基于核心素養(yǎng)的“庫侖定律”教學(xué)探討

王萬林

(江蘇省蘇州市吳中區(qū)蘇苑高級中學(xué)， 江蘇 蘇州 215128)

1 引言

基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，高中物理規(guī)律教學(xué)應(yīng)改變以往輕規(guī)律、重習(xí)題的教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對物理規(guī)律的深度認(rèn)識，包括追尋規(guī)律的本源、開展規(guī)律的探究、剖析規(guī)律的本質(zhì)、建構(gòu)規(guī)律的認(rèn)知。現(xiàn)以庫侖定律為例，探討物理規(guī)律的教學(xué)問題。

2 基于核心素養(yǎng)的“庫侖定律”教學(xué)

2.1 引入新課

實(shí)驗(yàn)1：調(diào)皮的小球(圖1)

圖1

教師提問：觀察在帶電的兩平行金屬板間的小球，你看到了什么現(xiàn)象？為什么會有這種現(xiàn)象？

設(shè)計意圖：通過有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生的探究欲望，引出電荷之間的作用力，提高學(xué)生在實(shí)際情境中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

教師提問：既然電荷之間存在相互作用，那么電荷之間相互作用力的大小與什么因素有關(guān)？遵從怎樣的規(guī)律？

2.2 回溯物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)歷程

沿著庫侖定律發(fā)現(xiàn)的路徑，帶領(lǐng)學(xué)生了解人類探究電荷間相互作用的歷程，體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛和喜悅(圖2)。

圖2

設(shè)計意圖：通過了解科學(xué)家堅持不懈探索的歷程，幫助學(xué)生逐漸樹立對科學(xué)應(yīng)有的態(tài)度和社會責(zé)任感。

2.3 定性探究電荷間作用力

實(shí)驗(yàn)2：飄動的小球

教師提問：電荷間相互作用力可能與哪些因素有關(guān)？實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采取什么方法來進(jìn)行研究？如何設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案？選取哪些實(shí)驗(yàn)器材？

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生通過觀察，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头椒?。結(jié)合已有認(rèn)知，提出猜想，設(shè)計出如圖3所示的實(shí)驗(yàn)方案。

圖3

教師提問：如何直觀顯示作用力的大小？

學(xué)生回答：利用懸線偏角的大小。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際情境中建構(gòu)物理模型(圖4)，提升學(xué)生的建模能力。如果B對A的力沿水平方向，則有F=mgtanθ，則θ越大，F(xiàn)越大，這樣可以通過θ的變化來判斷F的變化。

圖4

最后討論并設(shè)計實(shí)驗(yàn)步驟：在細(xì)線下系兩只包有錫箔的泡沫小球A、B，用起電器的一放電球接觸其中一個小球A，然后A球再接觸B球，細(xì)線會偏離豎直方向。運(yùn)用控制變量法得出結(jié)論：當(dāng)兩球電荷量q一定時，它們間距離r越小，細(xì)線偏角越大，作用力F越大。當(dāng)兩球間距離r一定時，電荷量q增加，偏角變大，作用力F越大。

2.4 定量探究電荷間的作用力

庫侖在定量研究電荷間的作用力時遇到3大困難：(1) 很難準(zhǔn)確測定微小的作用力；(2) 無法確定電荷量的大小關(guān)系；(3) 帶電體上電荷分布情況不明，電荷間距離難以確定。你有什么辦法來解決這些困難？

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生用類比的方法解決問題，成對的類比對象如下：卡文迪許扭秤—庫侖扭秤(圖5)、對稱性—半分電荷法、質(zhì)點(diǎn)—點(diǎn)電荷。同時放大微小量、均分電荷量等方法的再現(xiàn)，使學(xué)生感悟到科學(xué)方法在物理研究中的作用，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

圖5

表1

表2

教師提問：你能用自己的語言表達(dá)規(guī)律嗎？

在教學(xué)中教師強(qiáng)調(diào)庫侖是通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出電荷間斥力遵從的規(guī)律：電荷間斥力與距離平方成反比，與電荷量乘積成正比。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會忽略次要的、非本質(zhì)的因素，從而概括出事物本質(zhì)規(guī)律的能力。

2.4.2 介紹庫侖電擺實(shí)驗(yàn)

教師提問:庫侖利用扭秤實(shí)驗(yàn)找到了同種電荷間斥力遵從的規(guī)律，是否可認(rèn)為所有電荷間作用力都是如此？

設(shè)計意圖：由于異種電荷相互吸引時很容易吸到一起，用扭秤很難進(jìn)行定量研究。但是庫侖并不氣餒，再一次運(yùn)用類比方法，巧妙地設(shè)計電擺來探究異種電荷間的吸引力，再次讓學(xué)生感悟到科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn)性。

庫侖受萬有引力定律的啟發(fā)，把異種電荷間的吸引力與地球?qū)ξ矬w的吸引力加以類比，猜測在萬有引力作用下小球的擺動(圖6)與在電荷間的吸引力作用下的擺動(圖7)規(guī)律相同，那么異種電荷間的吸引力與萬有引力也相類似。

圖6

圖7

如圖8所示，筆者將其下掛有擺球的懸絲吊在鐵架臺上，用感應(yīng)起電機(jī)的一放電球作為場源電荷，給一擺球帶上與放電球相異的電荷，測出擺球振動周期T及擺球與放電球之間的距離r，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

圖8

表3

該實(shí)驗(yàn)可操作性強(qiáng)，易于在課堂完成。由于設(shè)備較為粗糙，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與猜想有較大出入，接下來筆者展示了庫侖當(dāng)時經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)得到的原始數(shù)據(jù)(表4)。

表4

庫侖考慮到帶電體漏電所造成的實(shí)驗(yàn)誤差，發(fā)現(xiàn)電擺振動周期與電荷間距存在正比關(guān)系，與單擺相類比，認(rèn)為異種電荷間的吸引力與電荷間距離的平方也成反比。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中，勇于探索，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，最終達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ａ硗獗緦?shí)驗(yàn)在教材中并未出現(xiàn)，在實(shí)際教學(xué)中往往被忽視，其實(shí)該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)不但能真實(shí)反映庫侖定律的發(fā)現(xiàn)情況，更能讓學(xué)生體會庫侖在科學(xué)探究中追求至真至美的科學(xué)態(tài)度。

2.5 理解庫侖定律

庫侖定律描述的是在真空中兩個點(diǎn)電荷之間的作用力，庫侖力與重力、彈力、摩擦力相比較，僅僅是力的性質(zhì)不同，但都具有力的共性。

問題：真空中有三個帶正電的點(diǎn)電荷，分別固定在邊長為50cm的等邊三角形的三個頂點(diǎn)，其電荷量均為2×10-6C，求它們各自所受的庫侖力。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生正確選擇研究對象，畫出受力圖，由庫侖定律和平行四邊形定則求解。任意帶電體可以看成是由許多點(diǎn)電荷組成的，結(jié)合帶電體上的電荷分布，根據(jù)庫侖定律和力的合成可以求出帶電體間的庫侖力的大小和方向。

2.6 庫侖定律與萬有引力定律的比較

問題：試比較氫原子中氫核和電子之間的庫侖力和萬有引力的大小。

設(shè)計意圖：通過計算說明氫核和電子之間的萬有引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于庫侖力，以后在研究微觀帶電粒子的相互作用力時,通?？梢院雎匀f有引力。可見，電磁力在原子、分子結(jié)構(gòu)中起決定性作用，為接下來電磁場及原子物理的學(xué)習(xí)作了鋪墊。

通過與已有知識進(jìn)行對比，找到知識的生長點(diǎn)，有意識地在已有基礎(chǔ)上再加工、再深化，逐步形成科學(xué)的知識體系。同時引導(dǎo)學(xué)生體會自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性，體會自然界的和諧之美。

3 結(jié)語

教材對許多物理規(guī)律的介紹比較淺顯、簡單，實(shí)際上每一個規(guī)律的背后都蘊(yùn)藏著豐富的科學(xué)內(nèi)容。在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)該重視規(guī)律的獲得過程，引領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)探究過程。這樣不但可以還原歷史，還可以讓學(xué)生了解科學(xué)家解決問題的基本思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家在探究物理規(guī)律的過程中所展現(xiàn)的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。