倪鳳

[摘? ?要]庫(kù)侖定律是人教版教材選修3-1第一章第二節(jié)的內(nèi)容，是電學(xué)發(fā)展史上第一個(gè)定量規(guī)律，是高中物理核心規(guī)律之一。在教材定性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)完善了該定律的“定量實(shí)驗(yàn)”，讓學(xué)生經(jīng)歷問(wèn)題與猜想、收集證據(jù)、交流等探究環(huán)節(jié)，使學(xué)生成為規(guī)律的“發(fā)現(xiàn)者”。同時(shí)，引發(fā)學(xué)生關(guān)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差的思考，幫助學(xué)生樹立實(shí)事求是、追尋真理的科學(xué)信念。

[關(guān)鍵詞]庫(kù)侖定律;定量實(shí)驗(yàn);科學(xué)探究

[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）05-0057-02

一、教材實(shí)驗(yàn)分析

庫(kù)侖定律反映了真空中點(diǎn)電荷之間的相互作用力和電荷量、距離之間的定量關(guān)系，教材中關(guān)于實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容特征為以下兩點(diǎn)。

1.教材回避了定量實(shí)驗(yàn)方案，演示實(shí)驗(yàn)為定性實(shí)驗(yàn)：“探究影響電荷間相互作用力的因素”，如圖1所示。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^看出電荷量越大，相互作用力越大;距離越遠(yuǎn)，相互作用力越小。課本之所以回避了定量實(shí)驗(yàn)，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)難度很大，天氣潮濕程度、實(shí)驗(yàn)材料、器材大小等諸多因素都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有非常大的影響。但是沒(méi)有定量實(shí)驗(yàn)就少了規(guī)律探究步驟中最為核心的環(huán)節(jié)，所以教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要解決的就是“定量實(shí)驗(yàn)”方案，使得規(guī)律不僅僅是課本中的黑體字，而是在科學(xué)探究中“自然生成”的。

2.課本著重介紹了庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)裝置以及在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的困難處理，進(jìn)而給出定量表達(dá)式，其中用“半分法”定量測(cè)量物理量之間的關(guān)系是非常重要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。在定量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也著重介紹和應(yīng)用了該方法，并且讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差”。

二、定量探究設(shè)計(jì)

1.問(wèn)題

由前面的學(xué)習(xí)，我們知道自然界中有兩種電荷：正電荷和負(fù)電荷，且電荷之間存在相互作用力。電荷之間的作用力大小受哪些因素影響？遵循什么規(guī)律？根據(jù)生活現(xiàn)象和熟悉的實(shí)驗(yàn)合理推測(cè)：電荷所帶電荷量q越大，相互作用力F就越大;電荷之間的距離r越大，力F就越小;對(duì)于定量關(guān)系的推測(cè)一定是從最簡(jiǎn)單的關(guān)系開始，可以先假設(shè)F和q成正比，F(xiàn)和r成反比，即F和r的乘積為定值。

2.證據(jù)

（1）組建實(shí)驗(yàn)裝置：實(shí)物圖和示意圖如圖2所示，絕緣細(xì)線一端拴包有錫箔紙的圓柱形小物體，另一端固定在量角器的圓心處，量角器與上方直尺固定相連，這部分裝置架在兩根豎直桿上，且能在水平方向上移動(dòng)。大金屬球固定在絕緣支架上，支架可以在下方的水平木板上移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)讓兩個(gè)金屬物體帶上同種電荷，由于小物體受到排斥力，細(xì)線會(huì)偏離豎直方向一定的角度。

（2）F、r、q的定量測(cè)量。①庫(kù)侖力F的測(cè)量：由小物體的受力分析圖（圖3）可知，當(dāng)小物體重力G一定時(shí)，它所受到的作用力F與[tanθ]成正比，當(dāng)θ很小時(shí)，θ的弧度值與正切值近似相等，所以作用力F與θ成正比，可以用θ的測(cè)量來(lái)替代F的大小。即驗(yàn)證F和r（或r2）成反比，就是驗(yàn)證θ和r（或r2）成反比。②電荷間距離r的測(cè)量：由于小物體所帶的電荷量很少，所以我們近似地認(rèn)為大金屬球所帶的電荷會(huì)在其表面均勻分布，測(cè)量距離r時(shí)，測(cè)量的是球中心位置到小物體的距離。為方便測(cè)量，可以將大金屬球的位置定為“零”刻度線，如圖4所示，那么它們之間的距離可以根據(jù)標(biāo)識(shí)（標(biāo)識(shí)隨著小物體的位置改變而改變，始終保持在小物體的正下方）直接讀數(shù);若根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要大金屬球不在零刻度線上，同樣也可以通過(guò)兩個(gè)刻度測(cè)量距離。③電荷量q的測(cè)量：筆者設(shè)計(jì)了如下的教學(xué)環(huán)節(jié)。

提問(wèn)：在物理定量實(shí)驗(yàn)中，有時(shí)候?qū)Σ环奖銣y(cè)量的物理量可以采用讓其“成倍”增加的方法探究定量關(guān)系，此方法在之前的探究過(guò)程中是否用過(guò)？如何用的？

回答：在探究“做功與動(dòng)能變化”的實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用過(guò)，通過(guò)用不同根數(shù)相同的橡皮筋對(duì)小車做功，得到W1、W2、W3……的變化，看動(dòng)能的增加量。

講解：通過(guò)第一節(jié)課“電荷及其守恒定律”的學(xué)習(xí)，我們知道：將兩個(gè)完全相同的金屬球相碰，電荷量就會(huì)在這兩個(gè)金屬球之間平均分配，那么我們?nèi)绾味扛淖冞@個(gè)大金屬球所帶的電荷量呢？

回答：若讓一個(gè)金屬球帶上一定量的電荷q，再用一個(gè)和它完全一樣但不帶電的金屬球與之相碰，那么q就會(huì)平均分配，使每個(gè)球帶電q/2，放掉一個(gè)金屬球的電荷再次相碰，就可以得到q/4的電量，以此類推，可以得到q/8、q/16……

總結(jié)：這種“半分法”在定量實(shí)驗(yàn)中，常用于不方便測(cè)量的物理量，給成比例定量關(guān)系的測(cè)量帶來(lái)了極大的方便。即驗(yàn)證F和q成正比，就是驗(yàn)證q逐漸減小時(shí)，θ是否成比例減小。

（3）操作實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論：給大金屬球和小物體帶上同種電荷，由于小物體受到排斥力，懸線偏開一定角度;保持大金屬球位置（零刻度線）不動(dòng)，移動(dòng)直尺和量角器，使小物體逐漸靠近大金屬球，將θ與r的數(shù)據(jù)收集在下列表格中，如表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是課堂演示實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，可以看出在保留一位有效數(shù)字的情況下r2·θ更接近定值，即可感受到F與r2成反比。接下來(lái)觀察電荷量變?yōu)閝、q/2、q/4、q/8時(shí)偏角的大小，可以較為明顯地看到偏角減半的變化，記錄數(shù)據(jù)于表2中。

3.交流

定量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)雖然有偏差，但是課堂上有限的探究已經(jīng)使我們能感受到電荷之間的F與r2成反比、與電荷量q成正比，即可得出庫(kù)侖定律。那么科學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是不是就是完美契合的呢？如表3所示。關(guān)于實(shí)驗(yàn)偏差，筆者設(shè)計(jì)了如下教學(xué)環(huán)節(jié)。

提問(wèn)：數(shù)據(jù)并不完美，那科學(xué)家為什么還堅(jiān)定地認(rèn)為這個(gè)“距離平方反比”的結(jié)論一定成立呢？

學(xué)生自主討論，并提出觀點(diǎn)：（1）偏差越來(lái)越小，從發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，隨著條件的“理想化”，測(cè)量工具的“精確化”，或許這個(gè)偏差越來(lái)越接近零，直至沒(méi)有。（2）人們始終相信自然界中的規(guī)律是簡(jiǎn)單、統(tǒng)一的，在庫(kù)侖定律之前萬(wàn)有引力定律已經(jīng)發(fā)表，并被人們廣泛認(rèn)可，那么從萬(wàn)有引力和靜電力的相似性來(lái)看，這個(gè)結(jié)論一定成立。（3）也許這個(gè)偏差不會(huì)否定庫(kù)侖定律，但是說(shuō)不定有什么別的原因，這個(gè)原因會(huì)不會(huì)是另一個(gè)發(fā)現(xiàn)呢？

三、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)與反思

1.注意事項(xiàng)：首先，根據(jù)控制變量法在探究F和q之間關(guān)系時(shí)需要保持r一定，當(dāng)電荷量逐漸減半，細(xì)線偏角已經(jīng)減小，此時(shí)需要調(diào)節(jié)（增大）兩個(gè)帶電體之間的距離，保證與第一次實(shí)驗(yàn)的距離r一致，方可讀出此時(shí)θ的數(shù)值。其次，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于所處地域濕度較大，太陽(yáng)燈最好一直處于打開狀態(tài)，且可以用打火機(jī)加熱或砂紙輕輕摩擦的方式減少大金屬球上的“毛刺”，減少電荷損失。最后，實(shí)驗(yàn)時(shí)間不宜太久，以減少電荷量損失所帶來(lái)的影響，所以請(qǐng)學(xué)生在讀數(shù)之前要熟悉刻度，做到精準(zhǔn)讀數(shù)，以利實(shí)驗(yàn)順利完成。

2.反思：首先，定量實(shí)驗(yàn)是探究庫(kù)侖規(guī)律的核心，盡可能創(chuàng)造條件做一個(gè)引導(dǎo)者，帶著學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)較為完整的探究過(guò)程，這樣課堂教學(xué)才能讓學(xué)生也成為“發(fā)現(xiàn)者”。在發(fā)現(xiàn)規(guī)律的同時(shí)通過(guò)運(yùn)用控制變量法、轉(zhuǎn)換法及合理的數(shù)學(xué)運(yùn)算……培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”能力。其次，探究的“交流”環(huán)節(jié)是不可或缺的，學(xué)生的回答與科學(xué)家的做法不謀而合，時(shí)隔多年后，現(xiàn)在又有科學(xué)家在關(guān)注庫(kù)侖定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對(duì)偏差進(jìn)行分析。這樣的環(huán)節(jié)讓學(xué)生對(duì)科學(xué)家除了欽佩之外，還有些許共鳴，甚至產(chǎn)生“如果有機(jī)會(huì)，我也可以成為發(fā)現(xiàn)者”的念頭。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 王華，張健，李春密. 滲透物理學(xué)史，促進(jìn)規(guī)律建構(gòu)：以“庫(kù)侖定律”為例兼談物理定律教學(xué)[J].物理教師，2017（7）：9-11.

[2]? 吳慎勇. 借助問(wèn)題情境促進(jìn)高中物理規(guī)律教學(xué)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（4）：24.

[3]? 王慧，邢紅軍，陳清梅.庫(kù)侖定律教學(xué)的高端備課[J].物理通報(bào)，2014（5）：49-52.

（責(zé)任編輯 易志毅）