大學物理課程中電場教學研究論文

一、教學難點

和真空靜電場教學相比較而言，介質靜電場的教學難度更大。部分物理基礎偏差的學生，在物理課堂上會感到迷茫、有的甚至在課堂講述後還處在迷迷糊糊的狀態。這主要源於學生對處理問題的方法和常規性處理思想沒有適應，而最最主要的因素是對物理教學內容的組織以及教學進程的安排不合理等。例如：物理教學材料和課程教學並沒有突出偶極模型在整個教學活動中的重要地位，忽視了對導入電位儀向量以及電位儀向量的高斯定理的介紹。此外，在實際的物理教學過程中，教師所選擇的課程切入點並不合理。部分教學材料對於電介質靜電場這個章節知識點的介紹是從實驗中介質削弱外電場的角度入手，然後直接導入相對電容率這一概念，忽視了對介質屬性的描述，使得極化模型的作用得不到很好的發揮，更加忽視了電位移以及高斯定理等概念［３］。

二、電介質的概述

從廣義上而言，電介質主要有：導體、真空、半導體以及絕緣體。從狹義上而言，電介質指的是絕緣體材料。絕緣體內不會產生宏觀的傳導電流，原因是絕緣體和其他介質存有着很大的差別，其本質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，不會發生遠距離的遷移。而對於電介質的闡述是以分子作為基本單位的。下文針對有機介質與無機介質進行討論［４］。１．無極介質。無極介質分子的電荷中心是以高度重合的方式存在的，因此並不會產生電偶極矩。無機介質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佈，此外像Ｈ２、Ｏ２以及Ｎ２等單質的雙原子，二氧化碳等高對稱型多原子分子均屬於無機介質分子［５］。因為每一個無極介質分子都不具有固定的電偶極矩，在沒有外加電場的情況下，無極介質所有分子的電偶極矩的向量和為便為“０”，且並不具備宏觀的靜電性能。２．有極介質。有極介質分子的電荷中心並不是以重合的方式存在的，因此就會產生電偶極矩，即固有的電偶極矩。當極性化合物處於常壓、常温狀態時，固有電偶極矩的化學鍵長是比較穩定的，所以可以理解成有極介質不受到壓力與温度的影響，且在弱外場的情況下，有極介質比較穩定［６］。例如：Ｈ２Ｏ、ＣＨ３ＣＯＯＨ以及ＨＣＩ都屬於有機介質分子。温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，有極介質是由很多的有極介質分子構成的，而對於宏觀尺度中的有極介質，分子固有的電偶極矩空間指向的隨機性是由熱運動造成的。

三、電介質對外電場的具體響應

１．電介質的極化機制由於處於外電場中的無極介質分子的電荷要受到靜電力的作用，其平衡狀態將不再保持，而為了找到新的平衡狀態，正負電荷就會發生位移，其結果是電荷中心不再發生重合，所以形成了電偶極矩，即感應電偶極矩，也被稱為誘導偶極矩。此外，對於靜電中性有極介質，有極介質分子在外電場條件下可能會出現兩種不同的結果。其一，在力偶矩影響下，固有的電偶極矩發生了偏移。其二，正電荷與負電荷中心之間的位移［７］。２．極化強度電極化強度向量與外加電場和材料尺度不存在任何聯繫。在宏觀足夠小且微觀充分大的介質區域中，將所有的電偶極矩向量相加，並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平均電偶極矩。從計算分析中不難發現，外電場越強，平均電偶極矩將會越大；反之，外電場越弱則其結果就越小。所以平均電偶極矩能夠反映出電介質在外電場作用下的具體影響程度［８］。３．極化電荷與極化強度之間的關係利用大平板模型對極化面電荷與極化強度之間存在的關係問題進行研究分析。通過研究發現，電介質被極化的程度完全可以由電解質的極化強度與極化電荷面密度論述，但兩者之間並不存在等價關係。另一方面，由於大多數電偶極分子的微觀行為所展示的宏觀表現是極化，和被極化的電荷面密度比較，極化強度矢能更準確地描述出電介質對整個外加電場的響應［９］。

四、電介質對整個靜電場的主要影響

１．電介質的電場強度及其電極化率引入電介質後會使有介質存在的空間總的電場強度比外加電場要弱。產生這一現象的原因是由於極化面上的正負極化電荷所激發的附加電場和外加電場的方向剛好相反。也就是説：有電介質存在時空間的整個電場強度下降。２．高斯定理與電位移向量產生靜電場的電荷可分為兩種，首先是，導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

綜上所述，本文較全面的介紹了大學物理課程中關於有電介質存在時靜電場的講授過程，並對電介質教學中的重點與教學難點內容進行了較詳細的劃分。把有電介質存在時靜電場的講授過程劃分為對電介質的簡單概括、電介質與外電場之間的具體相互作用以及電介質對整個靜電場的主要作用。同時就大學物理學教學特徵，根據深入淺出的教學原則，對電介質靜電場教學內容進行合理的安排，以此形成完善的教學內容體系。