷)相等的质点在该点激发的场强相等,这是学生在学教材后能够理解的点,对比后可以加深理解和认识。学生在做天体运动求g时的困难点是深d处的重力加速度,均匀带电球体求E时的困难点是内部x处的场强。两模型对比后学生可以拓展认识到:质量(电荷)分布均匀的球壳对壳内物体的场强为零,所以球内A点的场强为以OA为半径的球体激发的场强,再根据质量(电荷)分布均匀对激发场强的球体的质量M'(电荷量Q')进行代换,可以很好的得出内部场强随距离的变化规律。
教学过程中学生通过生活中的形象事物与教材中的抽象事物进行类比、对比方便学生经历探究知识产生和发展的过程,学生的认识能一步一步提升。新旧知识的对比,有利于学生掌握本质的物理知识,形成正确的分析问题和解决问题的能力,是实现知识“迁移”的重要一环,是物理教学的重要组成部分。在用物理知识解决问题时应用类比法,通过分析特征,把它与已知的物理原型进行类比,得出分析和研究问题的思路与方法,在学会的过程中逐渐会自己进行学习。类比往往通过与熟悉知识或情境的比较,化陌生为熟悉.揭示未知和已知之间的关系。类比法既可以加强知识之间的联系,深化对知识的理解,又能启发学生的思维,有利于物理思维能力的培养,巧用类比法是一种非常有效的学习手段。
参 考 文 献
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