以實(shí)驗(yàn)探究為主線(xiàn)促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)落實(shí)
——記“電容器的電容”一節(jié)公開(kāi)課

李紅偉

(江西省全南中學(xué) 江西 贛州 341800)(收稿日期：2016-05-22)

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以實(shí)驗(yàn)探究為主線(xiàn)促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)落實(shí)
——記“電容器的電容”一節(jié)公開(kāi)課

李紅偉

(江西省全南中學(xué) 江西 贛州 341800)(收稿日期：2016-05-22)

以“電容器的電容”公開(kāi)課為例，談?wù)勅绾我詫?shí)驗(yàn)探究為主線(xiàn)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，從而達(dá)到促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)有效落實(shí)的目的．

實(shí)驗(yàn)探究 教學(xué)目標(biāo) 有效性

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)．在中學(xué)物理教學(xué)中，教師要針對(duì)學(xué)生的疑難與困惑，想方設(shè)法構(gòu)思實(shí)驗(yàn)展示方式，還物理學(xué)科本來(lái)面目，突出重點(diǎn)，突破難點(diǎn)，幫助學(xué)生深刻理解物理規(guī)律的本質(zhì)，從而提高物理課堂教學(xué)的有效性．下面以“電容器的電容”公開(kāi)課為例，談?wù)勅绾我詫?shí)驗(yàn)探究為課堂教學(xué)主線(xiàn)，從而達(dá)到促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)落實(shí)的目的．

“電容器的電容”一節(jié)是對(duì)前面所學(xué)靜電學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用，也是為后面學(xué)習(xí)帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容打下基礎(chǔ)，因此本節(jié)在本章起到承上啟下的作用．電容概念的建立、決定平行板電容器電容大小的因素是本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)，電容概念的理解及電容器的充放電過(guò)程是本節(jié)的教學(xué)難點(diǎn)．

片段一：引入課題,探究電容器儲(chǔ)存電荷的特性

師：圖1(a)是一臺(tái)起電機(jī)，圖1(b)是兩塊裝修吊頂用的鋁扣板．將起電機(jī)的兩放電小球分別與兩鋁板相連，轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)手柄，請(qǐng)同學(xué)們觀察鋁板間懸掛的小絨球有什么現(xiàn)象發(fā)生？現(xiàn)象說(shuō)明了什么？

圖1

生：小絨球會(huì)擺動(dòng)，因帶電體有吸引輕小物體的特性，說(shuō)明鋁板帶了電．

師：回答得非常好，轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)手柄，圓盤(pán)鋁片與電刷銅絲摩擦，使兩放電小球帶上異號(hào)電荷．

師：這是家庭用的節(jié)能燈，老師現(xiàn)在將鋁板與起電機(jī)放電小球連接斷開(kāi)，把節(jié)能燈與兩鋁板連接，同學(xué)們注意觀察有什么現(xiàn)象發(fā)生？現(xiàn)象說(shuō)明什么問(wèn)題？

生：節(jié)能燈閃亮一下，說(shuō)明有電流流過(guò)節(jié)能燈，有電流就必須有電源，兩塊鋁板相當(dāng)于“電源”．

師：回答得很好，這兩塊鋁板實(shí)際就構(gòu)成了一個(gè)最簡(jiǎn)單的電容器，上面實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了電容器具有儲(chǔ)存電荷的特性．

評(píng)析：用取材簡(jiǎn)單方便的兩塊鋁扣板制作成一個(gè)電容器，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到電容器的結(jié)構(gòu)是如此簡(jiǎn)單，電容器的制作原來(lái)如此容易．帶電體能吸引輕小物體，用輕小物體來(lái)證明電容器帶電；接通節(jié)能燈使燈閃亮了一下，進(jìn)一步證實(shí)電容器能夠儲(chǔ)存電荷，吸引了學(xué)生注意力，激發(fā)了學(xué)生的求知欲．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)充分考慮到了學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展水平，體現(xiàn)了創(chuàng)新意識(shí)及創(chuàng)新思維，彰顯了“從生活走向科學(xué)，從科學(xué)走向生活”的現(xiàn)代教育理念．

片段二：探究電容器的充放電過(guò)程

師：如圖2所示，這是一塊演示板，主要由電源、電容器、2只發(fā)光二極管、單刀雙擲開(kāi)關(guān)組成．當(dāng)電流從發(fā)光二極管正極流入時(shí)會(huì)發(fā)光，反之不發(fā)光．將電路連好，注意觀察，當(dāng)單刀雙擲開(kāi)關(guān)撥接至“1”位置，你們看到了什么現(xiàn)象？現(xiàn)象說(shuō)明了什么？

生：發(fā)光二極管b不亮，a變亮后逐漸變暗，最后熄滅．現(xiàn)象說(shuō)明充電電流方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，電流逐漸減小至零．

師：現(xiàn)在將單刀雙擲開(kāi)關(guān)撥接至“2”位置，觀察到什么現(xiàn)象？現(xiàn)象說(shuō)明了什么問(wèn)題？

生：發(fā)光二極管a不亮，b變亮后逐漸變暗，最后熄滅．現(xiàn)象說(shuō)明電容器放電電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，電流逐漸減小至零．

圖2 電容器充放電演示板

評(píng)析：電容器的充放電過(guò)程是電容器工作的主要形式，也是本節(jié)教學(xué)難點(diǎn)之一．教材對(duì)電容器的充放電過(guò)程敘述比較簡(jiǎn)單，加上內(nèi)容抽象，電荷的微觀運(yùn)動(dòng)無(wú)法演示，學(xué)生接受起來(lái)顯得非常困難．為解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)通過(guò)兩個(gè)發(fā)光二極管，讓學(xué)生直觀地感受到電容器充放電電流的方向及電流大小變化情況，使學(xué)生對(duì)電容器的認(rèn)識(shí)更具體，更豐富．

片段三：探究電容器儲(chǔ)存電荷量與電勢(shì)差關(guān)系

師：電容器充電后兩極板帶有電荷，同時(shí)存在電勢(shì)差．電容器儲(chǔ)存的電荷量與電勢(shì)差之間有何關(guān)系，我們是否可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究這個(gè)關(guān)系？

生：可以．只要測(cè)量出兩極板間的電勢(shì)差和電荷量，分析數(shù)據(jù)就可以得出電容器電荷量與電勢(shì)差之間的關(guān)系．

師：怎樣測(cè)量?jī)蓸O板間的電勢(shì)差，極板所帶的電荷量呢？

生：電勢(shì)差可以用電壓表測(cè)量，但測(cè)量電荷量……

師：對(duì)，電勢(shì)差可以用電壓表測(cè)量，我們這里實(shí)驗(yàn)可以用數(shù)字萬(wàn)用表中的電壓擋進(jìn)行測(cè)量，但電荷量大小要直接測(cè)量是比較困難的，(老師稍稍停頓片刻)，我們能否用其他方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題．法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鲈谘芯侩姾芍g相互作用大小時(shí)，同樣碰到了電荷量不易測(cè)量的問(wèn)題，他是怎樣解決這個(gè)問(wèn)題的？

生：庫(kù)侖是利用兩個(gè)完全相同的導(dǎo)體小球，一個(gè)帶電，一個(gè)不帶電，兩球相互接觸后，兩小球所帶電荷量相等．

師：對(duì)，庫(kù)侖利用“二分法”解決了這個(gè)難題．以此類(lèi)推，兩個(gè)完全相同的電容器，一個(gè)帶電，一個(gè)不帶電，讓它們相互接觸后，兩電容器所帶電荷量相等．

師：為使實(shí)驗(yàn)操作更方便，現(xiàn)象更直觀，老師在每小組桌面上都準(zhǔn)備了一塊演示板，板上5個(gè)電容器是相同的．同學(xué)們按如圖3所示連接電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究電容器儲(chǔ)存電荷量與電勢(shì)差關(guān)系，記錄數(shù)據(jù)填入表1中．(學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn))

圖3 探究電容器儲(chǔ)存電荷量與電壓關(guān)系電路

電容器C1C2C3C4電荷量電壓

師：各組同學(xué)都已基本完成了實(shí)驗(yàn)，下面請(qǐng)第2小組同學(xué)推薦一名同學(xué)來(lái)敘述一下你們的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程？

師：非常好，那么你們從記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出什么結(jié)論？

生：Q與U的比值為一個(gè)常數(shù)．

評(píng)析：教學(xué)過(guò)程中推導(dǎo)得出電容定義式的是本節(jié)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)．以往教學(xué)設(shè)計(jì)大多是類(lèi)比蓄水池的方法告訴學(xué)生電容器所帶電荷量Q與電壓U成正比；或者通過(guò)放電產(chǎn)生火花強(qiáng)弱、小燈泡的亮度情況等來(lái)定性說(shuō)明電容器儲(chǔ)存電荷量的多少，不足以得出電荷量Q與電壓U成正比的結(jié)論；同時(shí)由于推理的嚴(yán)謹(jǐn)性問(wèn)題，必會(huì)擾亂學(xué)生對(duì)電容概念的理解．本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙地利用“庫(kù)侖二分法”使電容器電荷量這個(gè)很難測(cè)量的物理量問(wèn)題得到解決，實(shí)現(xiàn)了定量地進(jìn)行探究電容器儲(chǔ)存電荷量與電勢(shì)差關(guān)系，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單易行，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，效果明顯，學(xué)生容易理解，充分達(dá)到了突破教學(xué)難點(diǎn)的作用．

片段四：探究不同電容器的電容大小

師：剛才利用“庫(kù)侖二分法”解決了電容器電荷量這個(gè)較難測(cè)量的物理量問(wèn)題，實(shí)際上我們可以使用電子鐘來(lái)半定量測(cè)出電容器放電電荷量的大小．讓電容器放電電流驅(qū)動(dòng)石英鐘指針轉(zhuǎn)動(dòng)，指針轉(zhuǎn)動(dòng)的格數(shù)對(duì)應(yīng)是電流驅(qū)動(dòng)時(shí)間，通過(guò)格數(shù)的多少可以半定量地反映電容器儲(chǔ)存電荷量的多少．

師：按如圖4所示，將演示板連接好電路，將單刀雙擲開(kāi)關(guān)撥向“1”位置，S1和S2閉合，則電源同時(shí)對(duì)C1與C2兩電容器充電，請(qǐng)問(wèn)充電過(guò)程中兩電容器中的哪個(gè)物理量相同？

生：兩極板電勢(shì)差相同．

圖4 探究電容器電容大小的電路

師：非常正確．現(xiàn)在斷開(kāi)S2，將單刀雙擲開(kāi)關(guān)撥向“2”位置，電容器C1通過(guò)石英鐘進(jìn)行放電；斷開(kāi)S1，閉合S2，電容器C2通過(guò)石英鐘進(jìn)行放電．分別記錄指針轉(zhuǎn)動(dòng)的格數(shù)填入表2中．(邊說(shuō)邊演示，學(xué)生記錄數(shù)據(jù))

表2 記錄指針轉(zhuǎn)動(dòng)格數(shù)

師：分析觀察到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．可以得出什么結(jié)論？

生：不同電容器充電電壓相同，但放電時(shí)石英鐘指針轉(zhuǎn)動(dòng)的格數(shù)一般不同；

說(shuō)明不同電容器儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)一般不同，即電容一般不同．

評(píng)析：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)運(yùn)用控制變量法，對(duì)不同電容器在相同電壓，儲(chǔ)存電荷量的多少進(jìn)行半定量探究，得出不同電容器電容一般不同的結(jié)論，使電容這一抽象概念變得具體直觀，學(xué)生易于理解和接受，進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)教學(xué)難點(diǎn)電容概念的理解，學(xué)生的抽象思維能力和創(chuàng)新能力也得到了培養(yǎng)和提高．

片段五：探究決定平行板電容器電容大小的因素

生：不能，因?yàn)殡娙萜麟娙荽笮∈怯呻娙萜鞅旧硭鶝Q定．

師：電容器電容與極板兩端電壓和所帶電荷量無(wú)關(guān)，是什么因素決定電容器電容大小呢？接下來(lái)，我們以平行板電容器為例進(jìn)行研究，大家可以根據(jù)平行板電容器結(jié)構(gòu)猜想一下決定平行板電容器的因素有哪些？

生：兩極板的距離，正對(duì)面積，極板間的介質(zhì)材料……

師：我們現(xiàn)在要探究平行板電容器電容大小與以上猜想的多個(gè)因素之間的關(guān)系時(shí)，應(yīng)采用什么實(shí)驗(yàn)方法？

生：控制變量法．

師：對(duì)，我們可以用控制變量法來(lái)探究決定平行板電容器電容大小的因素．在桌面上有兩塊用鋁扣板做成平行板電容器、數(shù)字電容表等儀器(如圖5所示)和陶瓷片、玻璃板等電介質(zhì)．

圖5 探究影響平行板電容器電容的因素

請(qǐng)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)方案完成以下實(shí)驗(yàn)：

(1)兩極板正對(duì)面積S不變，距離d變化；

(2)兩極板距離d不變，正對(duì)面積S變化；

(3)兩極板正對(duì)面積S、距離d均不變，插入電介質(zhì)．

學(xué)生將實(shí)驗(yàn)所得有關(guān)數(shù)據(jù)、結(jié)論填入表3中．(學(xué)生實(shí)驗(yàn))

師：從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出什么結(jié)論？

生：當(dāng)兩鋁板距離減小，電容表測(cè)出電容器電容的數(shù)值變大；當(dāng)兩極板正對(duì)面積減小，電容值變?。辉趦蓸O板之間插入電介質(zhì)，電容值變大．

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

評(píng)析：決定平行板電容器電容大小的因素是本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的又一重點(diǎn)．課本給出的演示實(shí)驗(yàn)是間接推導(dǎo)電容與各種因素的關(guān)系，這個(gè)實(shí)驗(yàn)不直觀，推導(dǎo)能力要求較強(qiáng)，難于讓學(xué)生形成深刻的印象，不符合高中學(xué)生的認(rèn)識(shí)水平與邏輯發(fā)展水平；同時(shí)這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)所花時(shí)間較長(zhǎng)，容易受天氣等因素影響導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不成功；且只能定性得出結(jié)論．而本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用新儀器數(shù)字電容表直接測(cè)量平行板電容器電容，對(duì)電容大小決定因素進(jìn)行定量研究，不受天氣影響，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，學(xué)生容易接受理解．

片段六：測(cè)量人體電容器電容大小，結(jié)束新課

師：剛才探究了決定平行板電容器電容大小的因素，實(shí)際上相互絕緣的任何兩導(dǎo)體都能構(gòu)成電容器．下面我們一起來(lái)探究一種特殊電容器——“人體電容器”電容的大?。?/p>

(1)20位同學(xué)手拉手分兩排組成一電容器，用數(shù)字電容表測(cè)量電容大??；

(2)減小兩排學(xué)生間的距離，測(cè)量電容大小；

(3)減少兩排學(xué)生人數(shù)，測(cè)量電容大?。?/p>

圖6 測(cè)量人體電容器電量大小的示意圖

學(xué)生將實(shí)驗(yàn)所得有關(guān)數(shù)據(jù)、結(jié)論填入表4中．

師：同學(xué)們從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出什么結(jié)論？

生：增大兩排學(xué)生間的距離，數(shù)字電容表測(cè)量出“人體電容器”的電容變小；減小兩排學(xué)生間的距離，電容變大；減少兩排學(xué)生人數(shù)，電容變小．

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論

評(píng)析：本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)兩排學(xué)生間距的變化，人數(shù)的變化，加深了對(duì)平行板電容器的電容大小決定因素的理解；同時(shí)通過(guò)測(cè)量“人體電容器”電容，讓學(xué)生感受電容器電容存在的普遍性，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，課堂教學(xué)在結(jié)束時(shí)達(dá)到高潮，學(xué)生課后回味無(wú)窮．關(guān)注生活，從生活中挖掘物理教學(xué)素材，以實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生感受到物理是有用的，學(xué)習(xí)物理是有現(xiàn)實(shí)意義的．

本節(jié)公開(kāi)課以實(shí)驗(yàn)探究為主線(xiàn)，6個(gè)教學(xué)片段將整堂課串接在一起，可以說(shuō)思路清晰，環(huán)環(huán)相扣，即突出了教學(xué)的重點(diǎn)，又突破了教學(xué)的難點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中體驗(yàn)探究的過(guò)程，在探究中獲得了知識(shí)、培養(yǎng)了能力，從而最終達(dá)成本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)的有效落實(shí)．

1 邢紅軍.高中物理高端備課.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2014.72～76

2 王永元.王永元的中學(xué)物理教學(xué)主張.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2015.139～161

3 李紅偉.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)促進(jìn)有效教學(xué).中學(xué)物理教學(xué)參考，2012(4):18