通過序列化實驗建構(gòu)物理模型的設(shè)計*
——以“靜電”為例

葉文佳 李悅童 張軼炳

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 7500212)

在世界范圍內(nèi)，模型與建模的教育價值逐漸得到科學(xué)教育研究領(lǐng)域的認(rèn)可，認(rèn)為模型與建模是科學(xué)發(fā)展的重要元素，也是科學(xué)學(xué)習(xí)中不可或缺的認(rèn)知與能力[1]．科學(xué)建模是新一輪國際課程改革關(guān)注的熱點[2]．至于建模教學(xué)，歷來是國內(nèi)外物理教育研究的熱點，很多國家的科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)都將建模能力作為重要的培養(yǎng)目標(biāo)[3]．物理學(xué)科作為一門抽象性較強的學(xué)科，通過實驗建構(gòu)物理圖示、概念、原理、定律等模型有著不言而喻的益處．

在中學(xué)物理中，學(xué)生只關(guān)注零散的知識點，依靠“死記硬背”的方式學(xué)習(xí)抽象物理概念、原理和定律，無法構(gòu)建系統(tǒng)化的知識體系．如何在物理教學(xué)中讓學(xué)生通過序列化實驗循序漸進(jìn)地建構(gòu)物理模型，形成系統(tǒng)化的知識結(jié)構(gòu)，是值得我們探討的課題．

1 模型的內(nèi)涵及建模的方法

關(guān)于“模型”的概念有各種解釋．在PhysicsforScientistsandEngineerswithModernPhysics一書中對模型的闡述如下：“A model,in the scientist′s sense,is a kind of analogy or mental image of the phenomena in terms of something we are familiar with.The purpose of a model is to give us an approximate mental or visual picture-something to hold on to-when we cannot see what actually is happening.”[4]其意思是：從科學(xué)家的角度來看，模型是將一類現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兯煜な挛锏囊环N類比或圖像．建立模型的目的是在我們無法看到實際發(fā)生的事情時，為我們提供一個大致的心理或視覺圖像，讓我們能夠堅持下去．在《物理學(xué)：基本概念及其與方方面面的聯(lián)系》一書中說道：“理論與原理、定律和模型的意義差不多．模型是一種可以直觀想象的理論．而原理或定律則是更為普遍的理論當(dāng)中的一個觀念．”[5]美國教材《物理原理與問題》則認(rèn)為“一個觀念、方程、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)，都可以為你想解釋的現(xiàn)象建構(gòu)模型．科學(xué)模型是建立在實驗的基礎(chǔ)上的．”[6]我國《現(xiàn)代漢語詞典》中對模型的界定提到“用數(shù)字公式或圖形等顯示實物的抽象結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)．”[7]綜上所述，模型是對現(xiàn)象或?qū)嵨锾卣鞯囊环N結(jié)構(gòu)性和系統(tǒng)化的抽象，可以表現(xiàn)為3種形式，一是概念、原理、定律等文字表征，二是公式、方程等符號表征，三是各種圖示及數(shù)學(xué)函數(shù)圖等圖形表征．我們這里研究的物理模型就是基于以上3種表征．

物理學(xué)的模型都是科學(xué)家們通過大量的實驗及理論推理建構(gòu)出來的，我們學(xué)習(xí)物理學(xué)知識不可能完全再現(xiàn)科學(xué)家們漫長的實驗研究過程．但對一些難以理解的理論，我們則可以通過設(shè)計一些序列化的實驗，讓學(xué)生通過做實驗，觀察實驗現(xiàn)象，測量實驗數(shù)據(jù)，自己歸納抽象出物理模型，由此學(xué)生才能理解知識的意義，達(dá)到知識的意義建構(gòu)．

2 通過序列化實驗建構(gòu)物理模型的設(shè)計

電荷作為靜電場一章的第1節(jié)，是電場內(nèi)容的預(yù)備性知識，也是高中階段電學(xué)內(nèi)容的開端．學(xué)生對于電荷的理解，是對電學(xué)部分知識結(jié)構(gòu)的初步建構(gòu)，關(guān)系到電磁學(xué)知識間的系統(tǒng)化．同時，電荷是看不見摸不著的，電荷間的相互作用也只能觀察到宏觀現(xiàn)象，學(xué)生在日常生活沒有實物模型可以作為參考．而許多學(xué)生的抽象邏輯思維能力不足，僅僅通過教材中的文字描述或物理學(xué)史的介紹，難以對靜電形成序列性、系統(tǒng)化的認(rèn)識．這也導(dǎo)致學(xué)生之后學(xué)習(xí)電場、電勢、電壓等抽象性更強的概念時，有較大的障礙與誤區(qū)．因此，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)起兩種電荷模型、起電模型，能夠為學(xué)生之后建構(gòu)更加復(fù)雜的電學(xué)模型奠定基礎(chǔ)．

本節(jié)以“靜電”部分為例，以序列化實驗為基礎(chǔ)，圍繞靜電模型的建構(gòu)進(jìn)行設(shè)計．力圖以多個序列化的實驗為載體，以一系列應(yīng)用型問題為輔助，讓學(xué)生經(jīng)歷自主建構(gòu)模型的過程，建構(gòu)正負(fù)電荷、摩擦起電、傳導(dǎo)起電、感應(yīng)起電模型、電荷守恒定律等模型，由此培養(yǎng)學(xué)生的建模能力．

2.1 正負(fù)電荷模型建構(gòu)過程

實驗1:起步實驗——膠帶起電實驗

實驗設(shè)備:膠帶，桌面．

實驗步驟:(1)準(zhǔn)備兩條10～15 cm的膠帶，將一端折疊起5 cm作為把手，將余下的的部分貼在書桌上，將兩條膠帶從桌面拉起并使它們彼此靠近；(2)將一條膠帶貼在桌面上，另一條膠帶貼在第一條的上面，然后，捏著重疊膠帶的一端并向上拉起，使兩條膠帶一起離開桌面，用手接觸膠帶使其放電，并快速地將它們分開，再使它們彼此靠近．

實驗現(xiàn)象:(1)貼在桌面上的兩條膠帶在拉起之后相互排斥；(2)重疊貼在桌面上的兩條膠帶在拉起分開之后相互吸引，如圖1所示．

圖1 同樣貼在桌面和重疊貼在桌面的兩條膠帶的作用情況

實驗結(jié)論：相互排斥的兩條膠帶帶同種電荷，相互吸引的兩條膠帶帶異種電荷．

提出問題：自然界存在幾種電荷？

實驗2：檢驗兩種電荷實驗

實驗設(shè)備：膠帶，絲綢，玻璃棒，毛皮，橡膠棒，PVC管，塑料棒．

實驗步驟：(1)將實驗1中重疊貼在桌面上的兩條膠帶進(jìn)行標(biāo)記，下方的膠帶標(biāo)記為A，上方的膠帶標(biāo)記為B；(2)將膠帶A和膠帶B的一端分別粘在桌沿上，并保持一定距離；(3)將毛皮、絲綢與橡膠棒、玻璃棒、PVC管、塑料棒等隨意組合進(jìn)行摩擦，并分別靠近膠帶A和B；(4)觀察不同帶電物體對膠帶A和B的作用情況．

實驗現(xiàn)象：將觀察到的結(jié)果填寫在表1中，部分實驗現(xiàn)象如圖2所示．

表1 不同帶電物體對膠帶A和B的作用情況

圖2 不同帶電物體靠近膠帶的作用情況

實驗結(jié)論：帶電物體靠近帶異種電荷的膠帶A和B，只有排斥膠帶A、吸引膠帶B或排斥膠帶B、吸引膠帶A兩種情況，說明帶電物體只與膠帶A或B帶同種電荷；沒有同時排斥或吸引兩條膠帶的帶電物體，即不存在第三種電荷．

兩種電荷及其相互作用模型初建：自然界只存在兩種電荷，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引．

物理學(xué)史：1746年富蘭克林規(guī)定，把用絲綢摩擦過的玻璃棒帶的電荷叫做正電荷，用毛皮摩擦過的橡膠棒帶的電荷叫做負(fù)電荷．

正電荷負(fù)電荷模型建構(gòu)：

拓展問題:判斷膠帶A和B分別帶何種電荷？

模型應(yīng)用:膠帶A與毛皮摩擦過的橡膠棒相互排斥，帶同種電荷，故膠帶A帶負(fù)電荷；膠帶B與絲綢摩擦過的玻璃棒相互排斥，帶同種電荷，故膠帶B帶正電荷．

2.2 3種起電模型建構(gòu)過程

2.2.1 摩擦起電模型建構(gòu)過程

實驗3：檢驗PVC管帶電實驗

實驗設(shè)備：膠帶，毛皮，PVC管．

實驗步驟：(1)將毛皮與PVC管進(jìn)行摩擦；(2)將摩擦之后的PVC管靠近實驗2中的膠帶A和B；(3)觀察PVC管對膠帶A和B的作用效果．

實驗現(xiàn)象：PVC管排斥膠帶A，吸引膠帶B，如圖3所示．

圖3 與毛皮摩擦后的PVC管對膠帶的作用情況

提出問題：與PVC管摩擦的毛皮是否帶電？如果帶電，帶何種電荷？

實驗4：檢驗毛皮帶電實驗

實驗設(shè)備：膠帶，毛皮，PVC管．

實驗步驟：(1)將毛皮與PVC管進(jìn)行摩擦；(2)將摩擦之后的毛皮靠近實驗2中的膠帶A和B．

實驗現(xiàn)象：毛皮吸引膠帶A，排斥膠帶B，如圖4所示．

圖4 與PVC管摩擦后的毛皮對膠帶的作用情況

實驗結(jié)論：摩擦后的PVC管與毛皮都帶電，PVC管帶負(fù)電，毛皮帶正電．

認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)：20世紀(jì)初科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，原子也有進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)，它的中心是原子核，在原子核周圍，有一定數(shù)目的電子在核外運動，氫原子和氦原子的結(jié)構(gòu)如圖5所示．

圖5 氫原子和氦原子的結(jié)構(gòu)

電子是帶有最小負(fù)電荷的粒子，原子核帶正電．在通常情況下，原子核所帶正電荷與核外所有電子所帶的負(fù)電荷在數(shù)量上相等，原子整體不顯電性，物體對外也不顯電性．

從微觀角度分析摩擦起電：不同物質(zhì)的原子核束縛電子的本領(lǐng)不同，當(dāng)兩個物體摩擦?xí)r，哪個物體的原子核束縛電子的本領(lǐng)弱，它的一些電子就會轉(zhuǎn)移到另一個物體上．失去電子的物體帶正電，得到電子的物體因為有了多余電子而帶等量的負(fù)電荷．

摩擦起電模型建構(gòu)：

文字表征.用摩擦的方法使兩個不同的物體帶電的現(xiàn)象，叫摩擦起電．摩擦起電是電子由一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體的結(jié)果，使兩個物體帶上了等量的電荷．得到電子的物體帶負(fù)電，失去電子的物體帶正電．

圖示表征.PVC管與毛皮摩擦過程中，毛皮失去電子而帶正電，電子轉(zhuǎn)移到PVC管上，PVC管得到電子而帶負(fù)電，如圖6所示．

圖6 PVC管與毛皮的摩擦起電圖示模型

拓展問題：利用摩擦起電模型解釋玻璃棒與絲綢摩擦后帶正電荷的原因．

模型應(yīng)用：玻璃棒與絲綢摩擦過程中，玻璃棒失去電子而帶正電，電子轉(zhuǎn)移到絲綢上，絲綢得到電子而帶負(fù)電．圖示表征如圖7所示．

圖7 玻璃棒與絲綢的摩擦起電圖示模型

2.2.2 傳導(dǎo)起電模型建構(gòu)過程

實驗5：驗電器傳導(dǎo)起電實驗

實驗設(shè)備：PVC管，毛皮，驗電器．

實驗步驟：(1)將PVC管與毛皮摩擦；(2)將摩擦后的PVC管接觸驗電器的金屬片；(3)觀察金屬箔片的變化情況．

實驗現(xiàn)象：驗電器的金屬箔片張開，如圖8所示．

圖8 PVC管接觸驗電器實驗現(xiàn)象

實驗結(jié)論：帶電PVC管接觸驗電器會使其帶電．

提出問題：用帶電PVC管接觸帶絕緣支架的金屬球會使其帶何種電荷？

實驗6：金屬球傳導(dǎo)起電實驗

實驗設(shè)備：PVC管，毛皮，帶絕緣支架的金屬球．

實驗步驟：(1)用與毛皮摩擦后的PVC管接觸金屬球；(2)將金屬球靠近膠帶A和B．

實驗現(xiàn)象：金屬球排斥膠帶A，吸引膠帶B，如圖9所示．

圖9 金屬球傳導(dǎo)起電實驗現(xiàn)象

實驗結(jié)論：金屬球與帶負(fù)電的PVC管接觸起電后帶負(fù)電荷．

從微觀角度分析傳導(dǎo)起電：當(dāng)一個物體帶電時，所帶電荷之間相互排斥，如果接觸另一個導(dǎo)體，電荷會轉(zhuǎn)移到這個導(dǎo)體上，使這個導(dǎo)體也帶電．

傳導(dǎo)起電模型建構(gòu)：

文字表征.傳導(dǎo)起電是指帶電物體與另一個導(dǎo)體相互接觸，帶電物體中的電荷轉(zhuǎn)移到這個導(dǎo)體上，使其帶電的現(xiàn)象．

圖示表征.PVC管中的負(fù)電荷相互排斥，接觸到金屬球時，一些負(fù)電荷移動到金屬球上，使金屬球帶上了等量的負(fù)電荷，如圖10所示．

圖10 傳導(dǎo)起電的圖示模型

拓展問題：利用傳導(dǎo)起電模型解釋驗電器的工作原理．

模型應(yīng)用：由于PVC管所帶負(fù)電荷相互排斥，接觸驗電器時，一些負(fù)電荷就轉(zhuǎn)移到驗電器上，驗電器上帶上了等量的負(fù)電荷，兩個金屬箔片帶上同種電荷相互排斥而張開，由此來判斷物體有沒有帶電．圖示表征如圖11所示．

圖11 驗電器原理圖示模型

2.2.3 感應(yīng)起電模型建構(gòu)過程

實驗7：驗電器感應(yīng)起電實驗

實驗設(shè)備：驗電器，PVC管，毛皮．

實驗步驟：(1)將PVC管與毛皮摩擦；(2)將摩擦后的PVC管靠近驗電器的金屬片(注意不要接觸)；(3)觀察金屬箔片的變化情況．

實驗現(xiàn)象：驗電器的金屬箔片張開，如圖12所示．

圖12 驗電器感應(yīng)起電實驗現(xiàn)象

實驗結(jié)論：帶電的PVC管靠近驗電器會使驗電器帶電．

提出問題：用帶電PVC管靠近帶絕緣支架的兩個金屬球，兩個金屬球會帶同種電荷還是異種電荷呢？分別帶何種電荷？

實驗8：金屬球感應(yīng)起電實驗

實驗設(shè)備：兩個帶絕緣支架的金屬球，毛皮，玻璃棒.

實驗步驟：(1)將金屬球A和B相互接觸；(2)將與毛皮摩擦后的PVC管移近其中一個金屬球；(3)保持PVC管不動，將兩個金屬球分開：(4)將金屬球A和B分別靠近膠帶A和B．

實驗現(xiàn)象：金屬球A吸引膠帶A、排斥膠帶B；金屬球B排斥膠帶A、吸引膠帶B．如圖13所示．

圖13 金屬球感應(yīng)起電實驗現(xiàn)象

實驗結(jié)論：靠近PVC管的金屬球A帶正電荷，與PVC管帶異種電荷；遠(yuǎn)離PVC管的金屬球B帶負(fù)電荷，與PVC管帶同種電荷．

從微觀角度分析感應(yīng)起電：當(dāng)一個帶電體靠近導(dǎo)體時，由于電荷間相互吸引或排斥，導(dǎo)體中的自由電荷便會趨向或遠(yuǎn)離帶電體，使導(dǎo)體靠近帶電體的一端帶異種電荷，遠(yuǎn)離帶電體的一端帶同種電荷．

感應(yīng)起電模型建構(gòu)：

文字表征.靜電感應(yīng)是導(dǎo)體內(nèi)自由電荷在帶電體作用下重新分布，導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量正負(fù)感應(yīng)電荷的現(xiàn)象，利用靜電感應(yīng)使金屬導(dǎo)體帶電的過程叫作感應(yīng)起電．

圖示表征.在帶負(fù)電PVC管的作用下，兩個金屬球中的正負(fù)電荷分離，移動到兩端，使兩個金屬球帶上等量異種電荷，如圖14所示．

圖14 金屬球感應(yīng)起電圖示模型

拓展問題：利用感應(yīng)起電模型解釋膠帶實驗中人的手指為什么能夠吸引膠帶A．

模型應(yīng)用：當(dāng)手指靠近帶負(fù)電的膠帶A時，手指中的負(fù)電荷遠(yuǎn)離帶電體，使指尖帶上等量正電荷，于是和膠帶A相互吸引．圖示表征如圖15所示．

圖15 手指感應(yīng)起電圖示模型

歸納總結(jié)：總結(jié)3種起電方式的圖示模型，起電前后其電荷的總量有何規(guī)律？

由摩擦起電圖示模型與傳導(dǎo)起電圖示模型可知負(fù)電荷只是從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體；由感應(yīng)起電圖示模型可知正負(fù)電荷只是分離并移動到兩端，從整體上看，起電前后電荷的總量始終不變．

電荷守恒定律模型建構(gòu)：電荷既不會創(chuàng)生，也不會消滅，它只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分；在轉(zhuǎn)移過程中，電荷的總量保持不變．

3 結(jié)束語

本文基于中美兩國教材靜電場一章的詳細(xì)對比，設(shè)計以膠帶為主要材料的序列化實驗幫助學(xué)生建構(gòu)正負(fù)電荷模型、3種起電模型．膠帶實驗所涉及的實驗設(shè)備皆是日常生活中常見的材料，如膠帶、塑料棒等，便于學(xué)生就地取材進(jìn)行實驗，有利于激發(fā)學(xué)生的探索欲望，促進(jìn)學(xué)生理論與實踐的結(jié)合．傳統(tǒng)實驗中所使用的實驗設(shè)備玻璃棒、橡膠棒、絲綢等在日常生活中難以獲取，且其帶電效果并不明顯，如相互作用實驗中兩個帶電玻璃棒很難出現(xiàn)相互排斥的現(xiàn)象，靜電感應(yīng)實驗中橡膠棒所帶電荷較少，難以引起金屬球的感應(yīng)起電．用膠帶、PVC管取締傳統(tǒng)玻璃棒、橡膠棒、絲綢、毛皮進(jìn)行起電實驗，可以彌補傳統(tǒng)靜電實驗取材困難、實驗效果不明顯的弊端，同時給學(xué)生提供一個利用膠帶判斷正負(fù)電荷的簡易方法．本文通過多個序列化建模實驗、應(yīng)用型實驗，引導(dǎo)學(xué)生一步一步建構(gòu)正負(fù)電荷、起電方式的科學(xué)模型，使其從中獲得正負(fù)電荷的操作性定義，從微觀角度加深其對3種起電方式本質(zhì)的理解，對學(xué)生靜電部分的深入學(xué)習(xí)有一定的幫助．