庫(kù)侖定律的教學(xué)設(shè)計(jì)改進(jìn)＊

李娜娜 丁福楷 岑天慶

（中山市華僑中學(xué) 廣東 中山 528400）

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科.任何一個(gè)物理概念的建立和物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，都來(lái)源于物理實(shí)驗(yàn)和對(duì)自然現(xiàn)象的觀察研究.實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ俏锢硌芯磕芰Φ闹匾w現(xiàn)，可以說(shuō)沒(méi)有物理實(shí)驗(yàn)和對(duì)自然現(xiàn)象的觀察研究，就沒(méi)有物理學(xué).實(shí)驗(yàn)?zāi)芰χ饕ㄔO(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力和實(shí)驗(yàn)操作能力.任何一個(gè)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(cè)量它的準(zhǔn)確、可行的方法.對(duì)于物理規(guī)律，我們除了要清楚物理量間的因果關(guān)系、數(shù)量關(guān)系外，還要能提供驗(yàn)證它的準(zhǔn)確、可操作的方法.在中學(xué)物理教學(xué)中，往往重理論知識(shí)訓(xùn)練輕實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)，在物理實(shí)驗(yàn)課中，一般都按照教材所給的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，重實(shí)驗(yàn)操作能力，輕設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案能力培養(yǎng).在高中物理教學(xué)中，我們說(shuō)到探究物理規(guī)律往往是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)探究，培養(yǎng)學(xué)生思維能力，提高學(xué)生探究能力.似乎離開(kāi)了物理實(shí)驗(yàn)就不能對(duì)物理規(guī)律進(jìn)行相關(guān)探究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)物理規(guī)律進(jìn)行相關(guān)探究固然重要，但對(duì)一些在課堂上不可能進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的物理規(guī)律，往往忽視了對(duì)學(xué)生思維能力和探究能力的培養(yǎng)，例如庫(kù)侖定律是應(yīng)用精密儀器庫(kù)侖扭秤，通過(guò)精確實(shí)驗(yàn)才能得到的定量物理規(guī)律，不可能在課堂上進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn).

本文中筆者通過(guò)探究對(duì)庫(kù)侖定律一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，探討對(duì)學(xué)生思維能力和應(yīng)用科學(xué)方法進(jìn)行探究

能力的培養(yǎng).

1 傳統(tǒng)的庫(kù)侖定律教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）簡(jiǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其中A 是一個(gè)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(gè)相同的帶電輕質(zhì)導(dǎo)體小球.當(dāng)輕質(zhì)導(dǎo)體小球B，C與導(dǎo)體小球A 靠近時(shí)，輕質(zhì)導(dǎo)體小球的偏角越大，表明兩電荷的靜電力越大.

圖1 探究靜電力的實(shí)驗(yàn)裝置

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(shí)，F(xiàn) 的大小如何變化.

結(jié)論：r增大時(shí)，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(shí)，F(xiàn) 的大小如何變化.結(jié)論：B球帶的電荷量減小時(shí)，F(xiàn) 變小.

（4）庫(kù)侖定律

在前人工作的基礎(chǔ)上，法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鲇脤?shí)驗(yàn)研究了電荷之間的相互作用，總結(jié)出了如下規(guī)律，人們把這一規(guī)律稱為庫(kù)侖定律

式中k為靜電力常量，k＝9.0×109N·m2／C2.

例題設(shè)計(jì)：利用庫(kù)侖定律計(jì)算氫原子中質(zhì)子和電子之間的靜電力，利用萬(wàn)有引力定律計(jì)算氫原子中質(zhì)子和電子之間的靜電力，比較靜電力和萬(wàn)有引力的大小.

（5）此教學(xué)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

1）高中物理實(shí)驗(yàn)中成功率最低的是靜電實(shí)驗(yàn)，與天氣和絕緣情況等因素有很大關(guān)系.即使此探究實(shí)驗(yàn)?zāi)艹晒σ仓黄娴氐玫絩增大時(shí)，F(xiàn) 變小，B球帶的電荷量減小時(shí)，F(xiàn) 變小的定性結(jié)論，不可能得到庫(kù)侖定律的表達(dá)式.

2）沒(méi)有再現(xiàn)庫(kù)侖在當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)條件下，探究的邏輯思維過(guò)程和采用的科學(xué)方法及設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，及研究過(guò)程的難點(diǎn)和庫(kù)侖的創(chuàng)新之處.

2 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題的庫(kù)侖定律教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）探究靜電力

問(wèn)題1：靜電力與我們過(guò)去學(xué)過(guò)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(wàn)有引力）相似.

問(wèn)題2：萬(wàn)有引力常量是用什么精密儀器精確測(cè)量得到的？

學(xué)生經(jīng)過(guò)回憶后很容易得到是卡文迪什用卡文迪什扭秤測(cè)定的.

由于當(dāng)時(shí)人們對(duì)帶電體所帶電荷量多少的認(rèn)識(shí)并不清楚，我們先來(lái)討論物體所帶電荷量的問(wèn)題.

問(wèn)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(guò)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(wèn)題4：我們?cè)鯓硬拍艿玫絻蓚€(gè)電荷量相等的帶電體？

學(xué)生經(jīng)過(guò)分組討論利用所學(xué)知識(shí)可以得出利用接觸起電的兩個(gè)電荷量相等的帶電體.

問(wèn)題5：怎樣驗(yàn)證庫(kù)侖做的科學(xué)合理的假設(shè)是正確的？

學(xué)生經(jīng)過(guò)分組討論后可能會(huì)得到解決問(wèn)題的方法.

（2）庫(kù)侖定律

再利用控制變量法保持兩個(gè)帶電導(dǎo)體球之間的距離r 不變，不斷改變兩個(gè)帶電導(dǎo)體球的電荷量，測(cè)兩導(dǎo)體球間的靜電力F，庫(kù)侖正是應(yīng)用控制變量法利用庫(kù)侖扭秤通過(guò)精確實(shí)驗(yàn)得到F ∝q1q2.

結(jié)論：庫(kù)侖正是利用庫(kù)侖扭秤經(jīng)過(guò)多次精確實(shí)驗(yàn)最后得到點(diǎn)電荷間的相互作用的規(guī)律

后人為了紀(jì)念庫(kù)侖把這個(gè)規(guī)律稱為庫(kù)侖定律，庫(kù)侖定律是電磁學(xué)第一個(gè)精確定量的規(guī)律.在庫(kù)侖的時(shí)代，長(zhǎng)度基準(zhǔn)的單位是厘米，力的單位用達(dá)因，庫(kù)侖為了使表達(dá)方式簡(jiǎn)單，用長(zhǎng)度的單位和力的單位來(lái)規(guī)定電量的單位.這樣表達(dá)方式最簡(jiǎn)單為

庫(kù)侖規(guī)定兩個(gè)電量相等的點(diǎn)電荷，若相距1 cm，相互作用為1dyn，則點(diǎn)電荷電量為1個(gè)靜電制單位.后來(lái)高斯以厘米、克、秒為基本單位建立一套單位制，史稱高斯單位制或厘米克秒制.在高斯單位中電量單位仍為1個(gè)靜電制單位.20世紀(jì)60年代人們開(kāi)始推廣使用以米、千克、秒為基本單位的一套單位制，稱為國(guó)際單位制或千克米秒制.在國(guó)際單位制中為了紀(jì)念庫(kù)侖將電量單位稱為庫(kù)侖，這樣在國(guó)際單位制中，庫(kù)侖定律表達(dá)方式變?yōu)?/p>

式中k為靜電力常量，k＝9.0×109N·m2／C2.

這里要說(shuō)的是國(guó)際單位制在歐美國(guó)家和理論物理學(xué)界并不受歡迎.

3 兩種庫(kù)侖定律的教學(xué)設(shè)計(jì)比較

從上面兩個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)我們可以看出，傳統(tǒng)的庫(kù)侖定律教學(xué)設(shè)計(jì)，只是采用一個(gè)實(shí)際上很難完成的實(shí)驗(yàn)，在形式上片面探究靜電力F 與距離r 及電荷量q 的定性關(guān)系，它與發(fā)現(xiàn)庫(kù)侖定律之間不產(chǎn)生內(nèi)在的邏輯必然性，沒(méi)有給學(xué)生提供一個(gè)完整邏輯思維鏈，也沒(méi)有啟發(fā)學(xué)生的思維和學(xué)習(xí)科學(xué)的探究方法，不知道庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)庫(kù)侖定律的難點(diǎn)在哪里，最終學(xué)生只是記住了結(jié)論及公式并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算.而創(chuàng)設(shè)問(wèn)題的庫(kù)侖定律教學(xué)設(shè)計(jì)，以創(chuàng)設(shè)問(wèn)題為切入點(diǎn)，結(jié)合物理學(xué)史以當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，以科學(xué)合理的假設(shè)為要點(diǎn)，以科學(xué)方法為工具，以探究物理規(guī)律的內(nèi)在邏輯為主線，有一個(gè)完整邏輯思維鏈環(huán)環(huán)相扣，再現(xiàn)庫(kù)侖探究的邏輯思維過(guò)程和采用的科學(xué)方法，及探究過(guò)程的難點(diǎn)和庫(kù)侖的創(chuàng)新之處，對(duì)不可能在課堂上進(jìn)行的探究實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，激發(fā)了學(xué)生的想象力，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和應(yīng)用科學(xué)方法進(jìn)行創(chuàng)新研究的能力.

缺乏理性和對(duì)問(wèn)題的思辨及不斷追問(wèn)的精神是與我們民族歷史文化基因有關(guān)的.這種文化基因同樣表現(xiàn)在教育中，整體表現(xiàn)為體驗(yàn)式、感悟式、碎片化的、語(yǔ)錄格言式的，缺乏邏輯完整鏈的知識(shí)系統(tǒng).思維方式總體是非理性說(shuō)教式形成結(jié)論.它對(duì)應(yīng)試是很有利的，但不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng).推進(jìn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步關(guān)鍵是需要?jiǎng)?chuàng)新型人才，而培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的關(guān)鍵是教育.在教學(xué)中要求必須關(guān)注知識(shí)形成的過(guò)程，形成經(jīng)過(guò)慎密邏輯推理的知識(shí)系統(tǒng).有對(duì)問(wèn)題的思辨及不斷追問(wèn)的精神，在說(shuō)理的基礎(chǔ)上形成的結(jié)論.它同樣要求教師特別是數(shù)學(xué)、物理教師，要形成一套公理化的知識(shí)體系，要有由從公理和公設(shè)出發(fā)推演知識(shí)鏈的能力，有對(duì)問(wèn)題的思辨及不斷追問(wèn)回到公理和公設(shè)的邏輯鏈，同時(shí)還要關(guān)注前人已有的知識(shí)和結(jié)論，及當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平.并不是每一個(gè)研究都要從頭開(kāi)始，我們的研究都是在前人的基礎(chǔ)上開(kāi)始的.要培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新精神的學(xué)生，首先要求有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新精神的教師.多一分說(shuō)理少一點(diǎn)說(shuō)教，不滿足于得到一個(gè)正確的結(jié)論，少回避學(xué)生提出的問(wèn)題，盡量多給學(xué)生一些有完整邏輯鏈的知識(shí)體系，培養(yǎng)對(duì)問(wèn)題的思辨及不斷追問(wèn)的精神，同時(shí)多擴(kuò)大自身的知識(shí)面，不要把知識(shí)局限在本學(xué)科范圍內(nèi)，才是通過(guò)教育培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效方法.