核心素養導向下實驗室課程資源的開發和利用
--兩種電荷的實驗改進

湖北省武穴市實驗高級中學(435400) 胡劍章 湖北省武穴市教育技術裝備辦公室(435400) 翟曉軍 湖北省武穴市第三實驗中學(435400) 吳寶華

《義務教育物理課程標準(2022年版)》重視以核心素養為導向的教學設計,倡導加強實驗室課程資源的開發與利用。物理是一門實操性很強的學科,實驗是物理課程改革的靈魂,是全面提高學生核心素養的有效手段,也是物理課程改革的寶貴資源。為有效提高實驗教學效率,提倡挖掘現有各種教學儀器、日常材料及現有的課程資源。隨著經濟條件的發展,我國鄉村中學都配有相應的物理實驗室。實驗室雖有豐富課程資源,但有待教師充分的開發和利用[1]。一線教師應引導學生重視實驗操作,帶領學生做物理學習的實踐者,知識生成的創造者。實驗室的實驗儀器應不局限于現有設備,學生身邊的日常器具同樣是重要的實驗室資源。教師和學生可以一起用日常生活中的器具進行物理實驗探究,讓學生在實際操作中發展實驗技能,培養創新意識。筆者以兩種電荷的實驗改進為例,通過對教材實驗的重新設計和改進,讓學生在獨立的分析、質疑、討論、論證中提升科學思維能力,發展核心素養。

1 現行教材中該實驗的問題

在初中物理教學中,“兩種電荷”是非常重要的教學內容,是電學內容的基礎。浙教版初中科學8年級上冊第122頁“思考與討論”中沒有實驗方案,而是直接給出摩擦后玻璃棒和橡膠棒的帶電情況,缺乏科學探究的過程。人教版9年級物理全一冊第32頁演示實驗是用絲綢摩擦玻璃棒和毛皮摩擦橡膠棒來探究電荷間的相互作用,但在得到實驗結論后直接給出自然界中只存在兩種電荷,缺乏實驗依據。

在教學實踐中,筆者按照人教版教材中的實驗方案進行多次實驗,發現實驗存在以下問題:實驗容易出現摩擦后不帶電或帶電時間短等情況,需要在非常干燥的天氣下進行;玻璃棒和橡膠棒由于質量較大而慣性較大,導致很難轉動,實驗現象不明顯。

2 對兩種電荷實驗的幾點思考

2.1 使排斥和吸引現象更明顯

要使物體轉動更明顯,需要減小摩擦、減小慣性和增大電場力。基于以上物理原理,筆者查閱了大量資料:很多方案用支架代替繩,能減小摩擦,更容易固定橡膠棒和玻璃棒。然而在實際操作中玻璃棒較難帶上電且質量較大,實驗現象不明顯。基于上述探究,筆者決定將器材更換成質量更小的塑料吸管和可旋轉支架。經實驗發現塑料吸管體積小且輕,帶電時間長,排斥和吸引現象更明顯,可操作性更強。

2.2 可視化帶電的探究

在實驗中有時會出現摩擦后兩個塑料吸管之間既不吸引也不排斥的現象,不能確定塑料吸管有沒有帶電,導致實驗演示效果不好。筆者嘗試把錫箔紙撕成碎片,摩擦后的塑料吸管能吸引這些錫箔紙,說明塑料吸管帶了電。在探究電荷間相互作用時,可通過錫箔紙是否仍被吸附在塑料吸管上來判斷塑料吸管帶電情況,實現帶電可視化。

2.3 探究是否存在第三種電荷

實驗教學是科學探究的過程,是否存在第三種電荷,應該有嚴密的實驗探究過程。筆者在這個實驗中,嘗試用多種材料,通過嚴謹的實驗過程推理是否存在第三種電荷。

3 實驗改進方案

3.1 實驗器材

毛皮、橡膠棒、玻璃棒、絲綢、多根塑料吸管、塑料袋、錫箔紙、可旋轉支架(如圖1)。

圖1 實驗器材

3.2 實驗教學過程

(1)將塑料吸管一端與毛皮摩擦,將未與毛皮摩擦的一端與錫箔紙屑靠近,再將與毛皮摩擦的一端與錫箔紙屑靠近。塑料吸管只有被摩擦的一端能吸引紙屑,說明摩擦后帶電,帶電體能吸引輕小物體。接下來每一步操作前都要將被摩擦物體與錫箔紙屑靠近,驗證物體是否帶電。通過觀察錫箔紙屑是否被吸引在物體上,來實現帶電可視化。

(2)2根塑料吸管與毛皮摩擦后,將其中1根輕輕放置在支架上,待其穩定后用另1根塑料吸管靠近。實驗現象:兩根塑料吸管相互排斥。

(3)將2根塑料吸管與塑料袋摩擦,將其中1根輕輕放置在支架上,待其穩定后用另1根塑料吸管靠近,實驗現象:2個塑料吸管也相互排斥。同組的2根塑料吸管由于起電方式相同,同源同性,所以帶的電荷也相同,同種電荷相互排斥。

學生質疑:這2組吸管分別與毛皮和塑料摩擦,不同組吸管帶電性質是否相同?

(4)塑料袋摩擦的塑料吸管放置在支架上,用與毛皮摩擦的塑料吸管靠近,實驗現象:2個塑料吸管相互吸引。由同種電荷相互排斥推理可知兩組塑料吸管帶上了不同種電荷,異種電荷相互吸引。

學生質疑:自然界中是否有第三種電荷,如何證明?

教師引導:由異種電荷相互吸引知第三種帶電體應與前兩種帶電體都吸引。

(5)將與毛皮摩擦的塑料吸管靜置在支架上,用與毛皮摩擦的橡膠棒靠近塑料吸管,能觀察到塑料吸管被排斥;用與絲綢摩擦的玻璃棒靠近塑料吸管,能觀察到塑料吸管被吸引。

(6)將與塑料袋摩擦的塑料吸管靜置在支架上,用與毛皮摩擦的橡膠棒靠近塑料吸管(如圖2),觀察到塑料吸管被吸引,將與絲綢摩擦的玻璃棒靠近塑料吸管(如圖3),觀察到塑料吸管被排斥。

圖2 用與絲綢摩擦的玻璃棒靠近塑料吸管 圖3 用與絲綢摩擦的橡膠棒靠近塑料吸管

(7)歸納與總結:請同學們將表1中的現象填好并將其分類。

表1 實驗現象歸類

毛皮摩擦的塑料吸管和塑料袋摩擦的塑料吸管帶異種電荷,毛皮摩擦的塑料吸管和毛皮摩擦的橡膠棒帶的是同種電荷,塑料袋摩擦的塑料吸管和絲綢摩擦的玻璃棒帶的是同種電荷。毛皮摩擦的塑料吸管和塑料袋摩擦的塑料吸管帶的電荷性質不同,如果有第三種電荷,它與這兩種電荷應是相互吸引。上述實驗中,沒有出現一種帶電體能同時吸引另兩種帶電性質不同的帶電體,說明自然界中只有兩種電荷。

3.3 實驗的創新點

(1)實驗材料的創新:塑料吸管、塑料袋、錫箔紙等材料身邊易得,操作方便。用日常器具做實驗,具有簡便、直觀、易于理解等優點。利用簡單的實驗器材,學生能親自動手實驗,感知物理就在身邊。

(2)實驗內容的創新:在實驗步驟(1)～(4)中,學生獲得摩擦起電和電荷間相互作用的概念。通過學生的質疑:自然中是否還有第三種電荷,引導學生設計實驗探究是否存在第三種電荷。通過實驗步驟(5)～(6)的探究,推理出自然界中只存在兩種電荷。通過這個環節使學生養成善于質疑,不斷探索的科學態度與責任,在問題解決的過程中培養學生的實證意識。實驗設計環節一環扣一環,由同源同性摩擦產生的同種電荷相互排斥推理出異種電荷相互吸引[2]。學生在上述實驗推理中能自主比較2次分類的結果得出自然界只有兩種電荷的結論,在觀察中提高了推理歸納能力、體會了科學探究的嚴謹,提升了科學素養。

4 實驗反思

(1)實驗時,盡量選擇較長較細的的塑料吸管,實驗前要對毛皮進行干燥處理,便于摩擦起電。通過查閱資料發現,塑料的荷正電序列為PP、PET、PVC[3]。因此筆者選用PP材質、規格為2 mm×200 mm的塑料吸管和PE或PVC材質的塑料袋。

(2)用毛皮和塑料袋摩擦塑料吸管時,在操作時要帶絕緣手套,要用力捏緊塑料吸管快速摩擦,便于塑料吸管帶電更多、留電時間更長。

(3)要求學生課后搜集更多的材料,繼續探究自然界中是否存在第三種電荷,培養學生實事求是、精益求精的科學態度,領會科學本質。