大學(xué)物理課程中電場教學(xué)研究論文
一、教學(xué)難點(diǎn)
和真空靜電場教學(xué)相比較而言，介質(zhì)靜電場的教學(xué)難度更大。部分物理基礎(chǔ)偏差的學(xué)生，在物理課堂上會感到迷茫、有的甚至在課堂講述后還處在迷迷糊糊的狀態(tài)。這主要源于學(xué)生對處理問題的方法和常規(guī)性處理思想沒有適應(yīng)，而最最主要的因素是對物理教學(xué)內(nèi)容的組織以及教學(xué)進(jìn)程的安排不合理等。例如：物理教學(xué)材料和課程教學(xué)并沒有突出偶極模型在整個(gè)教學(xué)活動中的重要地位，忽視了對導(dǎo)入電位儀矢量以及電位儀矢量的高斯定理的介紹。此外，在實(shí)際的物理教學(xué)過程中，教師所選擇的課程切入點(diǎn)并不合理。部分教學(xué)材料對于電介質(zhì)靜電場這個(gè)章節(jié)知識點(diǎn)的介紹是從實(shí)驗(yàn)中介質(zhì)削弱外電場的角度入手，然后直接導(dǎo)入相對電容率這一概念，忽視了對介質(zhì)屬性的描述，使得極化模型的作用得不到很好的發(fā)揮，更加忽視了電位移以及高斯定理等概念［３］。
二、電介質(zhì)的概述
從廣義上而言，電介質(zhì)主要有：導(dǎo)體、真空、半導(dǎo)體以及絕緣體。從狹義上而言，電介質(zhì)指的是絕緣體材料。絕緣體內(nèi)不會產(chǎn)生宏觀的傳導(dǎo)電流，原因是絕緣體和其他介質(zhì)存有著很大的差別，其本質(zhì)特點(diǎn)是每個(gè)原子的所有核外電子都只能是一個(gè)或者是多個(gè)原子的私有物，不會發(fā)生遠(yuǎn)距離的遷移。而對于電介質(zhì)的闡述是以分子作為基本單位的。下文針對有機(jī)介質(zhì)與無機(jī)介質(zhì)進(jìn)行討論［４］。１．無極介質(zhì)。無極介質(zhì)分子的電荷中心是以高度重合的方式存在的，因此并不會產(chǎn)生電偶極矩。無機(jī)介質(zhì)分子的典型代表是惰性氣體，因其原子的核外電子呈球形對稱分布，此外像Ｈ２、Ｏ２以及Ｎ２等單質(zhì)的雙原子，二氧化碳等高對稱型多原子分子均屬于無機(jī)介質(zhì)分子［５］。因?yàn)槊恳粋�(gè)無極介質(zhì)分子都不具有固定的電偶極矩，在沒有外加電場的情況下，無極介質(zhì)所有分子的電偶極矩的矢量和為便為“０”，且并不具備宏觀的靜電性能。２．有極介質(zhì)。有極介質(zhì)分子的電荷中心并不是以重合的方式存在的，因此就會產(chǎn)生電偶極矩，即固有的電偶極矩。當(dāng)極性化合物處于常壓、常溫狀態(tài)時(shí)，固有電偶極矩的化學(xué)鍵長是比較穩(wěn)定的，所以可以理解成有極介質(zhì)不受到壓力與溫度的影響，且在弱外場的.情況下，有極介質(zhì)比較穩(wěn)定［６］。例如：Ｈ２Ｏ、ＣＨ３ＣＯＯＨ以及ＨＣＩ都屬于有機(jī)介質(zhì)分子。溫度和外加電場以及壓力等方面會影響偶極矩的方向與實(shí)際大小。此外，有極介質(zhì)是由很多的有極介質(zhì)分子構(gòu)成的，而對于宏觀尺度中的有極介質(zhì)，分子固有的電偶極矩空間指向的隨機(jī)性是由熱運(yùn)動造成的。
三、電介質(zhì)對外電場的具體響應(yīng)
１．電介質(zhì)的極化機(jī)制由于處于外電場中的無極介質(zhì)分子的電荷要受到靜電力的作用，其平衡狀態(tài)將不再保持，而為了找到新的平衡狀態(tài)，正負(fù)電荷就會發(fā)生位移，其結(jié)果是電荷中心不再發(fā)生重合，所以形成了電偶極矩，即感應(yīng)電偶極矩，也被稱為誘導(dǎo)偶極矩。此外，對于靜電中性有極介質(zhì)，有極介質(zhì)分子在外電場條件下可能會出現(xiàn)兩種不同的結(jié)果。其一，在力偶矩影響下，固有的電偶極矩發(fā)生了偏移。其二，正電荷與負(fù)電荷中心之間的位移［７］。２．極化強(qiáng)度電極化強(qiáng)度矢量與外加電場和材料尺度不存在任何聯(lián)系。在宏觀足夠小且微觀充分大的介質(zhì)區(qū)域中，將所有的電偶極矩矢量相加，并和該體積微元的實(shí)際體積大小相除，就能夠得到的單位體積內(nèi)平均電偶極矩。從計(jì)算分析中不難發(fā)現(xiàn)，外電場越強(qiáng)，平均電偶極矩將會越大；反之，外電場越弱則其結(jié)果就越小。所以平均電偶極矩能夠反映出電介質(zhì)在外電場作用下的具體影響程度［８］。３．極化電荷與極化強(qiáng)度之間的關(guān)系利用大平板模型對極化面電荷與極化強(qiáng)度之間存在的關(guān)系問題進(jìn)行研究分析。通過研究發(fā)現(xiàn)，電介質(zhì)被極化的程度完全可以由電解質(zhì)的極化強(qiáng)度與極化電荷面密度論述，但兩者之間并不存在等價(jià)關(guān)系。另一方面，由于大多數(shù)電偶極分子的微觀行為所展示的宏觀表現(xiàn)是極化，和被極化的電荷面密度比較，極化強(qiáng)度矢能更準(zhǔn)確地描述出電介質(zhì)對整個(gè)外加電場的響應(yīng)［９］。
四、電介質(zhì)對整個(gè)靜電場的主要影響
�。保娊橘|(zhì)的電場強(qiáng)度及其電極化率引入電介質(zhì)后會使有介質(zhì)存在的空間總的電場強(qiáng)度比外加電場要弱。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于極化面上的正負(fù)極化電荷所激發(fā)的附加電場和外加電場的方向剛好相反。也就是說：有電介質(zhì)存在時(shí)空間的整個(gè)電場強(qiáng)度下降。２．高斯定理與電位移矢量產(chǎn)生靜電場的電荷可分為兩種，首先是，導(dǎo)體中存在的的自由電荷與其他非極化的面電荷；其次是，介質(zhì)表面的被極化了的面電荷。而在這些電荷的計(jì)算中，被極化了的極化面電荷電場的計(jì)算難度是比較大的。
五、小結(jié)
綜上所述，本文較全面的介紹了大學(xué)物理課程中關(guān)于有電介質(zhì)存在時(shí)靜電場的講授過程，并對電介質(zhì)教學(xué)中的重點(diǎn)與教學(xué)難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行了較詳細(xì)的劃分。把有電介質(zhì)存在時(shí)靜電場的講授過程劃分為對電介質(zhì)的簡單概括、電介質(zhì)與外電場之間的具體相互作用以及電介質(zhì)對整個(gè)靜電場的主要作用。同時(shí)就大學(xué)物理學(xué)教學(xué)特征，根據(jù)深入淺出的教學(xué)原則，對電介質(zhì)靜電場教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理的安排，以此形成完善的教學(xué)內(nèi)容體系。
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