大學(xué)物理課程中電場教學(xué)研究論文
一、教學(xué)難點
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，在實際的物理教學(xué)過程中，教師所選擇的課程切入點并不合理。部分教學(xué)材料對于電介質(zhì)靜電場這個章節(jié)知識點的介紹是從實驗中介質(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)特點是每個原子的所有核外電子都只能是一個或者是多個原子的私有物，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］。因為每一個無極介質(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，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)對整個外加電場的響應(yīng)［９］。
四、電介質(zhì)對整個靜電場的主要影響
１．電介質(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)存在時空間的整個電場強(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。而在這些電荷的計算中，被極化了的極化面電荷電場的計算難度是比較大的。
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)存在時靜電場的講授過程，并對電介質(zhì)教學(xué)中的重點與教學(xué)難點內(nèi)容進(jìn)行了較詳細(xì)的劃分。把有電介質(zhì)存在時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)對整個靜電場的主要作用。同時就大學(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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