物理學史融入庫侖定律的教學研究

彭博 張勇廷 蘇艷濤

摘 要：物理學是以實驗為基礎的學科。任何一個物理概念的建立和物理規律的發現，都來源于物理實驗和對自然現象的觀察研究。任何一個物理概念、物理量，我們除了要闡明它的物理意義，還要能提供測量它的準確、可行的方法。物理學史中，庫侖對于庫侖扭秤的研究方法對探究庫侖定律的教學有著重要意義。

關鍵詞：庫侖定律;庫侖扭秤

1 傳統的庫侖定律教學設計分析

1）簡單復習使物體帶電的方法：摩擦起電、接觸帶電、感應起電。

2）點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）探究靜電力實驗裝置如圖1所示，其中A是一個固定擺放的絕緣帶電導體小球，B，C是用絕緣細線懸掛著的兩個相同的帶電輕質導體小球。

①研究相互作用力F與距離r的關系

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，F的大小如何變化。

結論：r增大時，偏角變小，F變小。

②研究相互作用力F與電荷量的關系

保持A，B的距離r不變，觀察B的偏角，思考當B球帶的電荷量減小時，F的大小如何變化。

結論：B球帶的電荷量減小時，偏角變小，F變小。

4）庫侖定律。法國物理學家庫侖用實驗研究了電荷之間的相互作用，總結出了如下規律，人們把這一規律稱為庫侖定律。

式中k為靜電力常量，k=9.0×109N·m2/C2。例題設計：利用庫侖定律計算氫原子中質子和電子之間的靜電力，利用萬有引力定律計算氫原子中質子和電子之間的萬有引力，比較靜電力和萬有引力的大小。

5）此教學設計存在的問題。（1）高中物理實驗中成功率最低的是靜電實驗，與天氣和絕緣情況等因素有很大關系。即使此探究實驗能成功也只片面地得到r增大時，F變小，B球帶的電荷量減小時，F變小的定性結論，不可能得到庫侖定律的表達式。（2）沒有再現庫侖在當時的科學技術條件下，探究的邏輯思維過程和采用的科學方法，以及實驗方案的設計和庫侖的創新之處。

2 物理學史融入庫侖定律的教學設計

2.1 探究靜電力

問題1：靜電力與我們過去學過的哪種力比較類似？由于彈力和摩擦力是接觸力，在教師引導下學生很容易得到靜電力與重力（萬有引力）相似。

問題2：萬有引力常量是用什么精密儀器精確測量得到的？學生經過回憶后很容易得到是卡文迪許利用放大法原理，使用卡文迪許扭秤測出來的。

教師總結：在庫侖所處的時代牛頓力學已經建立，卡文迪許用他自己制作的精密儀器扭秤測得了非常小的量 ——萬有引力常量。庫侖正是應用類比法，模仿卡文迪許扭秤制成庫侖扭秤來研究靜電力。

問題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？

學生經過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。

問題4：我們怎樣才能得到兩個電荷量相等的帶電體？查閱物理學史，了解庫侖當時的具體做法。

在庫侖時代，人們還不知道通過接觸起電可以得到兩個電荷量相等的帶電體，這正是庫侖的創新之處。如果我們不能得到兩個電荷量相等的帶電體，那么我們發現庫侖定律的邏輯思維鏈將中斷.在這里庫侖作了一個科學合理的假設：如果讓一個帶電荷量為q的導體球與另一個不帶電的相同導體球相互接觸，分開后它們將平分原來帶電導體球所帶的電荷量，兩球所帶的電荷量均為，若再與另一個不帶電

的相同導體球相互接觸，兩球所帶的電荷量將均為，這樣就可以使帶電的導體球所帶的電荷量不斷減半。

教師總結：庫侖這種思想方法有效的解決了電荷量平分的問題，且簡單有效，這正是庫侖發現庫侖定律的關鍵。

3 課堂流程總結

師生如果要共同探析庫侖定律涉及的深層次內涵，則應當把關注點轉向與電荷作用力有關的影響要素。在必要時，還可以運用控制變量法對此予以深入探析。針對點電荷而言，應當能夠適用教學滲透的措施，對于同學們自身具備的抽象思維進行全方位的激發，通過建模來簡化當前現有的物理學科難題。對于培養學生學科價值理念以及情感態度而言，師生應當致力于深入探究自然規律，在對比萬有引力與靜電力這兩類作用力的前提下培育更高層次的科學態度。具體而言，庫侖定律教學通常涉及如下流程，首先是預備必要的實驗器材。在本課節中，教學器材應當包含鐵架臺、投影儀與電腦、玻璃棒、小球、絲綢以及細線等物品。通過開展多層次的啟發教學、類比教學以及實驗探究，對于學生現有的課堂體會應當能夠予以全面深化，在此前提下學會精確判定點電荷處于真空狀態時電荷之間的相互作用力。

其次是新課的導入，在真正進入該課節的講授之前，教師需要與同學們共同溫習當前現有的物理知識。通過課前導入可知，自然界應當存在負電荷和正電荷這兩類不同電荷。但是截至目前，同學們對于上述二者表現出來的相互作用力的了解并不透徹。此外，課前導入還會涉及趣味性的物理實驗，借助課堂演示來推動整個課堂流程。例如，教師對此可以設置“驗電羽毛”或者 “怒發沖冠”的導入實驗，以便于激發學生濃厚的學習興趣。最后是師生共同探究，學習庫侖定律不能缺少師生在課堂上的相互配合，與傳統模式的課堂講授相比，建立于師生協作前提下的定律教學具備更加明顯的趣味性與實效性。在師生緊密配合的同時，將庫侖研究庫侖定律的材料融入課堂，使同學們真切的體會到庫侖實驗研究方法的價值所在。

4 結束語

學生在教師問題引導下積極思考，通過實驗演示，很好地理解科學家們探索庫侖定律表達式的意圖，充分理解庫侖定律的內容，在教師有效地引導下，學生能夠用庫侖定律進行簡單的定量計算，能很好地完成教學目標。

將必要的物理學史融入課堂能夠提高課堂效率，學生們對庫侖定律的理解也更深入、透徹，對于庫侖定律的認識也會達到一個新的高度，從而使物理學史能夠更好的服務物理教學。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：18.

[2][瑞典]H.奧托·斯巴姆.提供證據——庫侖扭秤和法國啟蒙理性文化[J].計海慶，譯.哲學分析，2017，8（3）.