對(duì)優(yōu)生開展“溯源”教學(xué)的研究

摘 要：對(duì)高中學(xué)段中資質(zhì)較優(yōu)的學(xué)生開展“溯源”教學(xué)是必要且可行的。以對(duì)“電荷及庫(kù)侖定律”的“溯源”補(bǔ)充教學(xué)為例，通過(guò)融入物理學(xué)史的方式，將電荷守恒定律及庫(kù)侖定律的建立過(guò)程呈現(xiàn)于課堂，增強(qiáng)教學(xué)的趣味性，引起學(xué)生的深度思考，實(shí)現(xiàn)更有效的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：“溯源”教學(xué)；電荷守恒定律；庫(kù)侖定律；物理學(xué)史；趣味性；科學(xué)思想

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）11-0010-3

古代漢語(yǔ)詞典，對(duì)“溯”的解釋是：逆流而上，意喻向上推求；對(duì)“源”的解釋是：水流始出的地方，意喻來(lái)源、根源，也有探求之意。在高中物理課堂進(jìn)行“溯源”這一環(huán)節(jié)的教學(xué)，實(shí)際是要引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念或物理定律的過(guò)程中，“追溯”其發(fā)展之“源”，了解相關(guān)的發(fā)展歷程，在時(shí)空上更立體地形成正確的物理觀念。

１ 對(duì)優(yōu)生開展“溯源”教學(xué)

對(duì)優(yōu)生開展“溯源”教學(xué)是必要的。高中學(xué)段中資質(zhì)較優(yōu)的學(xué)生，在常規(guī)課堂中往往會(huì)面臨著“吃不飽”的情況。有時(shí)教師在講課時(shí)，部分優(yōu)生干脆自已看資料，不是他們不想聽講，而是因?yàn)榻處熤v的內(nèi)容，他們?cè)谡n前已經(jīng)自習(xí)過(guò)了。若此時(shí)教師還是按部就班地照本宣科，學(xué)生會(huì)感到索然無(wú)趣。因此，教師必須思索將什么樣的“素材”融入教學(xué)設(shè)計(jì)，展現(xiàn)于課堂，才能讓這群優(yōu)生“解渴”，讓他們有一種獲得感。

對(duì)優(yōu)生開展“溯源”教學(xué)是可行的。對(duì)優(yōu)生開展概念或定律的“溯源”教學(xué)，是一種較好的能提高優(yōu)生聽課興趣的教學(xué)模式。首先，任何一個(gè)物理概念或物理定律的建立，都會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)而艱辛的歷程。現(xiàn)在我們能讀到的許多經(jīng)得住考驗(yàn)且表述簡(jiǎn)潔的定律，其中必定包含著許多科學(xué)的研究方法、理性的思維方式及偉大的科學(xué)家精神，而這些毫無(wú)疑問(wèn)是物理學(xué)中最寶貴的東西，也是教師在物理教學(xué)中的寶貴教學(xué)資源。

２ 高中物理“溯源”教學(xué)案例研究

下面以對(duì)“電荷及庫(kù)侖定律”的“溯源”教學(xué)為例，在立足于課本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過(guò)融入物理學(xué)史的方式，將電荷守恒定律及庫(kù)侖定律的建立過(guò)程補(bǔ)充呈現(xiàn)于課堂，增強(qiáng)教學(xué)的趣味性，同時(shí)引起學(xué)生的深度思考。

２．１ 拓展電荷守恒定律

２．１．１ 高中課本的表述

在高中物理必修第三冊(cè)（人教版）對(duì)“電荷守恒定律”（ｌａｗ ｏｆ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）是這樣表述的：“電荷既不會(huì)創(chuàng)生，也不會(huì)消滅，它只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分；在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，電荷的總量保持不變”，這個(gè)結(jié)論叫作電荷守恒定律。

在這條定律提出之前，課本先呈現(xiàn)出“摩擦起電”和“感應(yīng)起電”，并舉了相應(yīng)的例子，再總結(jié)性地提到：“無(wú)論是摩擦起電，還是感應(yīng)起電，都沒(méi)有創(chuàng)造電荷，只是電荷的分布發(fā)生了變化而已”，最后提出了“電荷守恒定律”。

２．１．２ “溯源”教學(xué)

拓展一：電荷既不會(huì)創(chuàng)生，也不會(huì)消滅。

課本是基于“摩擦起電”和“感應(yīng)起電”都沒(méi)有創(chuàng)造電荷，從而提出：電荷既不會(huì)創(chuàng)生，也不會(huì)消滅。但事實(shí)是否如此呢？

從１７４６年起，富蘭克林（美）利用當(dāng)時(shí)的菜頓瓶做了一系列的實(shí)驗(yàn)，菜頓瓶在加電之后，其所有的電火要素總量不比在加電之前多，而放電之后所具有的電火要素總量也不比放電之前少［１］，這就是后世人所稱的“電荷守恒定律”。

而在現(xiàn)代物理學(xué)研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，粒子在相互作用過(guò)程中，電荷可以產(chǎn)生，也可以消失。例如，一個(gè)高能量的光子碰撞一個(gè)重原子核時(shí)，該光子可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)帶正電的正電子和一個(gè)帶負(fù)電的負(fù)電子，這也稱為電子對(duì)的“產(chǎn)生”；而當(dāng)兩個(gè)正、負(fù)電子在一定條件下相遇時(shí)，又會(huì)同時(shí)消失而產(chǎn)生光子，這也稱為電子對(duì)的“湮滅”。

１９２９年，中國(guó)核物理的開拓者趙忠堯先生在美國(guó)加州理工學(xué)院做研究工作時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中觀察到硬γ射線在鉛中引起的一種不同尋常的輻射，這正是由正負(fù)電子湮沒(méi)產(chǎn)生的γ射線，這是人類在歷史上首個(gè)能直接觀測(cè)到直接由反物質(zhì)產(chǎn)生和湮沒(méi)所造成的現(xiàn)象的物理實(shí)驗(yàn)［２］。

１９３０年５月間，趙忠堯、英國(guó)的塔蘭特和德國(guó)的霍普費(fèi)爾特，在他們彼此獨(dú)立的論文中提出了各自的發(fā)現(xiàn)，即發(fā)現(xiàn)了釷Ｃ的能量有百萬(wàn)電子伏特的射線被重元素的“反常吸收”。這是對(duì)電子對(duì)產(chǎn)生過(guò)程最早的觀測(cè)［３］。

所以，隨著科學(xué)研究的深入，逐漸發(fā)現(xiàn)電荷會(huì)以另一種方式創(chuàng)生或湮沒(méi)。

拓展二：兩金屬小球接觸后的電量分配。

課本提到：如果使一個(gè)帶電的金屬小球與另一個(gè)不帶電的完全相同的金屬小球接觸，電量“分給后者一半”，這里的“完全相同的金屬小球”指大小和材料均要相同。小球大小相同，即半徑相同。由于兩金屬球相碰后形成一組等勢(shì)體，半徑為Ｒ且?guī)щ娏繛椋竦男∏螂妱?shì)為U=，即q=4πεRU，q∝R，所以當(dāng)兩個(gè)孤立金屬球等勢(shì)體Ｒ相同時(shí)，=，才有可能出現(xiàn)電荷相等；另外，若是兩種不同的金屬接觸瞬間，兩者之間會(huì)產(chǎn)生電位差，這就是所謂的“接觸電位差”［４］，此時(shí)內(nèi)部的平穩(wěn)會(huì)被破壞，會(huì)迫使電荷發(fā)生移動(dòng)，從而影響到電量的分配，所以要求材料相同。

拓展三：對(duì)于守恒思想的思考。

世界上沒(méi)有任何一種物質(zhì)、一種定律是永恒不變的；每一件事物都處在永恒的動(dòng)態(tài)發(fā)展之中。１９５６年，李政道和楊振寧提出了宇稱不守恒，顛覆了大眾之前對(duì)“守恒”的認(rèn)知，說(shuō)明某些守恒定律在強(qiáng)相互作用領(lǐng)域內(nèi)是成立的，而在弱相互作用領(lǐng)域內(nèi)是不成立的。

電荷守恒定律描述的是：對(duì)于某個(gè)（已確定邊界）系統(tǒng)，如果沒(méi)有凈電荷出入其邊界，那么該系統(tǒng)的正、負(fù)電荷的代數(shù)和保持不變。

２．２ 拓展研究庫(kù)侖定律

２．２．１ 高中課本的表述

英國(guó)科學(xué)家卡文迪許和普里斯特利等人都堅(jiān)信“平方反比”規(guī)律適用于電荷間的力，但是最終解決這一問(wèn)題的卻是法國(guó)科學(xué)家?guī)靵觥ＫO(shè)計(jì)了一個(gè)十分精妙的實(shí)驗(yàn)——扭秤實(shí)驗(yàn)，以便研究電荷之間的作用力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，并總結(jié)出真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力大小，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，而作用力的方向則在它們的連線上。后人把這個(gè)規(guī)律叫作庫(kù)侖定律（Ｃｏｕｌｏｍｂ’ｓ ｌａｗ）。

２．２．２ “溯源”教學(xué)

拓展一：科學(xué)思想的傳承。

因受到牛頓引力理論的影響，１８世紀(jì)電磁學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家普遍將牛頓提出的引力定律（或超距作用）的哲學(xué)觀點(diǎn)用于電磁學(xué)（類比法）。第一個(gè)提出電作用力與距離平方成反比的是英國(guó)科學(xué)家普里斯特利（Ｊ·Ｐｒｉｅｓｔｌｅｙ，１７３３—１８０４），普里斯特利把這一研究成果寫入《電學(xué)的歷史和現(xiàn)狀》（１７６７年）。當(dāng)然，由于普里斯特利的結(jié)論僅是推測(cè)（或者說(shuō)是預(yù)言），并沒(méi)有明確地進(jìn)行論證，所以在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注。１７７２年，卡文迪許（Ｈｅｎｒｙ Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ）以實(shí)驗(yàn)方式證明靜電學(xué)的平方反比定律的真實(shí)性，但未公布于世，直到一個(gè)世紀(jì)后，他的手稿才被發(fā)現(xiàn)［５］。據(jù)民國(guó)科學(xué)史籍《科學(xué)發(fā)達(dá)略史》記載：“愷文迭喜（Ｈｅｎｒｙ Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ）視名利如敝屣，于算術(shù)物理，造詣獨(dú)深，日以窮理試驗(yàn)為事，寢所其實(shí)驗(yàn)室也，樓謝其天文臺(tái)也，所貢獻(xiàn)于科學(xué)界者甚鉅，惟孤僻性成，研究所得，亦秘藏唯謹(jǐn)，未肯輕易未人；其不甚知名于世者。”［６］

拓展二：歷史上的扭秤實(shí)驗(yàn)。

物理學(xué)史上，較著名的扭秤實(shí)驗(yàn)有：米歇爾（Ｊｏｈｎ Ｍｉｃｈｅｌｌｅ）扭秤實(shí)驗(yàn)、卡文迪許（Ｈｅｎｒｙ Ｃａｖｅｎ-

ｄｉｓｈ）扭秤實(shí)驗(yàn)、庫(kù)侖（Ｃｈａｒｌｅｓ Ａｕｇｕｓｔｉｎ ｄｅ Ｃｏｕｌｏｍｂ）扭秤實(shí)驗(yàn)。三位科學(xué)家?guī)p峰期同處一個(gè)年代。據(jù)民國(guó)科學(xué)史籍《科學(xué)概論》記載：“卡汾狄什（Ｈｅｎｒｙ Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ）首創(chuàng)扭秤以測(cè)萬(wàn)有引力常數(shù)Ｇ之值”，也是公認(rèn)的測(cè)量地球質(zhì)量的第一人。

科學(xué)史上的扭秤實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)如表1所示，三位科學(xué)家?guī)p峰期同處一個(gè)年代。

拓展三：對(duì)兩帶電小球間相互作用力的理解。

設(shè)計(jì)問(wèn)題：將兩個(gè)均勻帶電的小球固定在氣墊導(dǎo)軌的支架上（忽略支架與導(dǎo)軌間的摩擦）。若第二個(gè)球的電荷量是第一個(gè)球電荷量的三倍，那么，圖1中哪個(gè)圖能正確地表示這兩個(gè)小球之間的庫(kù)侖力的大小和方向？

設(shè)計(jì)意圖：直性地表征一對(duì)庫(kù)侖力的關(guān)系。Ａ和Ｂ 兩個(gè)選項(xiàng)考查學(xué)生是否理解“同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引”這一性質(zhì)，當(dāng)然，大部分學(xué)生應(yīng)該能理解；Ｃ 、Ｄ和E選項(xiàng)的設(shè)計(jì)，是考查深入理解庫(kù)侖定律，兩個(gè)帶電小球各自受到的庫(kù)侖力大小是否相同，是否會(huì)被各自所帶電荷量的多少影響；而Ｆ選項(xiàng)是考查“力是成對(duì)出現(xiàn)的”，無(wú)論在重力場(chǎng)，還是電場(chǎng)或磁場(chǎng)。

３ 教學(xué)后記

物理學(xué)史體現(xiàn)了人類探索和認(rèn)識(shí)世界的歷程，從觀察現(xiàn)象、分析特性、總結(jié)規(guī)律到認(rèn)識(shí)本質(zhì)的過(guò)程。它蘊(yùn)含著科學(xué)探索者們的思索、創(chuàng)造與艱辛奮斗等豐富的“教育元素”［８］。利用好這些“教育元素”對(duì)優(yōu)生開展“溯源”教學(xué)，是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，以上內(nèi)容并沒(méi)有脫離教材，而是立足于教材基礎(chǔ)上做的一個(gè)拓展性的補(bǔ)充。盡管會(huì)占用一些“刷題”的時(shí)間，但卻是發(fā)展學(xué)生思維的過(guò)程，因此，需要教師在備課中廣擷教學(xué)資源并融于課堂，實(shí)際就是豐富了這一思維的內(nèi)涵，讓教學(xué)更具時(shí)空觀與立體感，因此對(duì)優(yōu)生開展“溯源”教學(xué)更有利于學(xué)生的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［１］吳有訓(xùn)．富蘭克林的生平和他在科學(xué)上的貢獻(xiàn)［Ｊ］．科學(xué)通報(bào)，１９５６（１２）：９－１１．

［２］李政道．在趙忠堯誕辰１２０周年紀(jì)念大會(huì)上的發(fā)言［Ｊ］．現(xiàn)代物理知識(shí)，２０２２，３４（６）：３－４．

［３］李炳安，楊振寧，鄭志鵬，等．趙忠堯：電子對(duì)產(chǎn)生與湮滅［Ｊ］．大學(xué)物理，１９９１，10（２）：１－５，１８．

［４］方武增．師之解惑與因材施教——以“庫(kù)侖的實(shí)驗(yàn)”內(nèi)容的拓展為例［Ｊ］．中學(xué)物理教學(xué)參考，２０２０，４９（９）：１４－１５．

［５］王云五．中山自然科學(xué)大辭典（物理學(xué)）［Ｍ］．臺(tái)北：臺(tái)灣商務(wù)印書館，１９７２：５２．

［６］張子高，周邦道．科學(xué)發(fā)達(dá)略史［Ｍ］．上海：中華書局，１９２３.

［７］Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ，Ｈ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｃ ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｅａｒｔｈ［Ｊ］． Ｐｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒｏｙ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ，１７９８（８８）：４６９－４７９．

［８］方武增．發(fā)揮物理學(xué)史的思政功能提升物理學(xué)育人價(jià)值——以對(duì)中學(xué)課程中伽利略事跡的教學(xué)為例［Ｊ］．物理通報(bào)，２０２３（１０）：７１－７６．（欄目編輯 趙保鋼）