基于核心素養(yǎng)的“庫侖定律”教學探討

王萬林

(江蘇省蘇州市吳中區(qū)蘇苑高級中學， 江蘇 蘇州 215128)

1 引言

基于物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，高中物理規(guī)律教學應改變以往輕規(guī)律、重習題的教學方式，強調學生對物理規(guī)律的深度認識，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、建構規(guī)律的認知?，F(xiàn)以庫侖定律為例，探討物理規(guī)律的教學問題。

2 基于核心素養(yǎng)的“庫侖定律”教學

2.1 引入新課

實驗1：調皮的小球(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？

設計意圖：通過有趣的實驗現(xiàn)象激發(fā)學生的探究欲望，引出電荷之間的作用力，提高學生在實際情境中發(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？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，帶領學生了解人類探究電荷間相互作用的歷程，體驗探索自然規(guī)律的艱辛和喜悅(圖2)。

圖2

設計意圖：通過了解科學家堅持不懈探索的歷程，幫助學生逐漸樹立對科學應有的態(tài)度和社會責任感。

2.3 定性探究電荷間作用力

實驗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？實驗中應采取什么方法來進行研究？如何設計實驗方案？選取哪些實驗器材？

設計意圖：引導學生通過觀察，確定實驗目的和方法。結合已有認知，提出猜想，設計出如圖3所示的實驗方案。

圖3

教師提問：如何直觀顯示作用力的大?。?/p>

學生回答：利用懸線偏角的大小。

設計意圖：引導學生從實際情境中建構物理模型(圖4)，提升學生的建模能力。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

最后討論并設計實驗步驟：在細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，細線會偏離豎直方向。運用控制變量法得出結論：當兩球電荷量q一定時，它們間距離r越小，細線偏角越大，作用力F越大。當兩球間距離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) 很難準確測定微小的作用力；(2) 無法確定電荷量的大小關系；(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？

設計意圖：引導學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、質點—點電荷。同時放大微小量、均分電荷量等方法的再現(xiàn)，使學生感悟到科學方法在物理研究中的作用，激發(fā)了學生學習的熱情。

圖5

表1

表2

教師提問：你能用自己的語言表達規(guī)律嗎？

在教學中教師強調庫侖是通過大量實驗數(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。

設計意圖：培養(yǎng)學生學會忽略次要的、非本質的因素，從而概括出事物本質規(guī)律的能力。

2.4.2 介紹庫侖電擺實驗

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

設計意圖：由于異種電荷相互吸引時很容易吸到一起，用扭秤很難進行定量研究。但是庫侖并不氣餒，再一次運用類比方法，巧妙地設計電擺來探究異種電荷間的吸引力，再次讓學生感悟到科學探究的嚴謹性。

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對物體的吸引力加以類比，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，用感應起電機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，實驗數(shù)據(jù)如表3。

圖8

表3

該實驗可操作性強，易于在課堂完成。由于設備較為粗糙，實驗數(shù)據(jù)與猜想有較大出入，接下來筆者展示了庫侖當時經過大量實驗得到的原始數(shù)據(jù)(表4)。

表4

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

設計意圖：引導學生在實驗探究中，勇于探索，不斷優(yōu)化實驗方案，最終達成實驗目的。另外本實驗在教材中并未出現(xiàn)，在實際教學中往往被忽視，其實該實驗的教學不但能真實反映庫侖定律的發(fā)現(xiàn)情況，更能讓學生體會庫侖在科學探究中追求至真至美的科學態(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，僅僅是力的性質不同，但都具有力的共性。

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

設計意圖：引導學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電荷組成的，結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。

設計意圖：通過計算說明氫核和電子之間的萬有引力遠遠小于庫侖力，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、分子結構中起決定性作用，為接下來電磁場及原子物理的學習作了鋪墊。

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

3 結語

教材對許多物理規(guī)律的介紹比較淺顯、簡單，實際上每一個規(guī)律的背后都蘊藏著豐富的科學內容。在實際教學中應該重視規(guī)律的獲得過程，引領學生體驗探究過程。這樣不但可以還原歷史，還可以讓學生了解科學家解決問題的基本思路和方法，學習科學家在探究物理規(guī)律的過程中所展現(xiàn)的嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。