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所谓对比,就是将两种或两种以上的事物放在一起加以对照,以揭示事物之间的共性和差异,进而更好地认清事物的本质.对比在物理教学中具有极其重要的地位与作用.正如教育家乌申斯基所说:“对比是一切理解和一切思维的基础.”开普勒曾说:“我重视对比胜于任何别的东西,它是我最可信赖的老师,它能揭示自然界的秘密.”康德曾说:“每当理智缺乏可靠论证的思路时,对比这个方法往往能指引我们前进.”
物理概念、物理规律、物理模型等所反映的事物本质特征往往隐蔽在非本质特征之中,因此,学生对相近、相关、相似的物理概念、物理规律、物理模型等往往不加区分.运用对比,有利于加深学生对物理概念、物理规律、物理模型等本质特征的理解;也有利于厘清学生对物理概念、物理规律、物理模型间的区别.正如著名学者张光鉴所说:“研究事物的异中之同,能使千头万绪的现象变得简明、清晰;而研究事物的同中之异,又能使我们看到事物间那种关系的多样性、灵活性,使我们的头脑不僵化……并且能提高我们的预见性、创造性,少走弯路,起到事半功倍的作用.”本文就电场与磁场的相关问题作一对比分析.
1物理概念的对比
物理概念是客观事物的共同属性和本质特征在人们头脑中的反映,是物理事物的抽象.物理概念的理解与掌握直接关系到物理知识的构建,进而影响到整体网络知识结构的构建与拓展.电场强度与磁感应强度是电、磁场中最重要的两个物理概念.为更好地对它们加以区分和联系,最好的方法就是通过对比.
表1电场强度与磁感应强度的对比物理概念1电场强度E1磁感应强度B共性1引入的意义1电场的强弱与方向1磁场的强弱与方向定义的方式1比值定义法1比值定义法矢标性1矢量1矢量异性1方向1正电荷的受力方向表达式1E=F1q
(电荷任意放置)11.小磁针N极的受力方向
2.小磁针静止时N极指向
3.与试探电流元受力方向垂直B=F1I·L (电流元垂直放置)B=f1q·v (运动电荷垂直进入)B=Φ1S (线圈垂直放置)表2电场力与洛伦兹力、安培力的对比物理概念1电场力1安培力1洛伦兹力异性1表达式1F电=qE1F安=BIL1f洛=qvB適用条件1与电荷运动状态无关1B⊥I1B⊥v方向判断1与正电荷受力方向相同1左手定则1左手定则做功情况1与电势差有关1可以做功、可以不做功1永不做功表3电场线与磁感线的对比物理概念1电场线1磁感线共性异性1引入的意义1形象描述电场的强弱与方向1形象描述磁场的强弱与方向能否相交1不能相交1不能相交疏密程度1越密,越大;越疏,越小1越密,越大;越疏,越小是否真实存在1假想曲线1假想曲线切线方向1电场强度的方向1磁感应强度的方向是否闭合1不闭合曲线1闭合曲线走向1从正电荷出发,终止于
负电荷或者无穷远处
从无穷远出发,终止于负电荷1外部:N极到S极
内部:S极到N极2物理规律的对比
物理规律是物理现象、物理过程在一定条件下发生、发展和变化的必然趋势及其本质联系的反映,是物理概念发展和深化的必然结果.物理规律是物理知识结构体系的枢纽.规律教学是中学物理教学的核心任务.机械能守恒定律与动能定理在电、磁场中扮演着十分重要的角色.洛伦兹力与电场力的做功特点也就备受关注.如果通过精选例题,运用对比,可使学生更加清晰地认识到它们之间的差异.
例1如图1所示,两个半径相同的半圆形光滑轨道置于竖直平面内,左、右两端点等高,分别处于沿水平方向的匀强电场和匀强磁场中.两个相同的带正电小球同时从两轨道左端最高点由静止释放.M、N为轨道的最低点,则下列说法中正确的是
A.两个小球到达轨道最低点的速度vM B.两个小球第一次经过轨道最低点时对轨道的压力FM>FN
C.小球第一次到达M点的时间大于小球第一次到达N点的时间
D.在磁场中小球能到达轨道的另一端最高处,在电场中小球不能到达轨道另一端最高处
解析在磁场中,带正电小球在运动过程中机械能守恒,重力势能全部转化为动能,在电场中,机械能不守恒,重力势能部分转化为动能,部分转化为电势能,故vM>vN,A选项错误;根据牛顿第二定律,B选项正确;带电小球滑到圆弧同一高度,根据动能定理,在磁场中的速率大于电场中的速率,在弧长相等的前提下,平均速率大的时间小,故C选项错误;根据机械能守恒定律,D选项正确.
点评对比思维在试题中体现得淋漓尽致,堪称绝妙.四个选项从不同的角度进行了鲜明对比,涉及到A选项中最低点速度的对比,就是洛伦兹力做功与电场力做功特点的对比;B选项中对轨道压力的对比,就是在最低点洛伦兹力方向的对比;C选项中变速圆周运动运动时间的对比,就是在弧长相等的前提下平均速率的对比,最终还要还原到洛伦兹力与电场力做功特点的对比;D选项中能否到达另一端最高处的对比,也是洛伦兹力与电场力做功特点的对比.
3物理模型的对比
物理模型,是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本质而对研究对象所作的一种简化描述,是以观察和实验为基础,采用理想化的办法创造的,能再现事物本质和内在特性的一种简化模型.理想化的物理模型既是物理学赖以建立的基本思想方法,也是物理学在应用中解决实际问题的重要途径和方法.物理教学离不开物理模型.电偏转和磁偏转是电、磁场中最重要的两种物理模型,运用对比,不仅可以让学生加以区分,而且可以培养学生的模型意识,渗透模型的思想,加强模型化的能力,提高学生的综合分析能力.
例2如图2所示,abcd为一正方形区域,正离子束从a点沿ad方向以v0=80 m/s的初速度射入,若在该区域中加上一个沿ab方向的匀强电场,电场强度为E,则离子束刚好从c点射出;若撒去电场,在该区域中加上一个垂直于abcd平面的匀强磁砀,磁感应强度为B,则离子束刚好从bc的中点e射出,忽略离子束中离子间的相互作用,不计离子的重力,试判断和计算:(1)所加磁场的方向如何?(2)E与B的比值E/B为多少?
解析电偏转,平行于初速度方向
L=v0·t,
垂直于初速度方向L=112·qE1m·t2,
磁偏转:根据洛伦兹力提供向心力qvB=mv21R;
根据几何关系R2=(L-R)2 (L12)2;
E1B=5v014=100.
点评电偏转——类平抛运动:轨迹为抛物线,鉴于恒定电场力与初速度方向相互垂直的显著特征,按照平行于初速度与垂直于初速度方向进行分解,具有等时性;磁偏转——匀速圆周运动:轨迹为圆弧线,鉴于洛伦兹力始终垂直于速度方向的特征,按照洛伦兹力提供向心力,确定圆心、半径,再挖掘隐含的几何关系进行处理.电偏转与磁偏转是电、磁场中最重要的两种物理模型,偏转轨迹极其相似,偏转原理截然不同.因此,物理方法也完全不同,通过对电偏转与磁偏转的差异的深入研究,对把握电偏转和磁偏转的特征与方法,无疑有一定的帮助.
对比思维是一种极其重要的思维.它能启发和开拓学生的思维,能给学生提供解决问题的线索.在物理教学过程中,教师要有意识地渗透对比思维,在建构新知的过程中渗透对比思维,在例题讲评的过程中揭示对比思维;在归纳总结的过程中概括对比思维;让学生学会用对比思维去思考并解决实际问题,进而培养学生的创新思维.
物理概念、物理规律、物理模型等所反映的事物本质特征往往隐蔽在非本质特征之中,因此,学生对相近、相关、相似的物理概念、物理规律、物理模型等往往不加区分.运用对比,有利于加深学生对物理概念、物理规律、物理模型等本质特征的理解;也有利于厘清学生对物理概念、物理规律、物理模型间的区别.正如著名学者张光鉴所说:“研究事物的异中之同,能使千头万绪的现象变得简明、清晰;而研究事物的同中之异,又能使我们看到事物间那种关系的多样性、灵活性,使我们的头脑不僵化……并且能提高我们的预见性、创造性,少走弯路,起到事半功倍的作用.”本文就电场与磁场的相关问题作一对比分析.
1物理概念的对比
物理概念是客观事物的共同属性和本质特征在人们头脑中的反映,是物理事物的抽象.物理概念的理解与掌握直接关系到物理知识的构建,进而影响到整体网络知识结构的构建与拓展.电场强度与磁感应强度是电、磁场中最重要的两个物理概念.为更好地对它们加以区分和联系,最好的方法就是通过对比.
表1电场强度与磁感应强度的对比物理概念1电场强度E1磁感应强度B共性1引入的意义1电场的强弱与方向1磁场的强弱与方向定义的方式1比值定义法1比值定义法矢标性1矢量1矢量异性1方向1正电荷的受力方向表达式1E=F1q
(电荷任意放置)11.小磁针N极的受力方向
2.小磁针静止时N极指向
3.与试探电流元受力方向垂直B=F1I·L (电流元垂直放置)B=f1q·v (运动电荷垂直进入)B=Φ1S (线圈垂直放置)表2电场力与洛伦兹力、安培力的对比物理概念1电场力1安培力1洛伦兹力异性1表达式1F电=qE1F安=BIL1f洛=qvB適用条件1与电荷运动状态无关1B⊥I1B⊥v方向判断1与正电荷受力方向相同1左手定则1左手定则做功情况1与电势差有关1可以做功、可以不做功1永不做功表3电场线与磁感线的对比物理概念1电场线1磁感线共性异性1引入的意义1形象描述电场的强弱与方向1形象描述磁场的强弱与方向能否相交1不能相交1不能相交疏密程度1越密,越大;越疏,越小1越密,越大;越疏,越小是否真实存在1假想曲线1假想曲线切线方向1电场强度的方向1磁感应强度的方向是否闭合1不闭合曲线1闭合曲线走向1从正电荷出发,终止于
负电荷或者无穷远处
从无穷远出发,终止于负电荷1外部:N极到S极
内部:S极到N极2物理规律的对比
物理规律是物理现象、物理过程在一定条件下发生、发展和变化的必然趋势及其本质联系的反映,是物理概念发展和深化的必然结果.物理规律是物理知识结构体系的枢纽.规律教学是中学物理教学的核心任务.机械能守恒定律与动能定理在电、磁场中扮演着十分重要的角色.洛伦兹力与电场力的做功特点也就备受关注.如果通过精选例题,运用对比,可使学生更加清晰地认识到它们之间的差异.
例1如图1所示,两个半径相同的半圆形光滑轨道置于竖直平面内,左、右两端点等高,分别处于沿水平方向的匀强电场和匀强磁场中.两个相同的带正电小球同时从两轨道左端最高点由静止释放.M、N为轨道的最低点,则下列说法中正确的是
A.两个小球到达轨道最低点的速度vM
C.小球第一次到达M点的时间大于小球第一次到达N点的时间
D.在磁场中小球能到达轨道的另一端最高处,在电场中小球不能到达轨道另一端最高处
解析在磁场中,带正电小球在运动过程中机械能守恒,重力势能全部转化为动能,在电场中,机械能不守恒,重力势能部分转化为动能,部分转化为电势能,故vM>vN,A选项错误;根据牛顿第二定律,B选项正确;带电小球滑到圆弧同一高度,根据动能定理,在磁场中的速率大于电场中的速率,在弧长相等的前提下,平均速率大的时间小,故C选项错误;根据机械能守恒定律,D选项正确.
点评对比思维在试题中体现得淋漓尽致,堪称绝妙.四个选项从不同的角度进行了鲜明对比,涉及到A选项中最低点速度的对比,就是洛伦兹力做功与电场力做功特点的对比;B选项中对轨道压力的对比,就是在最低点洛伦兹力方向的对比;C选项中变速圆周运动运动时间的对比,就是在弧长相等的前提下平均速率的对比,最终还要还原到洛伦兹力与电场力做功特点的对比;D选项中能否到达另一端最高处的对比,也是洛伦兹力与电场力做功特点的对比.
3物理模型的对比
物理模型,是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本质而对研究对象所作的一种简化描述,是以观察和实验为基础,采用理想化的办法创造的,能再现事物本质和内在特性的一种简化模型.理想化的物理模型既是物理学赖以建立的基本思想方法,也是物理学在应用中解决实际问题的重要途径和方法.物理教学离不开物理模型.电偏转和磁偏转是电、磁场中最重要的两种物理模型,运用对比,不仅可以让学生加以区分,而且可以培养学生的模型意识,渗透模型的思想,加强模型化的能力,提高学生的综合分析能力.
例2如图2所示,abcd为一正方形区域,正离子束从a点沿ad方向以v0=80 m/s的初速度射入,若在该区域中加上一个沿ab方向的匀强电场,电场强度为E,则离子束刚好从c点射出;若撒去电场,在该区域中加上一个垂直于abcd平面的匀强磁砀,磁感应强度为B,则离子束刚好从bc的中点e射出,忽略离子束中离子间的相互作用,不计离子的重力,试判断和计算:(1)所加磁场的方向如何?(2)E与B的比值E/B为多少?
解析电偏转,平行于初速度方向
L=v0·t,
垂直于初速度方向L=112·qE1m·t2,
磁偏转:根据洛伦兹力提供向心力qvB=mv21R;
根据几何关系R2=(L-R)2 (L12)2;
E1B=5v014=100.
点评电偏转——类平抛运动:轨迹为抛物线,鉴于恒定电场力与初速度方向相互垂直的显著特征,按照平行于初速度与垂直于初速度方向进行分解,具有等时性;磁偏转——匀速圆周运动:轨迹为圆弧线,鉴于洛伦兹力始终垂直于速度方向的特征,按照洛伦兹力提供向心力,确定圆心、半径,再挖掘隐含的几何关系进行处理.电偏转与磁偏转是电、磁场中最重要的两种物理模型,偏转轨迹极其相似,偏转原理截然不同.因此,物理方法也完全不同,通过对电偏转与磁偏转的差异的深入研究,对把握电偏转和磁偏转的特征与方法,无疑有一定的帮助.
对比思维是一种极其重要的思维.它能启发和开拓学生的思维,能给学生提供解决问题的线索.在物理教学过程中,教师要有意识地渗透对比思维,在建构新知的过程中渗透对比思维,在例题讲评的过程中揭示对比思维;在归纳总结的过程中概括对比思维;让学生学会用对比思维去思考并解决实际问题,进而培养学生的创新思维.