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视频标签：电场的等势线
所属栏目：高中物理说课视频
视频课题：高中物理说课_用DIS描绘电场的等势线
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用DIS描绘电场的等势线
——电势与等势线多种维度图像处理
一、使用教材
华东师范大学《物理拓展型课程》第五章《电场》，“D 电场力做功与电势差的关系”中【学生实验】用DIS描绘电场的等势线。
二、实验器材
DIS实验系统（电压传感器、数据采集器、计算机），塑料底板，导电纸，塑料薄片（分布等间距网格状孔洞），干电池两节，电键，圆柱形电极两个，导线等。
使用软件：DIS专用软件、Excel软件、希沃授课助手。
三、学情分析
由于电场比较抽象，学生难以透彻理解电势的概念，对静电场的电势分布没有直观感受。因此以实验测量电势大小作为切入点，让学生们切身体会等量异种点电荷周围静电场的电势分布情况，能够更全面深入地理解位置改变时电势的变化规律，最终描绘出等势线。
四、实验改进要点
本实验在原实验基础上，通过在三个方面：实验方案、实验设备和数据处理的改进和创新，提高学生的学习兴趣，更形象直观理解电势分布，培养学生的实验操作能力、信息技术应用能力以及实验数据处理能力。
本实验的改进要点如下：
（一）实验方案优势
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原实验 |
改进实验 |
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实验类型 |
验证性 |
探究性 |
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参照点 |
选取两电极连线上等间距的五个点作为基准点 |
以负电极作为零电势点 |
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测量值 |
寻找与基准点间电势差为零的点 |
测量各点电势值 |
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测试点数量 |
对应5个基准点电势差为零的点 |
平面上网格状分布各点，共12×7个点 |
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图像处理 |
将电势差为零点连线 |
利用Excel进行数据处理 |
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实验结果 |
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针对原实验设计方案，为培养学生的实验探究素养，将验证性实验转化为探究性；为了学生感受电势高低，将原实验中只是寻找电势相同的点，转化为测量各测试点电势数值；为了让学生进一步感受等量异种点电荷周围静电场电势变化，并体验科学研究过程，扩大测量点数量，获取“大数据”，在平面上测量12×7个数据点。
（二）实验设备优势
——合理设计，简化实验设备，提高实验操作能力，培养科学思维方法
经改进，简化实验设备，实验核心部件如图1、2所示。
图1 原实验核心部件 图2 改进后实验核心部件
1. 使用分布孔洞阵列塑料薄片，建立坐标系，提高实验效率，便于比较数据
根据待测点位置制作分布有孔洞阵列的塑料薄片，放置于导电纸上方，直接将黑色表笔点触孔洞，即可测量数据。为明确电势值对应位置，在平面上建立直角坐标系如图3，以负电极为坐标原点，平行于导电纸的两个方向为两个坐标轴方向，在塑料薄片上标注坐标系标度，便于数据测量和记录。
图3 分布有孔洞阵列的塑料薄片
2. 垂直轻触测量点，降低导电纸更换频率
原实验需要用力按压表笔，利用复写纸留下印记，易破坏导电纸，影响电流场分布。
改进后，实验操作时，表笔依次垂直轻触测量位置即可，不易使导电纸发生形变，减小实验误差，降低导电纸更换频率。
图4 数据测试演示
（三）数据处理优势
——应用信息技术，多维度展现电势高低，高效处理数据，培养科学思维能力
1. 预先编制程序，快速处理“大数据”
课前教师提前进行Excel编程，在课堂上学生点击相应按钮，即可一键获取图像，高效快捷，电势变化趋势直观。通过使用Excel，学生能更好地利用大量数据，较少重复低效操作，突出数据分析过程。
图5 点击按钮一键得图示意图
2. “点→线→面→体→面→线”，多维度结合展现电势变化
为帮助学生真正理解电势变化特点、描绘等势线，先在实际测量平面上网格状分布各
点的电势值，感受不同位置的电势变化。利用Excel作图功能做出线形图像、平面图像与三维图像（如图6所示）。先简单观察电势数据，分析沿着x轴方向各条
线上电势变化规律。再利用Excel的条件格式，通过平
面彩色表格直观呈现平面电势变化趋势，各单元格颜色对用电势大小，电势越大越偏红，电势越小越偏绿。然后用三维立
体图像，生动展示电势变化，并显示等势线。引导学生归纳电势相同点的分布特点，并通过视角变化描绘出平
面等势线。最终提炼为等势
线。
图6 多种维度电势图像
3. “等势线⇔等高线”，三维图像直观生动
先用Excel作图功能，可将平面上电势值转化为三维图像（见图 7、8），形成视觉冲击，引发学生学习兴趣。观察三维图像能够直接观察“大数据”规律，同时学生观察三维等势线图像时易与地理课程中等高线自然形成类比，感受科学研究方法的统一性，自主分析得出等势线分布。
图7 三维柱形电势图 图8 三维等势线
五、实验原理
本实验沿用原实验基本原理，利用电流场模拟静电场。在导电纸上固定两个圆柱形电极，将电源与两电极连接，形成电流场。使用电压表测量平面上各点的电势。
六、实验教学目标
①知道电极模拟的是两个等量异种点电荷电场，感受模拟的实验思想。
②能参照实验步骤完成相关操作，初步感受平面上电势变化特点，提高实验操作能力，有团队协作意识，感悟科学研究中实事求是精神。
③利用Excel作图，得到平面电场电势与等势线的二维、三维图像，提高信息技术应用能力，能描绘电场的等势线，感受利用图像法来进行数据处理，提高数据处理能力
④知道实验中使用坐标系帮助定位测试点，能将三维等势线图像与地理等高线图像进行类比，感受科学方法的统一性。
七、实验教学流程
活动1-小组讨论1：分析器材作用并讨论实验方案。
活动2-学生实验：连接电路、测量数据、输入数据。
活动3-数据处理1：点击Excel相应按钮，得到 “线”、“面”的电势变化图像。
活动4-数据处理2：获得彩色表格、立体等势线。
活动5-小组讨论2：根据所得各维度图像，讨论等势线分布特点并描绘等势线。
八、实验教学过程：
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教学过程 |
教师活动 |
学生活动 |
设计意图 |
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引入 |
提出本节探究型实验课的实验目的。 |
聆听。 |
让学生明确实验目的。 |
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教学过程 |
提出：用电流场模拟静电场，如何搭建电流场。
【提问】请大家观察桌面上的仪器并回顾已学的电学知识，思考应该使用何种仪器测量电势大小？
【提问】我们知道电势是一个相对量，那么在测量电势时要注意什么？
【说明】为了明确所测电势对应的平面位置，在平面上建立直角坐标系。为了统一比较，以负电极为原点。塑料板上标注的数字即对应坐标系标度。 |
【回答】使用DIS电压传感器。
【回答】选取统一的零势能点。
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让学生在探究讨论中知道实验思路。
知道可用电流场模拟静电场。
知道用坐标系确定位置的实验研究方法。 |
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明确实验步骤。 |
实验操作，记录并输入数据。 |
让学生在平面大量数据测量与输入过程中，初步感受电势大小变化。
提高实验操作用力。 |
【说明】请已经完成数据输入的同学，查看Excel的蓝色部分，讨论并完成学案第一面内容。
【提问】各部分填空内容。
【提问】请同学们尝试总结下，等量异种点电荷周围电场的电势变化特点。 |
学生进行讨论，并完成学案。
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利用Excel帮助学生感受平面上电势变化特点。提高学生技术应用能力。
经过讨论得出结论，互相促进，提升数据处理能力。
由点到线再到面，形成三维图像，引起学生学习兴趣，对电势分布有直观感受、生动理解。 |
【提问】点击按钮“电势大小可视化”，观察平面上电势相近各点位置关系，尝试找到电势相近的点的分布规律。
【说明】点击按钮“三维等势线”，观察并尝试总结等势线分布特点。
【提问】这张图像看着有没有一种熟悉感？
【说明】结合彩色表格与三维等势线，请描绘二维等势线。
【投屏】提问学生并将所画等势线投屏，请尝试总结下，你认为的等势线是什么样子。
【说明】由于大家上课时间有限，所以测量的数据点较少，我在课前测了更密的数据点测量。
大家可以在对比之后，对自己的等势线图像进行修改。
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【回答】地理等高线。
学生尝试归纳得出平面等势线。
学生绘图修改。 |
学生对电势变化有一定感受，借助Excel通过彩色表格与三维图像生动现实平面上电势整体变化，设置理解平台，经过讨论，引导学生归纳得出等势线。
借助多种维度图像，对电势相同点有直观感受，学生在观察图像时能够自然与地理等高线进行类比，体会科学方法的统一性。
对电势分布特点有更生动形象理解。 |
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课堂小结 |
①结论总结：等势线特点
②误差分析：导电纸表面导电层分布不均。
③实验拓展：通过查阅资料，尝试设计描绘孤立点电荷等势线的实验方案。 |
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九、实验效果评价：
（一）测网格状分布各点电势，感受电势大小变化，提升实验操作能力
通过改进实验，让学生能够在描绘等势线实验中，感受电势大小的变化趋势。在建立电流场、确定实验方案后，即可以通过探究，自主得到不同位置的电势大小。将原实验转变为探究性实验，提升学生的学习兴趣和实验操作能力。
（二）Excel处理“大数据”，高效直观，提升技术应用能力
实验测量时，学生测量了84个数据点（12×7个），如果直接手动处理84个数据较为困难，将数据输入Excel后，再进行数据处理则更加便捷。在数据测量与数据处理过程中，可以提高学生信息技术应用能力。
（三）多种维度图像相结合，生动形象理解电势分布，提升数据处理能力
利用Excel进行两方面数据处理：电势大小变化规律与电势相同点的分布。在数据过程中为更好展现数据变化规律，采取多种维度相结合的方式，为学生搭建学习支架，帮助学生逐步深入理解，同时展现立体图像既可提高学生学习热情，也能让学生有更直观感受，帮助学生提升数据处理能力。
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