本页供教师备课阅读,保留原教学设计中的建议与模型边界;可操作的模拟以高考题专区为准。
依据作者新整理的《静电场高考题5年汇编》。年份、卷别及“汇编第×题”沿用原文,不重复抄写题干。为便于对照已有批注,保留本文条目编号;当前纳入23题,天津与湖南两题调整到一起讲。
建立独立的高考题专区,以题目为中心,模型服务于题目。每道题旁边或下方放与它匹配的可视化,学生能同时对照题干、题图、模型和讲解。复用现有静电场实验室、自由电荷工作台及游戏中的模型和表现能力,按该题需要改编、嵌入;本设计不再以向实验室主界面追加场景为目标。
呈现方式按教学需要选择:器件适合可转动的三维模型;电势与场强关系适合切面曲线;感应、吸附、运动及二维到三维转换适合教学动画;需要连续说明时可配短视频。同一道题可以组合几种方式,也可以只用静态三维观察,不要求每题都做游戏。用于解释原理的视频可以预制;声称“验证运动轨迹”的动画,其场、受力与轨迹必须来自同一物理模型。
教学顺序仍是先预测、再观察关键过程、最后回到原题解释。以下写的是教学设计与待确认的呈现方案;本轮仅修改文档,达成共识后再改代码。
在电势与电势能之间切换时,保持源电荷和观察点的平面位置不动,让学生看见“场没变,所选粒子的能量表示变了”。电子运动题以电势能地形承载运动,同时保留电势图或切面作对照。
这一类从实际器件进入,重点是让学生把器件中的对象与电场、受力和能量联系起来。两题可以共用“先辨源电极,再辨被作用物体”的讲法,但晶片是感应带电的整体,污泥絮体按带负电粒子处理,不能混为同一个模型。
怎样引出和讲解。 先遮住选项,问:“晶片整体可以不带净电荷,为什么仍能被吸住?”让学生预测晶片靠近正、负电极的区域将出现什么电荷,再通过感应过程核对。原图晶片在卡盘下方,受到向上的吸引,靠近卡盘时电场力做正功;按本题的能量描述,晶片电势能减少,得到 B。
题旁怎样呈现。 在题目旁放“双极静电卡盘”三维情境,可旋转观察,并按三个阶段播放:
这里用感应电荷、电场和整体受力解释吸附。晶片不是一个固定电荷量的点粒子,不套用单个试探电荷的 qφ 地形来表示整片晶片的能量。
怎样检查理解。 同时反接两个电极,先判断吸引是否变成排斥,再观察感应电荷也反向。要求解释“净电荷为零”为什么不能推出“合力为零”,并用力与位移的关系判断功,不额外要求器件吸附力的定量公式。
怎样引出和讲解。 先让学生给电场线加箭头,再在 M 点画负絮体的受力箭头。明确两个箭头相反后,依次处理 M、P 同势,N 到 M 电势降低,以及负电荷 M→N 时电场力做正功,得到 AC。
题旁怎样呈现。 将已有模拟动画改编为匹配原图的“棒—圆盘”情境,放在题目旁,提供极性切换并标出 M、N、P。先在电势图读三点的电势与场强,再切为负粒子的电势能地形,观看地形翻转:向较高电势处运动,对负粒子可以是电势能下降。动画分开显示电场箭头与负粒子受力箭头,避免学生将二者混同。
若演示粒子运动,先以受力、功和能量关系为目的;是否加入液体阻力按教学需要决定。仅受电场力的运动不能用来预测污泥真实沉降速度或处理效率。
怎样检查理解。 保持场不变,切换试探电荷正负,指出电势和场强不变,而受力、同一路径的功及电势能地形改变。再反接电源,说明这是改变源场,与只换试探电荷不同。
这两道电子透镜相关题共用题旁的“单电子—电子束运动”教学动画。学生设置初速度大小、方向及入射位置,先预测,再在电子的电势能地形上观察受力、速度与轨迹。先发射单电子,再让不同位置或方向的多个电子组成电子束,观察会聚、发散和束宽变化。保留平面视图,以便与原题场线及轨迹对照。
此处主要做可暂停、重放、调节初始条件的模拟动画,观看体验可借鉴游戏;不需要自由漫游、关卡,也不另做一套“短时间冻结电场”功能。先把题图所涉及的静电场关系和电子轨迹讲清。
关于两枚月牙形圆弧电极。 可作为待验证的几何方案,但电极轮廓本身不能保证得到题图电场。要一起确定摆放方向、间距、电势及周围边界,再检查轴向电场、轴外横向受力和计算轨迹。例如,上下镜像的两电极加等大反向电压、其余边界也满足相应对称时,中轴线是等势线,轴向场分量为零,这就不能直接表示题图轴上向前加速的场。下一阶段应先验证候选电极场能否支持题中关键现象,再决定采用哪种布局;不预设圆弧方案已经成立,也不为贴合选项强行指定轨迹。
怎样引出和讲解。 先只看中轴线上的电子,问:“从 b 到 c,场强减小,电子是不是减速?”电子受力向右、速度向右,电场力仍做正功,所以速度继续增加,不能把加速度变化当作速度变化。再讨论轴外电子的横向受力与束宽,得到 C。
题旁怎样呈现。 使用上述单电子—电子束动画,建立能表达题图关键场分布的模型。先显示二维场线,再将电势图转换为电子的电势能地形,设置电子从左侧向右入射。在 a、b、c 附近暂停,对照速度与受力。随后增加上、下不同入射位置的电子,观察它们怎样偏转、电子束怎样变化。这里借用题目给定的短时间近似讨论运动,不展开激光、纳米柱和跨周期时变加速的装置复现。
怎样检查理解。 改变初速度方向或大小,让学生先预测再播放,说明哪些变化来自初始条件、哪些来自电场。图上“束宽变化”不自动意味着截面形状也一定改变;对称条件下可以缩放而保形。
怎样引出和讲解。 先对四幅轨迹作出预测,在某个弯曲位置依次画 E、电子受力 F 和速度 v。电子受力与 E 反向,其法向分量必须指向轨迹凹侧,据此判断 A,而不是只凭“看起来在聚焦”。
题旁怎样呈现。 与上一题采用同类动画界面,使用符合本题场线方向及局部变化特征的场。先让一颗偏离中轴的电子按设定初速运动,再同时发射一束带有发散初速度的电子。在电子电势能地形上观察偏转,在平面上对照题图;允许调节初始方向,检验能否出现与正确选项相容的轨迹。保留无场时的直线运动作参照,暂停时显示当前 v、F 与下一小段轨迹。
计算结果用于检验模型下的轨迹是否与题目相容,不用“调出了相似图形”代替选项的物理推理,也不默认两题的电场完全相同。
怎样检查理解。 问:“电子越过中轴线后,为什么不一定沿中轴线直走?”用横向速度和之后的横向受力解释。再保持场不变,换成正粒子,观察其电势能地形与弯曲方向怎样改变。
怎样引出和讲解。 先问:“正电荷一定向低电势处运动吗?”安排顺场、逆场、垂直场三个初速,让学生各画一条预测轨迹,再区分直线、折返和抛物线,得到 C。
题旁怎样呈现。 将现有游戏的匀强场运动改编为题旁动画。先播放逆场发射,在速度为零处暂停,看受力方向仍不变;再展示横向发射,展平地形看抛物线。运动地形使用所选粒子的电势能;对于这道正粒子题,形状与电势地形同向。可保留游戏式视角体验,但平面图与 v、F 是判断的主要依据。
怎样检查理解。 给一个斜向初速,让学生分解平行和垂直于电场的速度,解释轨迹。再指出:即使受力始终朝电势能降低方向,粒子也可以凭初动能先上坡。
这一类让学生经历“二维图读不清的关系,转成地形后怎样显现”。等高线到真实山峰、电势图到电势地形、电势到指定粒子的电势能地形,是不同的转换,要让标题、标尺和粒子电性随画面明确显示。按题目选择静态观察、拉高动画和运动动画,不统一做成游戏。
怎样引出和讲解。 把 M、N 同势作为第一条事实,再问:“同势是否意味着场强相同?”比较相邻等差等势线的法向距离,随后沿 N→P 判断电势降低,再用负电荷分析 M→P 的功,得到 D。
题旁怎样呈现。 先做一个匹配题图的张开双板电场,直接放在题目下方。固定电压,展示平面等势线、电场线及可转动地形,在同一等势线上选两点同时读 φ、|E|,呈现“同势、不同场强”。转动极板时按新的边界求场,不将平行板公式直接套入张开的间隙。
怎样把习题实验化。 可在分组实验中增加一组不平行的线电极,让学生先测几条等势线、比较窄处与宽处,再回到此题。把实测点与匹配水槽边界的模拟对照,讨论图线疏密;水槽场作为原题的截面类比,不当作有限三维极板的精确复制。题旁模拟可先承担讲解,实测活动另按器材条件落实。
怎样检查理解。 保持场不变,切换试探电荷正负,解释电势不变但功反号。速度是否增减还要看其他力,不能只凭电场力做功断言。
怎样引出和讲解。 先只给二维等高线图,让学生预测左右哪条滑道更陡、哪个小球先到达、末速度是否相同。保留这些判断,再让二维图逐渐变成立体山峰。
题旁怎样呈现。 做一段可以暂停、转动观察的教学动画:保留等高线的平面位置,以高度值逐渐拉高第三维,形成与原图高低、疏密关系相容的山峰;再标出 MA、MB 两条光滑直滑道,两个小球从同一山顶同时由静止释放。同步显示两球位置、速度、加速度和到达时刻,到达后保留结果以便比较。按无摩擦滑动质点处理,小球外形不额外引入滚动转动能;原图没有给出的完整山体和尺寸作为教学设定标注。
怎样从重力类比到电场。 同一落差解释到达 A、B 时末速相同;较陡滑道沿程加速度较大、路径较短,在直滑道条件下到达较早。随后把等高线换作等势线,讲右侧电势下降更快、场强更大,回扣 D。重力小球的实际坡角与电势能地形的显示坡度分开,不将两种运动逐帧等同。
怎样检查理解。 隐藏动画,让学生分别用落差、坡度及直滑道条件解释末速、加速度和时间;换成相同落差的弯曲滑道时,不能继续仅凭一个坡角判断全过程。
怎样引出和讲解。 先由等势值判断 E 朝向,再把它与轨迹凹向比较,确定粒子带正电。随后讨论 M、N 的场强、电势能及动能,得到 BCD。
题旁怎样呈现。 与第7题采用相近的“二维到三维”教学动画:从原题等势图开始,以标注的电势值逐渐拉高,形成相容的电势地形;确定 q>0 后切为该粒子的电势能表示,再设置初位置和初速度,让粒子从高势能区域旁掠过。画面保留平面轨迹、v、F,可旋转、暂停与重放,获得接近游戏的观看体验,不额外做自由漫游或关卡。
场曲面需保留原题的等势值次序及关键疏密关系,轨迹由该场和初始条件计算,用于核对弯曲方向及能量变化。原图不足以确定唯一完整电场,不能把手绘轨迹作为计算结果,也不追求靠调参逐像素贴合原图。地形上看似“滚过”的竖直起伏只表示电势能变化,不增加重力。
怎样检查理解。 在沿轨迹电势能最大处暂停,问:“此处动能最小,为什么不一定停住?”让学生通过仍存在的速度与受力夹角,区分散射最近点和一维折返点。
这一组把“由源电荷产生曲线”“把电势转为粒子电势能”“由初动能判断运动范围”接起来。天津题与湖南题相邻讲,便于比较电荷配置、φ 曲线和 E 曲线;其余运动题按需要使用教学动画或游戏式观察。
负粒子的运动用翻转后的电势能地形。只有一维 φ(x) 信息时,可把能量截线展开成有宽度的地形画面,粒子仍按题设沿 x 轴运动;这种横向展开只是显示,不声称原题给出了唯一的二维自由运动电场。总能量线与地形使用一致的标度,若显示高度压缩,不能直接拿屏幕高度差计算能量。
怎样引出和讲解。 先问:“电子在电势峰顶的电势能最高还是最低?”先显示 φ,再转换为 Ep=−eφ,让峰变成谷。由 M 静止释放的条件画总能量线,利用对称性找到另一转折点 N,比较 P 与 N 的动能,得到 D。
题旁怎样呈现。 可用教学动画,也可嵌入游戏式场景。先用两个对称正点电荷及中垂线切面,观察怎样产生同类电势峰;再在电子电势能地形上释放电子,观看它从 M“下坡”、经过谷底、向另一侧“上坡”到 N。保留原 φ 曲线及当前位置标记;在 O、N 各留一个暂停画面,分别显示零场强却速度最大,以及速度为零却仍有受力。
怎样检查理解。 隐藏动画,让学生在原 φ 图标出速度最大处、零场点及转折点。换成正粒子后先让学生重画电势能地形,再预测从 M 静止释放会不会向 O 运动。
怎样引出和讲解。 先不播放运动,问:“一正一负两个点电荷,怎样构成这样的电势曲线?”在工作台中搭建同类模型,再把电势曲线、带正负号的轴向场强曲线并排,找到 c 点电势极小、Ex=0,且 c 两侧 Ex 反号。然后将 φ 转为负粒子的 Ep:电势谷变为势能峰,按题设从 d 向 a 运动时先减速、后加速,得到 BD。
题旁怎样呈现。 一个可复现的教学配置为:−4q 固定在 x=−L,+q 固定在 x=0,观察 x>0,取无穷远电势为零。此时 φ=kq[1/x−4/(x+L)],零势点为 x=L/3,极小值与零场点为 c=L。原题没有给这些具体源与距离,这是一组产生同类曲线的模型。让学生转动地形、移动切面,再在 c、c 两侧固定观察点,联合读取 φ、Ex 和 |E|。
从静止平衡讲到运动。 固定两个源,在 c 放一颗初速度为零、忽略其反作用的试探电荷,理想条件下它保持静止;另一次让题中负粒子带着足够初速度经过 c,它仍能通过。再让试探电荷稍偏离 c,比较两侧受力,说明“恰好静止平衡”不等于“受扰动后仍保持平衡”。对负粒子,c 是沿 x 方向的势能峰;可用电势能地形观察偏离后的趋势。
怎样接到“三个自由电荷的平衡”。 将其作为后续小专题,明确前一步只核对试探电荷所受合力。若三颗都可自由运动,必须分别满足合力为零,第三颗也会反过来影响前两颗。例如在上述 x=−L、0、+L 三处分别放 −4q、+q、−4q,可以逐颗验证理想静止平衡;第三颗已不是可忽略的试探电荷,应重新计算整体电场。这给出两种问题之间的联系,而不把它们当作同一条件。
怎样检查理解。 对比“c 处静止放置”“带初速经过 c”“三个源均可自由运动”三幅图,让学生分别写出所需条件。再与紧接的湖南题比较:反转两个源的电性后,φ 和 Ex 曲线怎样改变。
与天津题一起怎样讲。 保留上一题的两个源和坐标,把它们同时反号:x=−L 变为 +4q,x=0 变为 −q。先不显示新曲线,让学生预测:φ 和 Ex 均反号,原来的电势谷成为峰;零势点和零场点的位置不变。再显示曲线核对,形成从配置预测图像的练习。
题旁怎样呈现。 两题放在同一对照区域,共用源电荷模型、观察切面和 φ、Ex 曲线。天津题着重由图解释负粒子运动,湖南题着重由配置预测 x>0 的图形。取 L 对应题中1个长度单位,则 φ=kq[4/(x+1)−1/x],零势点 x=1/3、零场点 x=1;近负源趋向负无穷,远处从正值趋于零,匹配 D。
此时翻转的是源电荷,场确实改变;要与“场不变,只将负试探粒子的电势图转为电势能图”作对照,避免两种上下翻转混为一谈。
怎样检查理解。 将 +4q 改为 +9q,先预测零势点 x=1/8、零场点 x=1/2,再观察。要求分别使用电势与场强叠加说明两种位置。
怎样引出和讲解。 先由 x₂ 处 Ep=−1 eV、K=1.5 eV 求 H=0.5 eV。将原 φ 曲线转为负电荷的 Ep 曲线,再以总能量线找与起点连通的允许区。转折处 Ep=H,对应 φ=−0.5 V,所以粒子绕 x₃ 往复,选 B。
题旁怎样呈现。 做能量地形教学动画:先按原图关键电势值与多个极值建立同类曲线,将它沿横向展开成地形,再演示负粒子的电势能翻转。给定初动能,观看粒子能“滚”到哪里、在哪儿折返;同步标出 K=H−Ep,而不是先规定两个折返点。原题限定沿 x 轴运动,地形宽度仅帮助观看,不引入额外的横向运动或声称重建了唯一二维电场。
怎样检查理解。 将 x₂ 初动能改为2.5 eV,让学生先判断能否越过 x₁:新的 H=1.5 eV,高于 x₁ 的 Ep=1 eV。再播放,解释运动范围改变来自跨过势垒,而非电场改变。
这一类现有工具已能承担大部分教学。重点是将“画面变化”连接到“一个电荷的贡献怎样变化”,让学生主动使用对称、叠加和反例。题旁可按需复用固定观察点、分源矢量、电势贡献及修改前后的比较;湖南第42题已与天津第36题放在上一类相邻讲解。
怎样引出和讲解。 先判断中点 A 的场强,再问电势是否也为零。随后用 NA=NB、MB>MA 分别比较两源的电势贡献,得到 EA<EB、φA>φB,选 A。
题旁怎样呈现。 提供静态、可由学生转动视角的三维观察模型,放置两个同号带电小球作为源的标识,按题图标出 A、B。可切换真实空间电场线、电场矢量与电势地形;球形外观仍对应点电荷模型,不自动改成有限导体球。先用固定位置让学生看清双峰、中点场强抵消和 A、B 的差异,不必先做运动动画。需要进一步探究时,再让 B 沿以 N 为圆心的指定圆弧移动。
怎样检查理解。 要求指出哪幅视图帮助判断方向、哪幅帮助比较电势;再用距离关系证明结论对所有允许的 B 成立,不能只靠某一个观察角度或一个读数。
怎样引出和讲解。 将此题作为学生认识自由电荷工作台的主例:从三个源电荷入手,让他们先分清场线与等势线,再讨论“同势是否同场强”“等距离是否等电势差”。最后由 a、f 同势且终点均为 b,判断电子电场力做功相同,选 D。
题旁怎样呈现。 将工作台的三电荷模型放在原题旁,按原图布局建立同类场。让学生转动电势地形、移动切面,自己找到同势起点与共同终点,再比较功;沿负电荷上方的截线比较等长两段的 Δφ。原图未给精确电荷量和坐标,具体 a—f 的归属仍以原图为准,不用自选参数冒充唯一原场。
怎样检查理解。 让学生在工作台中选出一组“电势相同但电场不同”的点,以及一组“距离相等但电势差不同”的区间,并回到原题说明相应选项为什么成立或不成立。
怎样引出和讲解。 先从靠近两源的电势符号判断电性,再选零势线上的一个易读距离点。由 Q₁/r₁+Q₂/r₂=0,将距离比转为电荷量比,得到 Q₁>0、Q₁/Q₂=−2,选 B。
工具怎样配合。 现有工作台先设等量异号,观察零势截面为直线;逐渐改变一侧电荷量,看零势线形状及位置变化。建议允许固定显示“0 V 等势线”,并从观察点向两个源画测距线,帮助学生把图像转成距离关系。
怎样检查理解。 同时将两电荷放大为原来的两倍,预测零势线是否移动、非零电势是否变化。由此理解零势几何主要约束电荷量比,不能单独确定绝对电荷量。
怎样引出和讲解。 先补回 a 棒,利用四棒对称说明中心 O 的合场为零,再用 E剩=−Ea 判断去掉 a 后的场方向;每根正棒对 O 都贡献正电势,去掉一根后电势降低,得到 A。
题旁怎样呈现。 优先在一个平面内用四个对称同号点电荷演示,标出与原题四棒对应的位置。先显示中心的四个分场如何抵消,再移去一个点源,看合场朝缺失位置、电势降低。这足以支持本题中心处的对称与叠加推理;点源与长棒全空间场的数值、衰减规律不等同。
均匀带电线段暂不作为本题必做功能。只有后续要比较棒长、离中心位置或定量场分布时,再判断增加线段模型是否有教学价值。
怎样检查理解。 改为移去两根相对的棒,让学生借助点源示意解释为什么中心场强仍可为零,而电势已降低。
怎样引出和讲解。 先按对称性分组叠加,分别画 L、N 的合场方向,再处理 M。最后才比较电势:M、O 同为零势,L 与 N 不同势,所以正电荷 M→O 不做功、L→N 的功不为零,得到 AB。
工具怎样配合。 现有工作台按原图放四电荷;取经过 M、O 的切面,同时显示 φ、沿切面场强 Eₛ 与总场强 |E|。这能清楚呈现“沿这条线电势不变,但横向有电场”。建议加入分源矢量显示,帮助解释 M 处近处一对与远处一对的贡献谁占优势。
怎样检查理解。 在 M 静止释放正电荷,它会沿 MO 运动吗?要求先按合场方向判断最初加速度,解释“沿 MO 不做功”与“自由粒子沿 MO 走”没有必然联系。
怎样引出和讲解。 先将 G 也设为正电荷,让学生用对称性得到 O 的场强为零,再把 G 从 +Q 改成 −Q。强调这相当于在基准场上加 −2Q,而非只减去 +Q。由此迅速得到 EO=2kQ/R²、方向指向 G;再比较 M、N 电势,判断正电荷 M→N 做正功。
工具怎样配合。 现有工作台可直接放八个电荷、翻转 G。建议并排保留“八个全正”与“七正一负”,同时显示差值场;先只看 O,再看 M、N 的电势差。这样让补偿法从代数技巧变成可观察的叠加过程。
怎样检查理解。 将移动路径由原弧线换成另一条弧或折线,问功是否改变。要求从端点电势论证,并说明“路径改变”不等于“端点改变”。
这两题要把二维题图还原为空间关系。在这两题旁复用工作台的电荷模型,按需呈现指定电势的三维等势面,尤其是零势面,并叠加观察点电场矢量与局部切平面。旋转观察用于建立空间认识,结论仍由对称性及电势关系说明。
怎样引出和讲解。 先单独问:“球面电势处处为零,球面上电场是否处处为零?”用电场垂直等势面的关系,指出只能确定场的法向性质,不能单凭零势判断方向或大小。再加入题中条件逐项分析,得到 BD。
工具怎样配合。 现有工作台可构造满足题设的四电荷例子;建议以三维零势球面展示 A、B 的场方向。将所有源电荷反号,零势球仍保留而电场反向,用一个可检验反例否定 A。随后在 O 加正点电荷,观察 A、B 电势都升高。
关键讲解。 对 C、D 中“沿 y 轴始终不做功”的附加条件,先得到 Ey=0;源电荷全在 x 轴,故在 C 处还有 Ez=0。零势球又要求 C 处电场若非零应沿 y 方向,因此各分量只能同时为零。沿 y 轴其他位置没有球面法向这一额外约束,可能仍有 Ex,故不一定零场。
怎样检查理解。 让学生用两种颜色分别标记“零势球面给出的约束”和“沿 y 轴不做功给出的约束”,解释为什么只有两者结合才能推出 C 点的结论。不要把某一数值例子当成一般证明。
怎样引出和讲解。 从零势条件 2/rM=1/rN 出发,得到 rM=2rN,再认识满足固定距离比的点构成球面。先说明 T 处场方向在法线上,再判断朝里还是朝外;随后区别零势交点与零场点,得到 B。
工具怎样配合。 现有工作台输入 2q、−q,观察平面零势截面;新增等势面后绕轴旋转,显示球心 O 并不在任一源电荷上。沿球面移动观察点,看 φ 保持零而场强仍非零,方向沿法向朝内;另沿 MN 直线寻找唯一有限远的零场点。
怎样检查理解。 问:“这个零势球面是否等于一个金属球?”让学生指出它只是空间中等势点的集合,球内仍有源电荷,不能据此套用导体内部场强为零。再整体反号,判断零势面位置与场方向分别怎样变化。
这一类先明确哪些量保持不变,再改变几何条件。题旁复用现有变板距计算,按具体题目补充两板独立移动、极性切换和固定观察点。三题主要采用各自题设条件,恒 Q 作为需要时才展开的对照;三板与油滴分别服务相应题目。固定点与随板移动的点须用明显不同的标记。
怎样引出和讲解。 先画 A、B、C 三块板的电势,不急着画电场线:A、C 接地为零,B 为同一个电势。两间隙各画线性电势变化,学生就能同时看出“中点高度相同”和“窄间隙斜率绝对值更大”,得到 φa=φb、Ea>Eb,选 A。
工具怎样配合。 现有双板可先分两次比较;建议新增三板同屏模型,联动显示两侧电势截线、场方向与 a、b 读数。改变一侧板距后,要求学生先预测。若 B 是孤立带电板,应保持其总电荷,由两侧等效电容共同求 B 电势;若为展示方便保持 B 电势,则须显示它接了电源,区分两种条件。
怎样检查理解。 将 B 改为负电,让学生判断场方向、电势符号与场强大小关系哪些改变;再将 a 移离中点,检验“两个中点”这一条件是否真正被理解。
怎样引出和讲解。 在原图用固定标记钉住 a、b,再让两板对称外移。问:“板距变了,a、b 的距离变了吗?”由 U 不变、E=U/d 变为一半,再用固定的位移投影说明 W 变为 W/2,选 A。
工具怎样配合。 现有变板距已能展示场强与固定点电势差的比例;建议补两板独立移动,使操作与题图一致。画面同步保留 U、板距 d、固定两点 Δφ 和功,不把公式中不同的距离都记成同一个 d。先让学生预测数字变化,再移动极板核对。
怎样检查理解。 再放一组随板距变化、始终位于 1/4 与 3/4 间隙位置的点,比较它们的电势差。后一组 Δφ 保持 U/2,前一组减半,让学生解释差异来自测点条件。
怎样引出和讲解。 先由上正下负、电场向下而油滴静止,判断油滴带负电、电场力向上平衡重力。上板上移后,依次判断 U不变→E减小→向上电场力减小→合力向下;再讨论固定 P 的电势降低,而负电荷在 P 的电势能升高,得到 B。
工具怎样配合。 现有变板距用于观察固定 P 的电势。建议新增油滴受力情境,分成两步:先移动极板、暂时标记原 P;再释放油滴,显示电场力、重力、合力与轨迹。这样学生能分清“电场改变后原位置的量”与“粒子运动到新位置后的量”。本题运动可先采用理想匀强场与重力,不必加入油滴带电机制。
怎样检查理解。 保持下板接地,分别比较上板为 +U/−U、上移/下移四种情况,用 φP=VA·h/d 解释固定点电势变化。原文最后一条与前一条重复写了“接负极向上移动”;按四种对照,应将最后一条理解为“接负极向下移动,P 点电势降低”。
下表汇总教学设计,不代表已经实施,也不预先规定所有题必须采用同一形式。
| 题目或题组 | 主要呈现方式 | 重点让学生观察什么 |
|---|---|---|
| 静电卡盘(1) | 器件三维模型+分阶段动画 | 感应前、电荷重新分布、感应后的场与吸附过程 |
| 电泳去污(2) | 改编棒—圆盘场动画+电势/电势能切换 | 负粒子受力与电场反向,电势升高与电势能降低可以同时发生 |
| 电子透镜相关(3—4) | 可设初速的单电子/电子束动画 | 电子电势能地形上的偏转、加速、会聚与发散;圆弧电极是待验证候选 |
| 匀强场初速度(5) | 复用游戏运动能力的题旁动画 | 初速度、受力与轨迹的关系,以及先上坡后折返 |
| 不平行板(6) | 匹配原题的模拟;可配分组实测 | 同势不等场强,将习题转成可测量、可解释的实验 |
| 山坡等高线(7) | 二维拉高成山峰+双球同时释放 | 坡度、落差、加速度、末速与到达时间 |
| 非典型场曲线运动(9) | 二维拉高成地形+粒子运动动画 | 从等势图判断电性、受力与能量变化,不额外做游戏 |
| 海南电子运动(10) | 电势能教学动画,可配游戏式观察 | 电势峰翻为电子势能谷,零场点与转折点不同 |
| 天津、湖南两题(11、15) | 同一双源模型+φ、Ex切面曲线 | 配置与曲线的对应,源反号与试探粒子反号的区别,静止平衡与运动 |
| 重庆多极值(12) | 负粒子电势能地形+能量动画 | 初动能决定能越过哪一道势垒、在哪儿折返 |
| 双点与多点题(13—14、16—19) | 可旋转静态三维、工作台与修改前后对照 | 场与电势、矢量与标量叠加;四棒题先用四点说明中心对称性 |
| 零势球(20—21) | 可旋转三维等势面+局部矢量 | 零势不等于零场,球面法向与二维截面之间的关系 |
| 三板、变板距、油滴(22—24) | 题旁器件模型、切面与过程动画 | 题设不变量、固定测点、电势及受力怎样随条件变化 |
需要固定讲解节奏时,可以把适合的过程导出为短视频;需要学生改条件验证时,保留交互。下一步先确认各题的讲解与呈现意图,再决定模型及动画实现;本轮不改代码。