基于物理學史的“庫侖定律”教學設計

辛 睿，張 勇

（吉林師范大學物理學院 吉林 四平 136000）

庫侖定律是物理學中幾大電磁學定律之一，是繼續進行電磁學學習的基礎，本文對庫侖定律一節進行教學設計，以期使學生更好地掌握庫侖定律，體現物理學史對學生的教育意義。

1 教學內容分析

庫侖定律選自2019 年新人教版高中物理必修第三冊第九章第二節，《普通高中物理課程標準（2017 年版）》對本節課的教學內容要求為：“知道點電荷模型，知道兩個點電荷間相互作用的規律，體會探究庫侖定律過程中的科學思想和方法，體會在什么情境下可將帶電體抽象為點電荷，體會庫侖扭秤實驗設計的巧妙之處。”[1]

庫侖定律是物理學歷史中繼萬有引力定律之后的第二個平方反比定律，并在一定程度上對類比方法在物理學中的重要性進行了說明。

在萬有引力定律確定后，大批卓有成就的科學家根據引力定律對電學、磁學的規律做了很多的猜測，其中庫侖歷經多年艱辛努力成為第一個發表相關論文的科學家。這些科學家在探究過程中所體現出來的科學思維方法、理想信念、鍥而不舍的精神均對學生具有重要的啟迪和教育意義，對學生的核心素養培養具有積極作用。

在傳統的物理教學過程中，教師在教學時僅限于讓學生了解知識，對庫侖定律的發現探究過程以及庫侖扭秤實驗等相關內容均一帶而過，對相關發展脈絡并不重視。學生在學習之后，僅僅記住了定律的內容及公式的使用，對相關探究過程近乎一無所知，不利于學生全面認識庫侖定律。

2 教學目標

2.1 物理觀念

學生能夠理解庫侖定律的基本概念，掌握兩個帶電粒子之間作用力與它們之間的距離、電荷量的關系。進一步加深關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識。

2.2 科學思維

學生能夠運用科學思維和邏輯思維分析帶電粒子間的作用力與距離、電荷量之間的關系，提高對物理現象的邏輯分析能力，通過學習加深對理想模型法、類比法等的認識。

2.3 科學探究

學生能夠通過實驗驗證庫侖定律，培養其動手操作和實驗探究的能力；通過小組合作、討論等方式，共同探究庫侖定律，培養學生的團隊協作和溝通能力。

2.4 科學態度與責任

學生在探究過程中，能夠勇于質疑和發表自己的觀點，同時尊重他人意見，形成民主的科學精神；在進行探究實驗時，學生要具備嚴謹的科學態度，要認真負責，遵循科學道德原則；培養學生的科學素養和社會責任感。

3 教學重難點

教學重點：學生能夠理解庫侖定律的基本概念，掌握庫侖力公式，了解庫侖定律建立過程中的教育意義。

教學難點：相關實驗原理及科學探究方法。

4 教學過程

4.1 創設情境，引入新課

教師演示實驗：準備好兩個帶正電的小球A和B，帶負電的小球C，將小球A 分別靠近但不接觸小球B 和小球C。

學生觀察：小球A 與小球B 接觸時相互排斥，小球A與小球C 靠近時相互吸引。

教師提問：這一現象說明什么問題？

學生回答：電荷之間具有作用力（同性相斥，異性相吸）

教師提出問題：電荷間的這種相互作用力，它的三要素分別是什么？

學生首先對力的大小進行推測并回答：電荷之間的距離，帶電量的大小……

教師介紹已準備好的實驗裝備（鐵架臺與若干個分別帶有正負電荷的小球，且小球所帶電荷不同）。學生自行分組設計并進行實驗。

實驗過程：①將帶正電的帶電體C 置于鐵架臺旁，把系在細線上帶正電的小球先后掛在鐵架臺上P1、P2、P3 等位置（正負電荷均可）。②在同一位置增大或減小小球所帶的電荷量。

實驗裝備較簡單，學生在設計實驗時可以不拘泥于已有器件，在課后進行實驗驗證。

學生進行實驗并觀察：①帶電體C 與小球間的作用力會隨著距離的不同而發生怎樣的改變呢？②在同一位置增大或減小小球所帶的電荷量作用力又會怎樣變化呢？

實驗結論：電荷間的作用力與電荷量和距離有關，它隨著電荷量的增大而增大，隨著距離的增大而減小。

教師引導學生發現：該規律與萬有引力定律具有相似點。

教師提問：是否可以將電荷之間的作用力與萬有引力定律進行類比猜想呢？

學生思考討論，回答問題。

設計意圖：采用演示實驗的方式引入新課，更好地吸引學生的注意力，使課堂具有趣味性，培養學生的合作探究意識與提出問題的能力；初步向學生介紹類比思想的作用，并合理地將相關物理學史引入課堂，激發學生繼續探究的欲望。

4.2 呈現史料，定律引入

提出問題：我們現在已經知道電荷之間具有相互作用，且這一關系是由庫侖發現的，那么當時只有庫侖發現了這個問題從而進行研究嗎？庫侖的研究過程是一帆風順的嗎？

教師向學生簡要介紹庫侖定律正式發現前的歷史過程，學生思考討論。

①德國的科學院院士愛皮努斯于1759 年作了相關研究，他在自己的書中假設電荷之間的作用力隨帶電物體的距離減小而增大，但他僅是提出了這個猜測，沒有進行實驗驗證。

②萬有引力定律確定后，D.伯努利首先猜測電力會不會也跟萬有引力一樣服從平方反比定律；普利斯特利得出了“電的吸引與萬有引力服從同一定律，即距離的平方”這一結論，但他同樣停留在猜測的階段。

教師提問：這兩位科學家為什么沒能成功發現庫侖定律？

引導學生明白物理是以實驗為基礎的學科，任何事情都不能紙上談兵。

③羅賓遜在1769 年注意到了愛皮努斯的猜測，并進行了相關的杠桿實驗，得出帶電球的作用力正好相當于球心之間距離的反平方的結論，不過他的實驗結果僅限于同號電荷的斥力，并且他的相關論文發布在庫侖之后。

④卡文迪什在好友的鼓勵與支持下，成功地通過同心球實驗證明了電荷完全分布在導體表面，并確認電力服從平方反比定律，指數偏差不超過0.02，但他一直沒有將研究成果進行發表。一直到1785 年由庫侖正式提出了庫侖定律，并得到了科學界的廣泛認可。

教師提問：這兩位科學家距離成功近在咫尺，為什么同樣失敗了？

引導學生以積極的態度面對科學研究中的失敗與遺憾；科學發展史上任何一項成果都是經歷了無數次的失敗才得到的，同時也要讓學生認識到，科學研究從來不是單打獨斗的過程，我們也是在前人的基礎上才能得到現有的成就。

由學生自由討論庫侖定律的發展史，并發表看法。

設計意圖：通過對相關歷史的學習，使學生了解庫侖定律的探索過程，通過了解相關物理學家的探索過程和失敗原因，讓學生明白任何物理定律的得出都不是一蹴而就的，任何規律的得出都避免不了失敗；在物理學的發展進程中，遺憾同樣是不可避免的；在進行科學探究的過程中，奮斗精神和合作精神必不可少。庫侖同樣是站在了巨人的肩膀上并且經過不斷嘗試后，最終得出了庫侖定律，并在發表了相關論文后仍堅持研究。讓學生明白，正因為有了前輩和先人的努力，我們才能得到現有的成就，在獲得一定成就后也要繼續前行。

4.3 演示庫侖實驗，生成定律

4.3.1 庫侖扭秤實驗

教師指導，學生分組進行扭秤實驗。

教師向學生說明：該實驗已經經過改動，與庫侖當年所進行的實驗并不完全相同。

演示實驗：在細銀絲的下端懸掛一根絕緣桿，其一端是小球A，另一端通過物體B 使絕緣棒平衡。將另一個帶電的金屬小球C 插入容器并使它接觸小球A，從而使A 與C 帶上同種電荷，此時A 受到排斥的力從而遠離。扭轉懸絲，使A 回到初始位置處于平衡狀態。通過懸絲扭轉的角度可以比較力的大小[5]。

學生觀察并記錄數據：改變兩個帶電小球之間的距離r，分別記錄相對應的扭轉角度。對數據進行分析得出結論。結論：。教師向學生簡要描述庫侖當年進行實驗的裝置并與課堂上所用裝置進行對比。

教師提問：在無法準確測量物體所帶電荷量的年代，應該怎樣進行實驗？學生分組討論，思考并回答問題。

教師向學生介紹庫侖采用的“電荷平分法”：他將帶電荷量為q的小球與另一個相同的小球接觸后分開，得到帶電荷量為q/2 的小球，不斷地平分后可以得到q/4、q/8…的小球。

本實驗使學生明確：我們處在與庫侖不同的時代，所用工具相較于庫侖而言更加準確和完備，且我們是在前人的基礎上進行實驗，實際上是對已有規律進行實驗驗證，而庫侖當時的實驗條件遠不如現在，加深學生對物理學家的敬佩之情。

4.3.2 庫侖電扭擺實驗

教師說明：庫侖認為電扭秤實驗存在欠缺，從而對實驗進行了改動。

蠶絲下吊一根針，針的一頭固定于一片金箔圓盤，圓盤前方正對一帶電球G，令G 帶正電，圓盤帶負電，由于電吸引力的作用，圓盤在振蕩時會改變周期。測量距離不同時的周期就可以求出不同距離的電吸引力。這就是著名的“電擺實驗”，這個實驗是在牛頓萬有引力定律的啟示下提出的。

通過改變g和l之間的距離得出不同周期進行測量，經過對實驗裝置的不斷改進與修正，實驗值與理論值基本吻合，電的引力同樣滿足平方反比定律，自此關于電荷間的相互作用力的定量計算——庫侖定律正式提出。

教師向學生介紹定律內容。

定律：真空中，兩個靜止點電荷之間的相互作用力與它們電荷量的乘積成正比，與它們距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上。

k為真空靜電力常數量，k=9×109N.m2/C2

庫侖定律的適用條件：真空中靜止點電荷。

向學生介紹點電荷，啟發學生思考點電荷與力學中學習過的質點有何相似之處。

教師向學生介紹理想化模型的具體概念（啟發學生：這種情況下牛頓第三定律是否成立呢？為什么？為接下來的學習做鋪墊）。

設計意圖：學生能夠自己通過實驗驗證庫侖定律，從而培養學生的動手操作能力和實驗探究能力，在小組實驗時培養學生的團隊協作和溝通能力，使學生明白科學研究的困難與艱辛，培養正確的科學態度與責任。

5 結語

物理學史中包含大量對物理教育具有積極作用的寶貴素材，對學生物理觀念的建立、思維方法的培養、科學態度的落實具有積極作用，從而可以更好地將物理課程的教育任務落到實處。

本文基于物理學史對“庫侖定律”一節進行教學設計，以庫侖定律的發展脈絡為主體，帶領學生回顧歷史并進行了相關的探究實驗，有助于學生加深對庫侖定律的認識，在探究實驗過程中學習新的思維方法，掌握探究能力，有助于學生核心素養的提高。