滲透物理學史,促進規(guī)律建構

張永玲

【摘要】對于物理理論而言，物理定律是其建立的基礎。在物理課程學習中，需要了解和掌握大量的物理定律，老師的主要任務就是幫助學生掌握物理知識，培養(yǎng)學生物理意識。在針對庫侖定律開展教學時，老師要幫助和引導學生透徹理解物理定律，明白它的探索、建立以及發(fā)展過程，認識物理定律揭示事物的本質、內在規(guī)律以及規(guī)律的重要性，提升對物理定律的重視程度，提高物理水平。

【關鍵詞】物理學史 ? 庫侖定律 ? 物理定律教學

【中圖分類號】G633.7【文獻標識碼】A【文章編號】1992-7711（2020）28-159-02

物理定律指的是通過觀察以及實驗得出的實驗規(guī)律。物理定律在各個不同的角度說明了事物之間的內在聯(lián)系、本質以及規(guī)律。物理定律是物理理論創(chuàng)建的基礎，同時也是檢驗物理理論是否為真理的標準。所以，老師要重視物理定律教學，特別是在學習庫侖定律時，老師應該以該定律發(fā)展的歷史為基礎，設計教學方案，在教學過程中，著重突出庫侖定律的內涵以及外延，研究庫侖定律的建立經過和發(fā)展過程，讓學生深刻感受到科學家們的創(chuàng)造性思維，幫助學生建立系統(tǒng)化的物理認知體系。

一、物理定律及規(guī)律教學

（一）物理特點和規(guī)律

通過物理規(guī)律可以看出物質結構和物質運動過程中不同要素之間存在的必然聯(lián)系。表現(xiàn)在一定的物理狀態(tài)下或者某個物理過程中各個相關要素之間必須要遵守的某種關系，一般包括物理定律、物理定理、物理法則等。

物理規(guī)律的特點可以在三個不同的方面進行概括。首先，物理規(guī)律可以反映出物質運動和物質結構中各個要素之間存在的必然聯(lián)系。其次，物理規(guī)律是邏輯思維和想象、觀察和實踐結合到一起的產物，物理規(guī)律中介紹的關系是客觀存在的，在這個角度來說，物理規(guī)律無法被“創(chuàng)造”，只可以被他人發(fā)現(xiàn)，然而通過大量物理實驗的分析和觀察，一些物理學家認為需要利用科學的想象力和思維，重點表現(xiàn)出主要因素，忽視次要因素，建立物理模型可以預測以及解釋各種物理現(xiàn)象，在這個方面來看，物理規(guī)律是經過人類加工而得到的產物。最后，物理規(guī)律具有局限性以及相似性的特點，得到相似性這一特點主要是因為物理理論模型是簡化實驗過程而得來的，操作物理實驗時，微觀量的上升或下降會使宏觀量產生誤差。

（二）物理定律教學

在物理課程中，概念為基礎，規(guī)律為中心，方法為橋梁。物理定律具有多樣化的內涵以及外延，在物理教學的過程中，不要只要求學生掌握物理定律內涵和使用物理規(guī)律解答問題，而是要引導并培養(yǎng)學生在不同角度去觀察物理規(guī)律，體會和了解物理規(guī)律的來源以及發(fā)展經過，感受物理規(guī)律中的創(chuàng)造性思維，學習各種物理研究方法，幫助學生建立創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生實際操作能力。

總的來講，發(fā)現(xiàn)及建立物理定律需要三個階段，首先，通過觀察某些現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)物理定律，針對觀察的現(xiàn)象提出相應的研究課題，相關人員猜測實驗結論，根據(jù)各種猜測進行實驗操作，詳細測量并記錄大量實驗數(shù)據(jù)，全面分析實驗數(shù)據(jù)，得到物理規(guī)律。其次，在得到新物理規(guī)律后，重新定義物理量，根據(jù)物理量給予定量表達形式，接下來判斷和分析確保物理定量成立的條件以及可以使用的范圍，在使用范圍內詳細研究物理定律的準確度。完成上述階段后，詳細分析和討論物理定律的理論地位、發(fā)展歷程以及應用范圍。

二、以“庫侖定律”為例分析教材以及教學現(xiàn)狀

（一）詳細分析教學內容以及教材內容

“庫侖定律”相關知識是教材《靜電場》這節(jié)內容的一部分?！皫靵龆伞敝傅氖请姶艑W中的一項基本定理，該定律介紹了帶電體之間互相作用的規(guī)律，為電磁學打下了良好的基礎，同時也是物理學中十分關鍵的一個定律。

課本中第一步演示了影響電荷間相互作用力因素的實驗，讓學生在有趣的實驗中大致了解學習內容，激發(fā)學生繼續(xù)學習下去的欲望和興趣;在第一步的基礎上，向學生介紹建立庫侖定律的歷史背景，讓學生明白科學定律不能僅依靠實驗建立，還需要進行創(chuàng)新及推理;第三步，介紹并說明庫侖扭秤實驗，重點介紹該實驗的設計思路以及實驗操作過程、方法。第四步，創(chuàng)設“科學漫步”板塊，讓學生通過這個板塊認識靜電噴漆、復印以及植絨的內容。

（二）過去物理教學中存在的問題

通過相關教學實踐以及文獻研究，筆者認為在庫侖定律教學中存在下述幾個問題。首先，定量以及定性研究結合到一起形成了庫侖定律這種產物，在實際教學中，完成定性演示實驗后直接告知學生庫侖定律的內容，這種方法無法讓學生更加全面的認識庫侖定律，不符合庫侖發(fā)現(xiàn)的過程。其次，在實際教學中，說明了庫侖的扭秤實驗，該實驗只能證明電斥力的平方反比律，沒有說明如何證明電引力，很多學生對這項內容存在疑惑，該問題也是教學中可以利用的問題。最后，沒有充分表現(xiàn)出庫侖定律在電磁學中的重要地位，可以讓一些物理水平較高的學生進行適當補充。

三、在物理學史角度兼談庫侖定律教學設計

（一）設置物理情境，建立科學問題

在針對“庫侖定律”進行教學時，老師可以創(chuàng)設物理情境。在課堂開始時老師可以對學生說：“在上節(jié)課我們了解了電荷之間有互相作用力，但是力的大小、方向以及形式是如何呢？這節(jié)課我們分析和研究這些內容，那么下面先請同學們猜測一下，電荷間相互作用力大小與什么因素存在關聯(lián)呢？”有些學生認為與帶電量有關，有些學生認為與距離遠近有關。這時老師可以對學生說：“這個問題也困擾了一些18世紀的物理學家，像是庫侖、卡文迪許等，在1747年的時候，富蘭克林就開始進行猜想和實踐，到了1760年的時候，伯努利猜測電力遵守平方反比規(guī)律，接下來還有一些物理學家針對這一疑惑進行猜測和實驗，但是最后由庫侖完善的這一實驗，并得出相應結論”，然后給學生展示實驗過程，探求電荷間相互作用力大小與什么因素有關。提前準備兩個同時貼有鋁箔的泡沫球，兩個泡沫球分別為P1及P2。使用起電機為金屬球通電，將P1和金屬球放到一起，使P1帶電，將P1和P2放置到一起，使兩個泡沫球平分電荷，通過觀察實驗現(xiàn)象可以看出，當兩個泡沫球平衡時，P1偏離豎直位置的角度要遠遠大于P2，通過這個現(xiàn)象可以說明受電力F1大于F2，也就是距離電荷越遠，電力就越小。增加帶 球的電荷量，偏離角度同時也會增加，這說明電荷間力和電荷量存在密切聯(lián)系，電荷量加大，相互作用力也隨之變大。實驗結束后，老師可以進行總結：“這個實驗可以充分說明電荷間相互作用力與哪些因素有關，該實驗是對電荷間相互作用力的定性認識，而庫侖定律是定量說明?！?/p>

（二）追溯物理學史，形成庫侖定律

在為學生介紹庫侖定律前，老師可以帶領學生追溯物理學史。首先為學生介紹在庫侖之前，人類就開始探索電力遵循的規(guī)律，科學家富蘭克林將細線掛著的帶電軟木球放置在帶電金屬筒外側時，因為受力導致軟木球出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，將帶電軟木球放置在筒內時，小球因為沒有受力而出現(xiàn)豎直下垂的現(xiàn)象。富蘭克林將這一現(xiàn)象告知普利斯特利，普利斯特利想到了牛頓提出的萬有引力，他認為富蘭克林發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象類似于萬有引力的現(xiàn)象，所以他認為電力和萬有引力存在一些共同點，兩者應該同時具備與距離平方成反比的特點。羅比遜利用定量實驗分析和研究電力和距離之間的關系，借助轉臂裝置分析相同電荷斥力類似于平方反比規(guī)律。在這時，電力規(guī)律依舊處在思考階段，期間還有一些物理學家進行實驗，而最后庫侖通過實驗證明了電力規(guī)律。

（三）培養(yǎng)學生類比意識，使學生透徹理解庫侖定律

庫侖定律和萬有引力定律存在一些相似之處，兩者同時滿足平方反比律，然而兩者也存在一些不同之處，萬有引力定律不存在斥力作用，只具備引力作用，而庫侖定律一方面具備斥力作用，另一方面還具備引力作用，所以，靜電場可以實現(xiàn)屏蔽，引力場不能屏蔽，根本區(qū)別為質量只有一種正質量，而電荷存在兩種電荷。不管是電荷量，還是質量，兩者同時為物質的內在屬性，然而兩者的不同之處有三點：第一點，電荷存在正反兩種，質量只有正質量。第二點，電荷量不存在相對論效應，而質量恰好相反，假如電荷量存在相對論效應，那么引力將無法支配宇宙。第三點，電荷為量子化，而質量為非量子化，它是連續(xù)的。

四、總結語

在物理教材中，以庫侖定律為基礎，加入了一些課外知識，給學生提出了一些具有挑戰(zhàn)性的問題，這主要是為了協(xié)助學生建立系統(tǒng)化的知識框架，讓學生切實感受到物理課程的發(fā)展性，通過積極探索和研究，培養(yǎng)學生獨立學習能力及問題意識，促進學生科學素養(yǎng)的養(yǎng)成。

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