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——關(guān)于2017、2018年江蘇高考物理卷對電容器考查的思考

夏季云

(南京市第一中學(xué),江蘇 南京 210001)

1 高考真題再現(xiàn)

圖1

(2017年江蘇高考題)如圖1所示,三塊平行放置的帶電金屬薄板A、B、C中央各有一小孔,小孔分別位于O、M、P點.由O點靜止釋放的電子恰好能運動到P點.現(xiàn)將C板向右平移到P′點,則由O點靜止釋放的電子

(A) 運動到P點返回.

(B) 運動到P和P′點之間返回.

(C) 運動到P′點返回.

(D) 穿過P′點.

圖2

(2018年江蘇高考題)如圖2所示,水平金屬板A、B分別與電源兩極相連,帶電油滴處于靜止?fàn)顟B(tài).現(xiàn)將B板右端向下移動一小段距離,兩金屬板表面仍均為等勢面,則該油滴

(A)仍然保持靜止.

(B)豎直向下運動.

(C)向左下方運動.

(D)向右下方運動.

2 教師的固有認(rèn)知與迷茫

2017年暑期的一次教學(xué)活動中,一位資深教師這樣問我:“夏老師,我覺得今年江蘇高考物理卷第4 題是一個超綱的題目,因為3塊金屬板已經(jīng)構(gòu)成2個電容器,它已涉及到電容器的聯(lián)接或高斯定理的相關(guān)知識,你怎么看?”．

2018年高考結(jié)束剛結(jié)束,一位高三物理任課教師就對該題指出：“由于平板電容器只要求學(xué)習(xí)兩板平行的情況,不平行的兩塊金屬板組成的電容器從來沒有遇到過,學(xué)生一定不知如何去解決?”

對于上述教師的看法應(yīng)該具有普遍性,符合較多教師的認(rèn)知特征,這也是教師對教學(xué)內(nèi)容認(rèn)知固化的典型例證．當(dāng)下教輔材料有關(guān)電容器的學(xué)習(xí)或考查內(nèi)容中涉及的總是單個電容器且兩板一定平行,解決問題的思路千篇一律,造成了不會有其他情況的印象,筆者認(rèn)為上述教師認(rèn)知的形成與教輔和考試有很大的關(guān)聯(lián)．

3 從教師的教找尋學(xué)生困惑的成因

對第一位教師的問題,筆者并沒有直接回答他是與否,先請教同行在教平板電容器間場強這個知識點時是如何實施教學(xué)的．他這樣回答:新授課首先按照教材演示的要求進行了實驗,在電荷量一定的前提下,分別是改變正對面積、板間距離、插入介質(zhì),通過靜電計觀察兩端電勢差的變化,讓學(xué)生體驗影響電容器大小的因素,進而給出了平板電容器的公式;接下來通過具體事例對板間場強進行了進一步討論．

圖3

例.如圖3示,平行板電容器的電容C,兩極板間電壓為U,兩板間場強E和帶電荷量Q,在下列情況下怎樣變化?(填寫:增大、減小、不變)

(1) 保持兩板與電源相連,只增大兩板間距離,則C________,U________,Q________,E________.

(2) 給電容器充電后與電源斷開,再減小電容器極板間距離,則C________,U________,Q________,E________.

板間電場變化的問題解決主要依據(jù)電容定義式、勻強電場公式及平板電容器電容公式,換言之,即直接利用相關(guān)公式進行推理,學(xué)生也自然認(rèn)可并接受．分析過程大致如下.

(1) 如果電容兩極板與電源并未斷開,此時電容兩極板之間的電壓將保持不變,即U為一個常數(shù),此時直接利用式E=U/d，便可知d變大E減?。?/p>

(2) 中電容器充電后已經(jīng)與電源斷開,也就是此時電容器兩極板所帶電荷量已經(jīng)固定,Q是常數(shù)．當(dāng)兩極板之間距離增大時,由于電容的大小與基板之間的距離是成反比的(C=εS/4πkd),對電容器有Q=CU,板間場強可看作勻強電場,所以有E=U/d,公式變換后發(fā)現(xiàn)E與d無關(guān),因而板間場強不變．

該教師的上述做法基本是目前高中物理教學(xué)實踐中的“標(biāo)配”,當(dāng)然也有很多人只是講實驗而非真正做實驗,對該老師教學(xué)有如下的反思．

首先,按照他的教學(xué)思路,學(xué)生要去尋找板間場強規(guī)律,他自然會聯(lián)想到運用電容定義式、勻強電場公式及平板電容器電容公式,這就會涉及到電容器連接問題,更高層面會涉及高斯定理的相關(guān)知識,學(xué)生不會做那是必然結(jié)果,進一步講按照這一思路該題確實是“超越了教學(xué)要求”,算得上“超綱”．

其次,從學(xué)科規(guī)律立場的視角．物理概念的建立遵循基本一致的規(guī)律,即物理概念提出的背景、意義、定義、單位、適用條件、運用．實驗發(fā)現(xiàn),帶電體會對靠近的物體有力的作用,這是一種超距作用,說明帶電體周圍有場存在,不同的位置作用力有區(qū)別,但同一位置不同物體受到的力與電荷量的比值不變,基于物理學(xué)科規(guī)律,從力的角度運用比值定義便是水到渠成,為了形象描述分布引入場線也是物理學(xué)的習(xí)慣做法．

再次,從學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律的視角．教材的安排是遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,電場強度概念的建立是在學(xué)習(xí)庫侖定律之后,結(jié)合實驗現(xiàn)象,利用類比萬有引力的方法,運用比值定義法給出了電場強度的定量計算(定義式),對真空中的點電荷結(jié)合庫侖定律得出了特定的場強公式,由于電場的抽象性,為形象描述電場分布引進了電場線．這一認(rèn)知過程強化了學(xué)生大腦中點電荷周圍電場強度與距離的關(guān)系認(rèn)知結(jié)構(gòu),再加上大量涉及點電荷的一些定量運算起到了再度強化功能．

為了體現(xiàn)嚴(yán)謹(jǐn),我們的教學(xué)習(xí)慣從結(jié)論到結(jié)論,總喜歡用公式定量去推導(dǎo),過度數(shù)學(xué)化,結(jié)果產(chǎn)生了對物理概念本真的忽視．前面所述的慣用教法就是把平板電容器場強變成了一個獨立的內(nèi)容,它的建立脫離了電場概念的基本屬性,完全是建立在結(jié)論基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)推理(3個公式)．沒有從物理學(xué)科規(guī)律出發(fā),即沒有從知識的生長來進行教學(xué);沒有從學(xué)生認(rèn)知規(guī)律出發(fā),即沒有考慮在學(xué)生已有知識儲備、思維習(xí)慣,情景在頭腦中最先呈現(xiàn)的是什么等．在訓(xùn)練強度達不到一定水準(zhǔn)時,通常情況學(xué)生不會立即想到用公式推導(dǎo)場強的變化規(guī)律也是情理之中．

我們都知道,對于問題(2)中的場強變化規(guī)律,學(xué)生總是出錯,為什么總是出錯呢?通過調(diào)查與交流發(fā)現(xiàn),由于點電荷場強公式學(xué)生掌握很牢固,對距離越大,場強越小幾乎已形成條件反射,因而對帶電荷量一定的平板電容器,當(dāng)板間距離增大時,電場變小,學(xué)生覺得天經(jīng)地義,根本就不會懷疑,也不會想了從電容、場強規(guī)律去推導(dǎo)．[1]

4 從科學(xué)思維的視角學(xué)習(xí)平板間的電場

從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式,是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化;是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判,進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格．“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素．[2]

為了讓學(xué)生更好的學(xué)習(xí),實現(xiàn)真學(xué)習(xí),科學(xué)思維得到真正的培養(yǎng)．筆者認(rèn)為必須轉(zhuǎn)變3個觀念,即從碎片化淺層學(xué)習(xí)向系統(tǒng)學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變,從直接接受知識過程向知識生長的過程轉(zhuǎn)變,從技能訓(xùn)練向思維培養(yǎng)轉(zhuǎn)變.這種教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變會極大地改變學(xué)生的學(xué)習(xí)感情、學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)效果．

從科學(xué)思維的視角看,物理學(xué)習(xí)重在對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律的掌握,所有帶電體周圍電場分布應(yīng)當(dāng)遵循同樣的規(guī)律,平板電容器之間的電場分布也不例外．平板電容器間的電場分布它只是眾多電場中的一種,或者說是特殊的一種.教學(xué)中在講電容器板間場強時,先回歸到場強描述的基本立場上來就順理成章.在回顧前期學(xué)習(xí)過的用電場線描述電場分布的基礎(chǔ)上,把運用電場線描述場強分布進一步挖掘和提煉,進一步明確在標(biāo)準(zhǔn)一定的條件下,每個電荷發(fā)出的電場線條數(shù)應(yīng)是一定且相等,電場線在空間不會相交,電場線的疏密程度反映了場強大小.教師不直接告知平板電容器間電場線分布圖,引導(dǎo)學(xué)生從定性的立場構(gòu)建平板電容器之間可能的電場線分布圖,有效避免了讓學(xué)生囫圇吞棗的接受平板電容器之間的電場分布.這種教學(xué)實施體現(xiàn)了從直接接受知識過程向知識生長的過程轉(zhuǎn)變．在此基礎(chǔ)上再引導(dǎo)學(xué)生從定量角度去探究平板電容器之間的電場,回憶已學(xué)習(xí)相關(guān)定量研究的內(nèi)容并試圖找到他們的內(nèi)在聯(lián)系,最后再運用3個公式來推導(dǎo),得出它的定量表達．這種教學(xué)實施體現(xiàn)了從技能訓(xùn)練向思維培養(yǎng)轉(zhuǎn)變．從總的學(xué)習(xí)過程來說,有效的體現(xiàn)了從碎片化淺層學(xué)習(xí)向系統(tǒng)學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變.

如果學(xué)生有了這樣的學(xué)習(xí)認(rèn)知經(jīng)歷,面對2017年第4題這樣的問題,他就會想到,由于考題是一種定性分析類題目,便可從定性的角度嘗試去解決．C板向右平移帶電荷量不變,導(dǎo)致電場線總條數(shù)不變,電場分布的空間區(qū)域沒有變化,因而板間場強不發(fā)生變化,從這個角度而言這一高考題的求解就是極其簡單．上述求解根本不需要涉及電容器聯(lián)接或高斯定理的知識,它有利于引導(dǎo)中學(xué)物理的科學(xué)教學(xué),是對單一題海戰(zhàn)的有力回?fù)?因而我認(rèn)為該題應(yīng)當(dāng)是一道考查體現(xiàn)學(xué)科、體現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的一道好題．面對2018年第5題這樣的問題,學(xué)生從定性的角度,分析電量的變化導(dǎo)致電場線密度變化也能找到答案．其實關(guān)于電容器考查還可以創(chuàng)新,如兩板帶電量不等、帶電量不變的前提下,讓其中一塊傾斜等．

從科學(xué)思維的視角設(shè)計教學(xué)更加符合學(xué)科規(guī)律、學(xué)習(xí)規(guī)律,知識的習(xí)得就不會顯得唐突,有利于學(xué)生更全面系統(tǒng)掌握該知識,有利于落實核心素養(yǎng)發(fā)展的目標(biāo)．