對優(yōu)生開展“溯源”教學的研究

摘 要：對高中學段中資質較優(yōu)的學生開展“溯源”教學是必要且可行的。以對“電荷及庫侖定律”的“溯源”補充教學為例，通過融入物理學史的方式，將電荷守恒定律及庫侖定律的建立過程呈現(xiàn)于課堂，增強教學的趣味性，引起學生的深度思考，實現(xiàn)更有效的教學。

關鍵詞：“溯源”教學；電荷守恒定律；庫侖定律；物理學史；趣味性；科學思想

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）11-0010-3

古代漢語詞典，對“溯”的解釋是：逆流而上，意喻向上推求；對“源”的解釋是：水流始出的地方，意喻來源、根源，也有探求之意。在高中物理課堂進行“溯源”這一環(huán)節(jié)的教學，實際是要引導學生在學習物理概念或物理定律的過程中，“追溯”其發(fā)展之“源”，了解相關的發(fā)展歷程，在時空上更立體地形成正確的物理觀念。

１ 對優(yōu)生開展“溯源”教學

對優(yōu)生開展“溯源”教學是必要的。高中學段中資質較優(yōu)的學生，在常規(guī)課堂中往往會面臨著“吃不飽”的情況。有時教師在講課時，部分優(yōu)生干脆自已看資料，不是他們不想聽講，而是因為教師講的內容，他們在課前已經自習過了。若此時教師還是按部就班地照本宣科，學生會感到索然無趣。因此，教師必須思索將什么樣的“素材”融入教學設計，展現(xiàn)于課堂，才能讓這群優(yōu)生“解渴”，讓他們有一種獲得感。

對優(yōu)生開展“溯源”教學是可行的。對優(yōu)生開展概念或定律的“溯源”教學，是一種較好的能提高優(yōu)生聽課興趣的教學模式。首先，任何一個物理概念或物理定律的建立，都會經過一個漫長而艱辛的歷程?，F(xiàn)在我們能讀到的許多經得住考驗且表述簡潔的定律，其中必定包含著許多科學的研究方法、理性的思維方式及偉大的科學家精神，而這些毫無疑問是物理學中最寶貴的東西，也是教師在物理教學中的寶貴教學資源。

２ 高中物理“溯源”教學案例研究

下面以對“電荷及庫侖定律”的“溯源”教學為例，在立足于課本內容的基礎上，通過融入物理學史的方式，將電荷守恒定律及庫侖定律的建立過程補充呈現(xiàn)于課堂，增強教學的趣味性，同時引起學生的深度思考。

２．１ 拓展電荷守恒定律

２．１．１ 高中課本的表述

在高中物理必修第三冊（人教版）對“電荷守恒定律”（ｌａｗ ｏｆ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）是這樣表述的：“電荷既不會創(chuàng)生，也不會消滅，它只能從一個物體轉移到另一個物體，或者從物體的一部分轉移到另一部分；在轉移的過程中，電荷的總量保持不變”，這個結論叫作電荷守恒定律。

在這條定律提出之前，課本先呈現(xiàn)出“摩擦起電”和“感應起電”，并舉了相應的例子，再總結性地提到：“無論是摩擦起電，還是感應起電，都沒有創(chuàng)造電荷，只是電荷的分布發(fā)生了變化而已”，最后提出了“電荷守恒定律”。

２．１．２ “溯源”教學

拓展一：電荷既不會創(chuàng)生，也不會消滅。

課本是基于“摩擦起電”和“感應起電”都沒有創(chuàng)造電荷，從而提出：電荷既不會創(chuàng)生，也不會消滅。但事實是否如此呢？

從１７４６年起，富蘭克林（美）利用當時的菜頓瓶做了一系列的實驗，菜頓瓶在加電之后，其所有的電火要素總量不比在加電之前多，而放電之后所具有的電火要素總量也不比放電之前少［１］，這就是后世人所稱的“電荷守恒定律”。

而在現(xiàn)代物理學研究中，科學家發(fā)現(xiàn)，粒子在相互作用過程中，電荷可以產生，也可以消失。例如，一個高能量的光子碰撞一個重原子核時，該光子可以轉化為一個帶正電的正電子和一個帶負電的負電子，這也稱為電子對的“產生”；而當兩個正、負電子在一定條件下相遇時，又會同時消失而產生光子，這也稱為電子對的“湮滅”。

１９２９年，中國核物理的開拓者趙忠堯先生在美國加州理工學院做研究工作時，在實驗中觀察到硬γ射線在鉛中引起的一種不同尋常的輻射，這正是由正負電子湮沒產生的γ射線，這是人類在歷史上首個能直接觀測到直接由反物質產生和湮沒所造成的現(xiàn)象的物理實驗［２］。

１９３０年５月間，趙忠堯、英國的塔蘭特和德國的霍普費爾特，在他們彼此獨立的論文中提出了各自的發(fā)現(xiàn)，即發(fā)現(xiàn)了釷Ｃ的能量有百萬電子伏特的射線被重元素的“反常吸收”。這是對電子對產生過程最早的觀測［３］。

所以，隨著科學研究的深入，逐漸發(fā)現(xiàn)電荷會以另一種方式創(chuàng)生或湮沒。

拓展二：兩金屬小球接觸后的電量分配。

課本提到：如果使一個帶電的金屬小球與另一個不帶電的完全相同的金屬小球接觸，電量“分給后者一半”，這里的“完全相同的金屬小球”指大小和材料均要相同。小球大小相同，即半徑相同。由于兩金屬球相碰后形成一組等勢體，半徑為Ｒ且?guī)щ娏繛椋竦男∏螂妱轂閁=，即q=4πεRU，q∝R，所以當兩個孤立金屬球等勢體Ｒ相同時，=，才有可能出現(xiàn)電荷相等；另外，若是兩種不同的金屬接觸瞬間，兩者之間會產生電位差，這就是所謂的“接觸電位差”［４］，此時內部的平穩(wěn)會被破壞，會迫使電荷發(fā)生移動，從而影響到電量的分配，所以要求材料相同。

拓展三：對于守恒思想的思考。

世界上沒有任何一種物質、一種定律是永恒不變的；每一件事物都處在永恒的動態(tài)發(fā)展之中。１９５６年，李政道和楊振寧提出了宇稱不守恒，顛覆了大眾之前對“守恒”的認知，說明某些守恒定律在強相互作用領域內是成立的，而在弱相互作用領域內是不成立的。

電荷守恒定律描述的是：對于某個（已確定邊界）系統(tǒng)，如果沒有凈電荷出入其邊界，那么該系統(tǒng)的正、負電荷的代數(shù)和保持不變。

２．２ 拓展研究庫侖定律

２．２．１ 高中課本的表述

英國科學家卡文迪許和普里斯特利等人都堅信“平方反比”規(guī)律適用于電荷間的力，但是最終解決這一問題的卻是法國科學家?guī)靵?。他設計了一個十分精妙的實驗——扭秤實驗，以便研究電荷之間的作用力。通過實驗觀測，并總結出真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力大小，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，而作用力的方向則在它們的連線上。后人把這個規(guī)律叫作庫侖定律（Ｃｏｕｌｏｍｂ’ｓ ｌａｗ）。

２．２．２ “溯源”教學

拓展一：科學思想的傳承。

因受到牛頓引力理論的影響，１８世紀電磁學領域的科學家普遍將牛頓提出的引力定律（或超距作用）的哲學觀點用于電磁學（類比法）。第一個提出電作用力與距離平方成反比的是英國科學家普里斯特利（Ｊ·Ｐｒｉｅｓｔｌｅｙ，１７３３—１８０４），普里斯特利把這一研究成果寫入《電學的歷史和現(xiàn)狀》（１７６７年）。當然，由于普里斯特利的結論僅是推測（或者說是預言），并沒有明確地進行論證，所以在當時并沒有引起科學界的廣泛關注。１７７２年，卡文迪許（Ｈｅｎｒｙ Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ）以實驗方式證明靜電學的平方反比定律的真實性，但未公布于世，直到一個世紀后，他的手稿才被發(fā)現(xiàn)［５］。據民國科學史籍《科學發(fā)達略史》記載：“愷文迭喜（Ｈｅｎｒｙ Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ）視名利如敝屣，于算術物理，造詣獨深，日以窮理試驗為事，寢所其實驗室也，樓謝其天文臺也，所貢獻于科學界者甚鉅，惟孤僻性成，研究所得，亦秘藏唯謹，未肯輕易未人；其不甚知名于世者?！保郏叮?/p>

拓展二：歷史上的扭秤實驗。

物理學史上，較著名的扭秤實驗有：米歇爾（Ｊｏｈｎ Ｍｉｃｈｅｌｌｅ）扭秤實驗、卡文迪許（Ｈｅｎｒｙ Ｃａｖｅｎ-

ｄｉｓｈ）扭秤實驗、庫侖（Ｃｈａｒｌｅｓ Ａｕｇｕｓｔｉｎ ｄｅ Ｃｏｕｌｏｍｂ）扭秤實驗。三位科學家?guī)p峰期同處一個年代。據民國科學史籍《科學概論》記載：“卡汾狄什（Ｈｅｎｒｙ Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ）首創(chuàng)扭秤以測萬有引力常數(shù)Ｇ之值”，也是公認的測量地球質量的第一人。

科學史上的扭秤實驗統(tǒng)計如表1所示，三位科學家?guī)p峰期同處一個年代。

拓展三：對兩帶電小球間相互作用力的理解。

設計問題：將兩個均勻帶電的小球固定在氣墊導軌的支架上（忽略支架與導軌間的摩擦）。若第二個球的電荷量是第一個球電荷量的三倍，那么，圖1中哪個圖能正確地表示這兩個小球之間的庫侖力的大小和方向？

設計意圖：直性地表征一對庫侖力的關系。Ａ和Ｂ 兩個選項考查學生是否理解“同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引”這一性質，當然，大部分學生應該能理解；Ｃ 、Ｄ和E選項的設計，是考查深入理解庫侖定律，兩個帶電小球各自受到的庫侖力大小是否相同，是否會被各自所帶電荷量的多少影響；而Ｆ選項是考查“力是成對出現(xiàn)的”，無論在重力場，還是電場或磁場。

３ 教學后記

物理學史體現(xiàn)了人類探索和認識世界的歷程，從觀察現(xiàn)象、分析特性、總結規(guī)律到認識本質的過程。它蘊含著科學探索者們的思索、創(chuàng)造與艱辛奮斗等豐富的“教育元素”［８］。利用好這些“教育元素”對優(yōu)生開展“溯源”教學，是一個不錯的選擇，以上內容并沒有脫離教材，而是立足于教材基礎上做的一個拓展性的補充。盡管會占用一些“刷題”的時間，但卻是發(fā)展學生思維的過程，因此，需要教師在備課中廣擷教學資源并融于課堂，實際就是豐富了這一思維的內涵，讓教學更具時空觀與立體感，因此對優(yōu)生開展“溯源”教學更有利于學生的發(fā)展。

參考文獻：

［１］吳有訓．富蘭克林的生平和他在科學上的貢獻［Ｊ］．科學通報，１９５６（１２）：９－１１．

［２］李政道．在趙忠堯誕辰１２０周年紀念大會上的發(fā)言［Ｊ］．現(xiàn)代物理知識，２０２２，３４（６）：３－４．

［３］李炳安，楊振寧，鄭志鵬，等．趙忠堯：電子對產生與湮滅［Ｊ］．大學物理，１９９１，10（２）：１－５，１８．

［４］方武增．師之解惑與因材施教——以“庫侖的實驗”內容的拓展為例［Ｊ］．中學物理教學參考，２０２０，４９（９）：１４－１５．

［５］王云五．中山自然科學大辭典（物理學）［Ｍ］．臺北：臺灣商務印書館，１９７２：５２．

［６］張子高，周邦道．科學發(fā)達略史［Ｍ］．上海：中華書局，１９２３.

［７］Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ，Ｈ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｃ ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｅａｒｔｈ［Ｊ］． Ｐｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒｏｙ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ，１７９８（８８）：４６９－４７９．

［８］方武增．發(fā)揮物理學史的思政功能提升物理學育人價值——以對中學課程中伽利略事跡的教學為例［Ｊ］．物理通報，２０２３（１０）：７１－７６．（欄目編輯 趙保鋼）