庫侖定律的教學(xué)設(shè)計改進＊

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)是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科.任何一個物理概念的建立和物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，都來源于物理實驗和對自然現(xiàn)象的觀察研究.實驗?zāi)芰κ俏锢硌芯磕芰Φ闹匾w現(xiàn)，可以說沒有物理實驗和對自然現(xiàn)象的觀察研究，就沒有物理學(xué).實驗?zāi)芰χ饕ㄔO(shè)計實驗方案的能力和實驗操作能力.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.對于物理規(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，還要能提供驗證它的準確、可操作的方法.在中學(xué)物理教學(xué)中，往往重理論知識訓(xùn)練輕實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)，在物理實驗課中，一般都按照教材所給的實驗方案進行實驗，重實驗操作能力，輕設(shè)計實驗方案能力培養(yǎng).在高中物理教學(xué)中，我們說到探究物理規(guī)律往往是指通過實驗進行相關(guān)探究，培養(yǎng)學(xué)生思維能力，提高學(xué)生探究能力.似乎離開了物理實驗就不能對物理規(guī)律進行相關(guān)探究，通過實驗對物理規(guī)律進行相關(guān)探究固然重要，但對一些在課堂上不可能進行相關(guān)實驗的物理規(guī)律，往往忽視了對學(xué)生思維能力和探究能力的培養(yǎng)，例如庫侖定律是應(yīng)用精密儀器庫侖扭秤，通過精確實驗才能得到的定量物理規(guī)律，不可能在課堂上進行探究實驗.

本文中筆者通過探究對庫侖定律一節(jié)的教學(xué)設(shè)計，探討對學(xué)生思維能力和應(yīng)用科學(xué)方法進行探究

能力的培養(yǎng).

1 傳統(tǒng)的庫侖定律教學(xué)設(shè)計

（1）簡單復(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(dǎo)體小球，B，C 是用絕緣細線懸掛著的兩個相同的帶電輕質(zhì)導(dǎo)體小球.當輕質(zhì)導(dǎo)體小球B，C與導(dǎo)體小球A 靠近時，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 探究靜電力的實驗裝置

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，F(xiàn) 的大小如何變化.

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

（4）庫侖定律

在前人工作的基礎(chǔ)上，法國物理學(xué)家?guī)靵鲇脤嶒炑芯苛穗姾芍g的相互作用，總結(jié)出了如下規(guī)律，人們把這一規(guī)律稱為庫侖定律

式中k為靜電力常量，k＝9.0×109N·m2／C2.

例題設(shè)計：利用庫侖定律計算氫原子中質(zhì)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(zhì)子和電子之間的靜電力，比較靜電力和萬有引力的大小.

（5）此教學(xué)設(shè)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(guān)系.即使此探究實驗?zāi)艹晒σ仓黄娴氐玫絩增大時，F(xiàn) 變小，B球帶的電荷量減小時，F(xiàn) 變小的定性結(jié)論，不可能得到庫侖定律的表達式.

2）沒有再現(xiàn)庫侖在當時的科學(xué)技術(shù)條件下，探究的邏輯思維過程和采用的科學(xué)方法及設(shè)計的實驗方案，及研究過程的難點和庫侖的創(chuàng)新之處.

2 創(chuàng)設(shè)問題的庫侖定律教學(xué)設(shè)計

（1）探究靜電力

問題1：靜電力與我們過去學(xué)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(dǎo)下學(xué)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(xué)生經(jīng)過回憶后很容易得到是卡文迪什用卡文迪什扭秤測定的.

由于當時人們對帶電體所帶電荷量多少的認識并不清楚，我們先來討論物體所帶電荷量的問題.

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(xué)生經(jīng)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？

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

問題5：怎樣驗證庫侖做的科學(xué)合理的假設(shè)是正確的？

學(xué)生經(jīng)過分組討論后可能會得到解決問題的方法.

（2）庫侖定律

再利用控制變量法保持兩個帶電導(dǎo)體球之間的距離r 不變，不斷改變兩個帶電導(dǎo)體球的電荷量，測兩導(dǎo)體球間的靜電力F，庫侖正是應(yīng)用控制變量法利用庫侖扭秤通過精確實驗得到F ∝q1q2.

結(jié)論：庫侖正是利用庫侖扭秤經(jīng)過多次精確實驗最后得到點電荷間的相互作用的規(guī)律

后人為了紀念庫侖把這個規(guī)律稱為庫侖定律，庫侖定律是電磁學(xué)第一個精確定量的規(guī)律.在庫侖的時代，長度基準的單位是厘米，力的單位用達因，庫侖為了使表達方式簡單，用長度的單位和力的單位來規(guī)定電量的單位.這樣表達方式最簡單為

庫侖規(guī)定兩個電量相等的點電荷，若相距1 cm，相互作用為1dyn，則點電荷電量為1個靜電制單位.后來高斯以厘米、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個靜電制單位.20世紀60年代人們開始推廣使用以米、千克、秒為基本單位的一套單位制，稱為國際單位制或千克米秒制.在國際單位制中為了紀念庫侖將電量單位稱為庫侖，這樣在國際單位制中，庫侖定律表達方式變?yōu)?/p>

式中k為靜電力常量，k＝9.0×109N·m2／C2.

這里要說的是國際單位制在歐美國家和理論物理學(xué)界并不受歡迎.

3 兩種庫侖定律的教學(xué)設(shè)計比較

從上面兩個教學(xué)設(shè)計我們可以看出，傳統(tǒng)的庫侖定律教學(xué)設(shè)計，只是采用一個實際上很難完成的實驗，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)庫侖定律之間不產(chǎn)生內(nèi)在的邏輯必然性，沒有給學(xué)生提供一個完整邏輯思維鏈，也沒有啟發(fā)學(xué)生的思維和學(xué)習(xí)科學(xué)的探究方法，不知道庫侖發(fā)現(xiàn)庫侖定律的難點在哪里，最終學(xué)生只是記住了結(jié)論及公式并進行相關(guān)計算.而創(chuàng)設(shè)問題的庫侖定律教學(xué)設(shè)計，以創(chuàng)設(shè)問題為切入點，結(jié)合物理學(xué)史以當時的科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，以科學(xué)合理的假設(shè)為要點，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，有一個完整邏輯思維鏈環(huán)環(huán)相扣，再現(xiàn)庫侖探究的邏輯思維過程和采用的科學(xué)方法，及探究過程的難點和庫侖的創(chuàng)新之處，對不可能在課堂上進行的探究實驗加以改進，激發(fā)了學(xué)生的想象力，通過設(shè)計實驗方案，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和應(yīng)用科學(xué)方法進行創(chuàng)新研究的能力.

缺乏理性和對問題的思辨及不斷追問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)為體驗式、感悟式、碎片化的、語錄格言式的，缺乏邏輯完整鏈的知識系統(tǒng).思維方式總體是非理性說教式形成結(jié)論.它對應(yīng)試是很有利的，但不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng).推進科學(xué)技術(shù)的進步關(guān)鍵是需要創(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)注知識形成的過程，形成經(jīng)過慎密邏輯推理的知識系統(tǒng).有對問題的思辨及不斷追問的精神，在說理的基礎(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體系，要有由從公理和公設(shè)出發(fā)推演知識鏈的能力，有對問題的思辨及不斷追問回到公理和公設(shè)的邏輯鏈，同時還要關(guān)注前人已有的知識和結(jié)論，及當時的科學(xué)技術(shù)水平.并不是每一個研究都要從頭開始，我們的研究都是在前人的基礎(chǔ)上開始的.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.多一分說理少一點說教，不滿足于得到一個正確的結(jié)論，少回避學(xué)生提出的問題，盡量多給學(xué)生一些有完整邏輯鏈的知識體系，培養(yǎng)對問題的思辨及不斷追問的精神，同時多擴大自身的知識面，不要把知識局限在本學(xué)科范圍內(nèi)，才是通過教育培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效方法.