浅议CAI中电场变化的模拟描述

2016-07-03姚富华

中文信息 2016年1期

关键词：电场线根数视觉效果

姚富华

（重庆市忠县职业教育中心，重庆 404300）

一、电场的形象化描述

为了形象的描述电场，人们引入了电场线。用电场线描述电场时，电场的疏密可以表示电场强度的大小，即电场线密处电场强度大，电场线疏处电场强度小。在讲解电场线时，我们应向学生澄清以下问题：

1.电场线是为了使电场形象化而假想的线，它是描述电场的重要辅助手段，并非真实存在的线。

2.任何两条电场线之间的地方也存在电场，也有电场线。电荷周围任何一点都有电场，都可以画出电场线来，但我们通常只画几根能反映其基本特点的电场线就行了。

3.不同的电场，场强的分布不同，它们的电场线的形状也不同。

4.用电场线表示某一电场时，电场线的疏密可以表示电场强度的大小，即电场线密处电场强度大，电场线的疏处电场强度小。

二、CAI中，电场变化的模拟描述方法

1.通过电场线的增减（密度改变）来模拟描述电场随时间的变化；其二，通过电场线的粗细改变来模拟描述电场随时间的变化。

三、用电场线的增减模拟描述电场的变化

1.成因

用电场线的增减（密度改变）来模拟描述电场随时间的变化，是基于“电场线表示某一电场时，电场线的疏密可以表示电场强度的大小，即电场线密处电场强度大，电场线的疏处电场强度小，”这一方法为基础，从而形成了在CAI中用增加电场线（密度增大）来表示电场强度增大，用减少电场线（密度减小）来表示电场强度减小。也就是：既用电场线的疏密来描述电场在空间（不同位置）的强弱分布，也用电场线的疏密改变来描述电场（随时间）的强弱变化。

2.两种具体的实现方式及其比较

2.1 用电场线的密度倍增和倍减分别表示电场强度的增大与减小。例如:模拟一匀强电场的逐渐减弱（见图1），甲图中减少标有“4”的电场线后，密度减小一倍变为乙图，乙图中减少标有“3”的电场线后，密度减小一倍变为丙图...通过计算机依次将乙图替代甲图，丙图替代乙图,

图1

丁图替代丙图...从而就出现电场线逐渐减少的视觉效果。反之，依次用电场线多的替代电场线少的，则出现电场线逐渐增多的视觉效果。

采用这种方式的好处是：替代图中的电场线与被替代图中不消除的（或原有的）电场线能完全重合，因此不消除的（或原有的）电场线将出现静止不动的视觉效果，与增减（动）的电场线形成鲜明的对比，从而产生生动的增减效果。

采用这种方式的不足之处是：电场线的根数变化较大（基本上是倍增或倍减），往往会形成“突变”的感觉。

2.2 用电场线的密度逐渐增大和减小分别表示电场强度的增大与减小,即让电场线每次增减的根数少一些，从而避免产生“突变”的视觉效果,以克服第一种方式的不足。

但用这种方式却又产生一个新的不足之处：由于电场线的密度（电场线间的距离）不是倍增或倍减，因而替代图中的电场线与被替代图中不消除的（或原有的）电场线不能实现重合。见图2，乙中的电场线不能与甲中任何一组电场线重合，丙中的电场线也不能与乙中任何一组电场线重合...因此在演示过程中，出现明显的晃动感,形成“原有电场线消失后，新的电场线产生”（替换）的视觉效果，而增减的视觉效果则不理想。

图2

3.用电场线的增减模拟描述电场的变化之不足

用电场线的增减模拟描述电场的变化，两种具体的实现方式有以下共同的不足之处：

3.1 在模拟描述电场逐渐减弱时，为了保证有一个“较长”的变化过程让学生观察，则开始的电场线根数要很多，（模拟描述电场逐渐增强时，则最后的电场线根数要很多。）而太多的电场线又有碍于学生观察引起电场变化的相关因素。

3.2 通过电场线的增减（密度改变）来模拟描述电场随时间的变化，将会出现“一些地方在电场强度增大后才有电场线，有的地方的电场线由于电场强度的减小而消失”的情形，容易使学生产生：“电场中有的地方没有电场线”的错觉，从而对学生理解“任何两条电场线之间的地方也存在电场，也有电场线，电场中任何一点都有电场，都可以画出电场线来。”造成障碍，形成误导。

3.3 容易使学生错误理解“用电场线表示某一电场时，电场线的疏密可以表示电场强度的大小，即电场线密处电场强度大，电场线的疏处电场强度小。”这句话的适用条件，造成学生将“用电场线的疏密描述电场强度的大小”延伸到两个电场（变化前后的电场）的比较，使学生错误地认为：两个电场的强弱之分是通过它们电场线的疏密来判断，从而使定性问题复杂化。

3.4 容易使学生把“电场在空间的强弱分布”与“电场（随时间）的强弱变化”混为一谈。