基于物理學(xué)史的“庫(kù)侖定律”教學(xué)設(shè)計(jì)

辛 睿，張 勇

（吉林師范大學(xué)物理學(xué)院 吉林 四平 136000）

庫(kù)侖定律是物理學(xué)中幾大電磁學(xué)定律之一，是繼續(xù)進(jìn)行電磁學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，本文對(duì)庫(kù)侖定律一節(jié)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，以期使學(xué)生更好地掌握庫(kù)侖定律，體現(xiàn)物理學(xué)史對(duì)學(xué)生的教育意義。

1 教學(xué)內(nèi)容分析

庫(kù)侖定律選自2019 年新人教版高中物理必修第三冊(cè)第九章第二節(jié)，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》對(duì)本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容要求為：“知道點(diǎn)電荷模型，知道兩個(gè)點(diǎn)電荷間相互作用的規(guī)律，體會(huì)探究庫(kù)侖定律過(guò)程中的科學(xué)思想和方法，體會(huì)在什么情境下可將帶電體抽象為點(diǎn)電荷，體會(huì)庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的巧妙之處。”[1]

庫(kù)侖定律是物理學(xué)歷史中繼萬(wàn)有引力定律之后的第二個(gè)平方反比定律，并在一定程度上對(duì)類比方法在物理學(xué)中的重要性進(jìn)行了說(shuō)明。

在萬(wàn)有引力定律確定后，大批卓有成就的科學(xué)家根據(jù)引力定律對(duì)電學(xué)、磁學(xué)的規(guī)律做了很多的猜測(cè)，其中庫(kù)侖歷經(jīng)多年艱辛努力成為第一個(gè)發(fā)表相關(guān)論文的科學(xué)家。這些科學(xué)家在探究過(guò)程中所體現(xiàn)出來(lái)的科學(xué)思維方法、理想信念、鍥而不舍的精神均對(duì)學(xué)生具有重要的啟迪和教育意義，對(duì)學(xué)生的核心素養(yǎng)培養(yǎng)具有積極作用。

在傳統(tǒng)的物理教學(xué)過(guò)程中，教師在教學(xué)時(shí)僅限于讓學(xué)生了解知識(shí)，對(duì)庫(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn)探究過(guò)程以及庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)等相關(guān)內(nèi)容均一帶而過(guò)，對(duì)相關(guān)發(fā)展脈絡(luò)并不重視。學(xué)生在學(xué)習(xí)之后，僅僅記住了定律的內(nèi)容及公式的使用，對(duì)相關(guān)探究過(guò)程近乎一無(wú)所知，不利于學(xué)生全面認(rèn)識(shí)庫(kù)侖定律。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 物理觀念

學(xué)生能夠理解庫(kù)侖定律的基本概念，掌握兩個(gè)帶電粒子之間作用力與它們之間的距離、電荷量的關(guān)系。進(jìn)一步加深關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)。

2.2 科學(xué)思維

學(xué)生能夠運(yùn)用科學(xué)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(guān)系，提高對(duì)物理現(xiàn)象的邏輯分析能力，通過(guò)學(xué)習(xí)加深對(duì)理想模型法、類比法等的認(rèn)識(shí)。

2.3 科學(xué)探究

學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證庫(kù)侖定律，培養(yǎng)其動(dòng)手操作和實(shí)驗(yàn)探究的能力；通過(guò)小組合作、討論等方式，共同探究庫(kù)侖定律，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通能力。

2.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

學(xué)生在探究過(guò)程中，能夠勇于質(zhì)疑和發(fā)表自己的觀點(diǎn)，同時(shí)尊重他人意見(jiàn)，形成民主的科學(xué)精神；在進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生要具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，要認(rèn)真負(fù)責(zé)，遵循科學(xué)道德原則；培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和社會(huì)責(zé)任感。

3 教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：學(xué)生能夠理解庫(kù)侖定律的基本概念，掌握庫(kù)侖力公式，了解庫(kù)侖定律建立過(guò)程中的教育意義。

教學(xué)難點(diǎn)：相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理及科學(xué)探究方法。

4 教學(xué)過(guò)程

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

教師演示實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)備好兩個(gè)帶正電的小球A和B，帶負(fù)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(xué)生觀察：小球A 與小球B 接觸時(shí)相互排斥，小球A與小球C 靠近時(shí)相互吸引。

教師提問(wèn)：這一現(xiàn)象說(shuō)明什么問(wèn)題？

學(xué)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(wèn)題：電荷間的這種相互作用力，它的三要素分別是什么？

學(xué)生首先對(duì)力的大小進(jìn)行推測(cè)并回答：電荷之間的距離，帶電量的大小……

教師介紹已準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)裝備（鐵架臺(tái)與若干個(gè)分別帶有正負(fù)電荷的小球，且小球所帶電荷不同）。學(xué)生自行分組設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：①將帶正電的帶電體C 置于鐵架臺(tái)旁，把系在細(xì)線上帶正電的小球先后掛在鐵架臺(tái)上P1、P2、P3 等位置（正負(fù)電荷均可）。②在同一位置增大或減小小球所帶的電荷量。

實(shí)驗(yàn)裝備較簡(jiǎn)單，學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)可以不拘泥于已有器件，在課后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并觀察：①帶電體C 與小球間的作用力會(huì)隨著距離的不同而發(fā)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(huì)怎樣變化呢？

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電荷間的作用力與電荷量和距離有關(guān)，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(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)：該規(guī)律與萬(wàn)有引力定律具有相似點(diǎn)。

教師提問(wèn)：是否可以將電荷之間的作用力與萬(wàn)有引力定律進(jìn)行類比猜想呢？

學(xué)生思考討論，回答問(wèn)題。

設(shè)計(jì)意圖：采用演示實(shí)驗(yàn)的方式引入新課，更好地吸引學(xué)生的注意力，使課堂具有趣味性，培養(yǎng)學(xué)生的合作探究意識(shí)與提出問(wèn)題的能力；初步向?qū)W生介紹類比思想的作用，并合理地將相關(guān)物理學(xué)史引入課堂，激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探究的欲望。

4.2 呈現(xiàn)史料，定律引入

提出問(wèn)題：我們現(xiàn)在已經(jīng)知道電荷之間具有相互作用，且這一關(guān)系是由庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)的，那么當(dāng)時(shí)只有庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題從而進(jìn)行研究嗎？庫(kù)侖的研究過(guò)程是一帆風(fēng)順的嗎？

教師向?qū)W生簡(jiǎn)要介紹庫(kù)侖定律正式發(fā)現(xiàn)前的歷史過(guò)程，學(xué)生思考討論。

①德國(guó)的科學(xué)院院士愛(ài)皮努斯于1759 年作了相關(guān)研究，他在自己的書中假設(shè)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(gè)猜測(cè)，沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

②萬(wàn)有引力定律確定后，D.伯努利首先猜測(cè)電力會(huì)不會(huì)也跟萬(wàn)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(wàn)有引力服從同一定律，即距離的平方”這一結(jié)論，但他同樣停留在猜測(cè)的階段。

教師提問(wèn)：這兩位科學(xué)家為什么沒(méi)能成功發(fā)現(xiàn)庫(kù)侖定律？

引導(dǎo)學(xué)生明白物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，任何事情都不能紙上談兵。

③羅賓遜在1769 年注意到了愛(ài)皮努斯的猜測(cè)，并進(jìn)行了相關(guān)的杠桿實(shí)驗(yàn)，得出帶電球的作用力正好相當(dāng)于球心之間距離的反平方的結(jié)論，不過(guò)他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅限于同號(hào)電荷的斥力，并且他的相關(guān)論文發(fā)布在庫(kù)侖之后。

④卡文迪什在好友的鼓勵(lì)與支持下，成功地通過(guò)同心球?qū)嶒?yàn)證明了電荷完全分布在導(dǎo)體表面，并確認(rèn)電力服從平方反比定律，指數(shù)偏差不超過(guò)0.02，但他一直沒(méi)有將研究成果進(jìn)行發(fā)表。一直到1785 年由庫(kù)侖正式提出了庫(kù)侖定律，并得到了科學(xué)界的廣泛認(rèn)可。

教師提問(wèn)：這兩位科學(xué)家距離成功近在咫尺，為什么同樣失敗了？

引導(dǎo)學(xué)生以積極的態(tài)度面對(duì)科學(xué)研究中的失敗與遺憾；科學(xué)發(fā)展史上任何一項(xiàng)成果都是經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的失敗才得到的，同時(shí)也要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，科學(xué)研究從來(lái)不是單打獨(dú)斗的過(guò)程，我們也是在前人的基礎(chǔ)上才能得到現(xiàn)有的成就。

由學(xué)生自由討論庫(kù)侖定律的發(fā)展史，并發(fā)表看法。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)相關(guān)歷史的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解庫(kù)侖定律的探索過(guò)程，通過(guò)了解相關(guān)物理學(xué)家的探索過(guò)程和失敗原因，讓學(xué)生明白任何物理定律的得出都不是一蹴而就的，任何規(guī)律的得出都避免不了失敗；在物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中，遺憾同樣是不可避免的；在進(jìn)行科學(xué)探究的過(guò)程中，奮斗精神和合作精神必不可少。庫(kù)侖同樣是站在了巨人的肩膀上并且經(jīng)過(guò)不斷嘗試后，最終得出了庫(kù)侖定律，并在發(fā)表了相關(guān)論文后仍堅(jiān)持研究。讓學(xué)生明白，正因?yàn)橛辛饲拜吅拖热说呐Γ覀儾拍艿玫浆F(xiàn)有的成就，在獲得一定成就后也要繼續(xù)前行。

4.3 演示庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)，生成定律

4.3.1 庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)

教師指導(dǎo)，學(xué)生分組進(jìn)行扭秤實(shí)驗(yàn)。

教師向?qū)W生說(shuō)明：該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)經(jīng)過(guò)改動(dòng)，與庫(kù)侖當(dāng)年所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)并不完全相同。

演示實(shí)驗(yàn)：在細(xì)銀絲的下端懸掛一根絕緣桿，其一端是小球A，另一端通過(guò)物體B 使絕緣棒平衡。將另一個(gè)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(shí)A 受到排斥的力從而遠(yuǎn)離。扭轉(zhuǎn)懸絲，使A 回到初始位置處于平衡狀態(tài)。通過(guò)懸絲扭轉(zhuǎn)的角度可以比較力的大小[5]。

學(xué)生觀察并記錄數(shù)據(jù)：改變兩個(gè)帶電小球之間的距離r，分別記錄相對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)論。結(jié)論：。教師向?qū)W生簡(jiǎn)要描述庫(kù)侖當(dāng)年進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的裝置并與課堂上所用裝置進(jìn)行對(duì)比。

教師提問(wèn)：在無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量物體所帶電荷量的年代，應(yīng)該怎樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？學(xué)生分組討論，思考并回答問(wèn)題。

教師向?qū)W生介紹庫(kù)侖采用的“電荷平分法”：他將帶電荷量為q的小球與另一個(gè)相同的小球接觸后分開(kāi)，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(shí)驗(yàn)使學(xué)生明確：我們處在與庫(kù)侖不同的時(shí)代，所用工具相較于庫(kù)侖而言更加準(zhǔn)確和完備，且我們是在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上是對(duì)已有規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而庫(kù)侖當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件遠(yuǎn)不如現(xiàn)在，加深學(xué)生對(duì)物理學(xué)家的敬佩之情。

4.3.2 庫(kù)侖電扭擺實(shí)驗(yàn)

教師說(shuō)明：庫(kù)侖認(rèn)為電扭秤實(shí)驗(yàn)存在欠缺，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改動(dòng)。

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(duì)一帶電球G，令G 帶正電，圓盤帶負(fù)電，由于電吸引力的作用，圓盤在振蕩時(shí)會(huì)改變周期。測(cè)量距離不同時(shí)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(shí)驗(yàn)”，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在牛頓萬(wàn)有引力定律的啟示下提出的。

通過(guò)改變g和l之間的距離得出不同周期進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的不斷改進(jìn)與修正，實(shí)驗(yàn)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(guān)于電荷間的相互作用力的定量計(jì)算——庫(kù)侖定律正式提出。

教師向?qū)W生介紹定律內(nèi)容。

定律：真空中，兩個(gè)靜止點(diǎn)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(shù)量，k=9×109N.m2/C2

庫(kù)侖定律的適用條件：真空中靜止點(diǎn)電荷。

向?qū)W生介紹點(diǎn)電荷，啟發(fā)學(xué)生思考點(diǎn)電荷與力學(xué)中學(xué)習(xí)過(guò)的質(zhì)點(diǎn)有何相似之處。

教師向?qū)W生介紹理想化模型的具體概念（啟發(fā)學(xué)生：這種情況下牛頓第三定律是否成立呢？為什么？為接下來(lái)的學(xué)習(xí)做鋪墊）。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生能夠自己通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證庫(kù)侖定律，從而培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和實(shí)驗(yàn)探究能力，在小組實(shí)驗(yàn)時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通能力，使學(xué)生明白科學(xué)研究的困難與艱辛，培養(yǎng)正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

5 結(jié)語(yǔ)

物理學(xué)史中包含大量對(duì)物理教育具有積極作用的寶貴素材，對(duì)學(xué)生物理觀念的建立、思維方法的培養(yǎng)、科學(xué)態(tài)度的落實(shí)具有積極作用，從而可以更好地將物理課程的教育任務(wù)落到實(shí)處。

本文基于物理學(xué)史對(duì)“庫(kù)侖定律”一節(jié)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，以庫(kù)侖定律的發(fā)展脈絡(luò)為主體，帶領(lǐng)學(xué)生回顧歷史并進(jìn)行了相關(guān)的探究實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生加深對(duì)庫(kù)侖定律的認(rèn)識(shí)，在探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)習(xí)新的思維方法，掌握探究能力，有助于學(xué)生核心素養(yǎng)的提高。