物理學(xué)史融入庫侖定律的教學(xué)研究

彭博 張勇廷 蘇艷濤

摘 要：物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。任何一個物理概念的建立和物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，都來源于物理實驗和對自然現(xiàn)象的觀察研究。任何一個物理概念、物理量，我們除了要闡明它的物理意義，還要能提供測量它的準(zhǔn)確、可行的方法。物理學(xué)史中，庫侖對于庫侖扭秤的研究方法對探究庫侖定律的教學(xué)有著重要意義。

關(guān)鍵詞：庫侖定律;庫侖扭秤

1 傳統(tǒng)的庫侖定律教學(xué)設(shè)計分析

1）簡單復(fù)習(xí)使物體帶電的方法：摩擦起電、接觸帶電、感應(yīng)起電。

2）點電荷的模型指帶電體本身的大小比起它到其他帶電體的距離小得多。

3）探究靜電力實驗裝置如圖1所示，其中A是一個固定擺放的絕緣帶電導(dǎo)體小球，B，C是用絕緣細(xì)線懸掛著的兩個相同的帶電輕質(zhì)導(dǎo)體小球。

①研究相互作用力F與距離r的關(guān)系

使A，B，C帶同種電荷，且B，C的電荷量相等，觀察B，C的偏角，思考r增大時，F(xiàn)的大小如何變化。

結(jié)論：r增大時，偏角變小，F(xiàn)變小。

②研究相互作用力F與電荷量的關(guān)系

保持A，B的距離r不變，觀察B的偏角，思考當(dāng)B球帶的電荷量減小時，F(xiàn)的大小如何變化。

結(jié)論：B球帶的電荷量減小時，偏角變小，F(xiàn)變小。

4）庫侖定律。法國物理學(xué)家?guī)靵鲇脤嶒炑芯苛穗姾芍g的相互作用，總結(jié)出了如下規(guī)律，人們把這一規(guī)律稱為庫侖定律。

式中k為靜電力常量，k=9.0×109N·m2/C2。例題設(shè)計：利用庫侖定律計算氫原子中質(zhì)子和電子之間的靜電力，利用萬有引力定律計算氫原子中質(zhì)子和電子之間的萬有引力，比較靜電力和萬有引力的大小。

5）此教學(xué)設(shè)計存在的問題。（1）高中物理實驗中成功率最低的是靜電實驗，與天氣和絕緣情況等因素有很大關(guān)系。即使此探究實驗?zāi)艹晒σ仓黄娴氐玫絩增大時，F(xiàn)變小，B球帶的電荷量減小時，F(xiàn)變小的定性結(jié)論，不可能得到庫侖定律的表達(dá)式。（2）沒有再現(xiàn)庫侖在當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)條件下，探究的邏輯思維過程和采用的科學(xué)方法，以及實驗方案的設(shè)計和庫侖的創(chuàng)新之處。

2 物理學(xué)史融入庫侖定律的教學(xué)設(shè)計

2.1 探究靜電力

問題1：靜電力與我們過去學(xué)過的哪種力比較類似？由于彈力和摩擦力是接觸力，在教師引導(dǎo)下學(xué)生很容易得到靜電力與重力（萬有引力）相似。

問題2：萬有引力常量是用什么精密儀器精確測量得到的？學(xué)生經(jīng)過回憶后很容易得到是卡文迪許利用放大法原理，使用卡文迪許扭秤測出來的。

教師總結(jié)：在庫侖所處的時代牛頓力學(xué)已經(jīng)建立，卡文迪許用他自己制作的精密儀器扭秤測得了非常小的量 ——萬有引力常量。庫侖正是應(yīng)用類比法，模仿卡文迪許扭秤制成庫侖扭秤來研究靜電力。

問題3：我們利用使物體帶電的哪一種方法改變帶電體的電荷量最方便？

學(xué)生經(jīng)過分組討論后很容易得到，采用接觸帶電的方法改變帶電體的電荷量最方便。

問題4：我們怎樣才能得到兩個電荷量相等的帶電體？查閱物理學(xué)史，了解庫侖當(dāng)時的具體做法。

在庫侖時代，人們還不知道通過接觸起電可以得到兩個電荷量相等的帶電體，這正是庫侖的創(chuàng)新之處。如果我們不能得到兩個電荷量相等的帶電體，那么我們發(fā)現(xiàn)庫侖定律的邏輯思維鏈將中斷.在這里庫侖作了一個科學(xué)合理的假設(shè)：如果讓一個帶電荷量為q的導(dǎo)體球與另一個不帶電的相同導(dǎo)體球相互接觸，分開后它們將平分原來帶電導(dǎo)體球所帶的電荷量，兩球所帶的電荷量均為，若再與另一個不帶電

的相同導(dǎo)體球相互接觸，兩球所帶的電荷量將均為，這樣就可以使帶電的導(dǎo)體球所帶的電荷量不斷減半。

教師總結(jié)：庫侖這種思想方法有效的解決了電荷量平分的問題，且簡單有效，這正是庫侖發(fā)現(xiàn)庫侖定律的關(guān)鍵。

3 課堂流程總結(jié)

師生如果要共同探析庫侖定律涉及的深層次內(nèi)涵，則應(yīng)當(dāng)把關(guān)注點轉(zhuǎn)向與電荷作用力有關(guān)的影響要素。在必要時，還可以運用控制變量法對此予以深入探析。針對點電荷而言，應(yīng)當(dāng)能夠適用教學(xué)滲透的措施，對于同學(xué)們自身具備的抽象思維進(jìn)行全方位的激發(fā)，通過建模來簡化當(dāng)前現(xiàn)有的物理學(xué)科難題。對于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科價值理念以及情感態(tài)度而言，師生應(yīng)當(dāng)致力于深入探究自然規(guī)律，在對比萬有引力與靜電力這兩類作用力的前提下培育更高層次的科學(xué)態(tài)度。具體而言，庫侖定律教學(xué)通常涉及如下流程，首先是預(yù)備必要的實驗器材。在本課節(jié)中，教學(xué)器材應(yīng)當(dāng)包含鐵架臺、投影儀與電腦、玻璃棒、小球、絲綢以及細(xì)線等物品。通過開展多層次的啟發(fā)教學(xué)、類比教學(xué)以及實驗探究，對于學(xué)生現(xiàn)有的課堂體會應(yīng)當(dāng)能夠予以全面深化，在此前提下學(xué)會精確判定點電荷處于真空狀態(tài)時電荷之間的相互作用力。

其次是新課的導(dǎo)入，在真正進(jìn)入該課節(jié)的講授之前，教師需要與同學(xué)們共同溫習(xí)當(dāng)前現(xiàn)有的物理知識。通過課前導(dǎo)入可知，自然界應(yīng)當(dāng)存在負(fù)電荷和正電荷這兩類不同電荷。但是截至目前，同學(xué)們對于上述二者表現(xiàn)出來的相互作用力的了解并不透徹。此外，課前導(dǎo)入還會涉及趣味性的物理實驗，借助課堂演示來推動整個課堂流程。例如，教師對此可以設(shè)置“驗電羽毛”或者 “怒發(fā)沖冠”的導(dǎo)入實驗，以便于激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。最后是師生共同探究，學(xué)習(xí)庫侖定律不能缺少師生在課堂上的相互配合，與傳統(tǒng)模式的課堂講授相比，建立于師生協(xié)作前提下的定律教學(xué)具備更加明顯的趣味性與實效性。在師生緊密配合的同時，將庫侖研究庫侖定律的材料融入課堂，使同學(xué)們真切的體會到庫侖實驗研究方法的價值所在。

4 結(jié)束語

學(xué)生在教師問題引導(dǎo)下積極思考，通過實驗演示，很好地理解科學(xué)家們探索庫侖定律表達(dá)式的意圖，充分理解庫侖定律的內(nèi)容，在教師有效地引導(dǎo)下，學(xué)生能夠用庫侖定律進(jìn)行簡單的定量計算，能很好地完成教學(xué)目標(biāo)。

將必要的物理學(xué)史融入課堂能夠提高課堂效率，學(xué)生們對庫侖定律的理解也更深入、透徹，對于庫侖定律的認(rèn)識也會達(dá)到一個新的高度，從而使物理學(xué)史能夠更好的服務(wù)物理教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

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