追溯电荷的本源 探究科学的本质

黄皓燕

(南京市金陵中学，江苏 南京 210000)

·教材与教法·

追溯电荷的本源探究科学的本质

黄皓燕

(南京市金陵中学，江苏 南京 210000)

“电荷及其守恒定律”的教学,可以通过人类对电荷研究的物理学史的介绍,带领学生们跟随科学家的脚步,探究起电的本质,通过设置引导科学本质的问题,与历史对话,增强学生们的科学本质观.可以将生活、科技引进课堂.让学生亲自体验探究,培养学生的科学精神,激发学生服务社会的责任感.整节课通过问题串的形式,引领学生们有效探究电荷的本质.

科学本质; 教学设计; 电荷

1 问题的提出

“电荷及其守恒定律”是高中选修3-1的第1节内容.关于静电现象方面的知识,初中已有介绍,高中更侧重从物质微观结构的角度认识物体带电的本质.目前比较一般的教学设计是以问题引导以及实验,通过摩擦起电、感应起电实验,让学生观察实验现象,解释实验现象,使学生理解物体带电的本质——电子发生转移,进而得到电荷守恒定律.

一般设计流程如下:

物理学史引入课题→介绍电荷→3种起电方式-分析起电的本质→电荷守恒定律→元电荷.

这样的设计,强调了3种起电方式:摩擦起电、接触起电、感应起电,重视了对电荷带电本质的探究与理解——得失电子,进而得出电荷守恒定律.然而这样的设计,物理学史只是作为课题的引入,没有让学生领略人类对电荷认识探究的过程,更没有能充分利用物理学史及本节课的内容,有效培养学生的科学本质观.

2 科学本质

科学的本质是什么?随着时代的发展,人们对于科学本质观的理解与解释也在不断地发生变化,至今教育界对其也没有统一的定义.

科学本质是科学素养的核心组成部分,对科学本质的认识包括科学知识的本质、科学探究的本质以及科学事业的本质3个方面.

(1) 科学知识的本质.世界可以被认识,科学观点会变化,科学知识具有相对长久性,科学不能解决所有问题.

(2) 科学探究的本质.科学需要证据,科学是逻辑和想象的结合,科学具有解释和预见能力;科学家努力鉴别和避免偏见,需要保存精确的记录,以供同行评议和重复实验,在观察中承载理论;科学不仰仗权威.

(3) 科学事业的本质.科学是一项复杂的社会活动;科学由学科内容组成,由不同机构研究;来自各个文化的人们都对科学有贡献,科学是社会及文化传统的一部分,科学和技术、社会相互影响.科学研究中有普遍被接受的道德规范;科学家在参与公共事务时,既是科学家又是公民.

科学教育的重要目标是提高学生的科学素养,而科学素养的一个重要组成部分是对科学本质的理解,2017版的《普通高中物理课程标准》已将科学本质列为物理的核心素养,因此,科学本质观教育在物理教育中具有重要的意义和价值.

3 融入科学本质观的教学设计建议

3.1 跟随科学家的脚步,探究摩擦起电

起电方式1:摩擦起电.

物理学史1:公元前6世纪左右,古希腊泰勒斯发现了摩擦过的琥珀吸引轻小物体.

物理学史2:公元1世纪,东汉学者王充在《论衡》中写下“顿牟掇芥”,指的是玳瑁的壳吸引轻小的物体.

物理学史3:公元1600 年,英国医生吉尔伯特(1544—1603)发现用摩擦的方法可以使玻璃棒、硫磺、瓷、松香等物体具有吸引轻小物体的性质.他把这种吸引力称为“电力”.他创造了电“electricity”.认为摩擦过的琥珀带有电荷(electric charge).

之后的研究发现,电荷只有两种:用丝绸摩擦过的玻璃棒,用毛皮摩擦过的硬橡胶棒.其他所有的电荷,都与这两种电荷相吸或相斥,这两种电荷相互吸引.18世纪富兰克林将用丝绸摩擦过的玻璃棒带的电荷命名为正电荷、用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带电荷命名为负电荷.

问题1:摩擦真的可以起电吗?

学生:能起电,初中我们学过.

学生:可能吧,因为科学家们这么认为.

……

对这样一个问题学生往往会比较困惑,因为,他们认为这是理所当然的事.教师为什么会这么问.可见我们的学生不一定能正确认识科学知识的可重复验证性,实证意识也不强.

师:我们可以论证吗?

实际做一下:在相同条件下,科学知识可以被重复验证.科学探究要有实证意识.与学生一起进行下列活动.

活动1:请学生演示丝绸摩擦玻璃棒.说明摩擦起电.

活动2:小风扇旋转摩擦小泡沫球.说明通过与丝绸摩擦过的玻璃棒带正电可以检验其他带电体所带的电性.

活动3:静电贴.说明摩擦后的电荷可以中和.

体现的科学本质观:

(1) 科学知识的可重复性:在相同条件下,科学知识可以被重复验证.科学知识需要观察或实验的论证.

(2) 科学是一种探究,科学探究需要质疑、观察、提出问题、实验、总结.

(3) 科学知识是人们对自然界的意义建构.

3.2 角色变换,与历史对话

在对摩擦起电进行历史回顾及完成上面3个摩擦起电的活动后,与学生开展下列对话.

对话1:请同学们猜想一下,18世纪的学者是如何解释这些现象的?

学生:电荷是创造出来的?

学生:物体摩擦后带电,合在一起,电被中和.说明物体通过摩擦,正负电被分开了.

学生:不知道.

……

我们来看看当时的科学家提出的部分假说.

物理学史4:法国科学家杜菲:提出“双电流质说”.富兰克林提出了著名的电荷守恒定律.

师:这些学说,是当时的科学家提出的比较有代表性的对带电本质的假说,同学们觉得有道理吗?

学生:有道理,因为它能解释摩擦起电现象.

学生:没有道理,因为物体内没有正电流质和负电流质.

……

教师:今天,我们知道物体带电的本质是什么?

学生:组成物质的原子由原子核和电子组成,核外电子带负电,原子核带正电.所以我们知道所谓的正电流质指的就是原子核带正电,所谓的负电流质指的就是核外带负电的电子.

物理学史5:1897年,汤姆逊发现了电子.1911年,卢瑟福提出了原子的核式结构.

明示:18世纪的科学家,在当时社会文化条件下,进行着对带电现象的探究,他们根据观察到的现象,提出了正负电荷、发现了电荷间的作用,提出了对电的本质的假说.现在看来,当时的假说显然是不完善的.所以说,人类对电荷本质的认识经历了循序渐进、不断探索的过程.

体现的科学本质观:

(1) 科学知识的暂时性、客观性、发展性.

(2) 学习科学家实证的科学态度及对科学不断探索的科学精神.

(3) 领悟科学研究的曲折性和创新性.

对话2:富兰克林提出著名的“电荷守恒定律”正确吗?

下面的学习,我们一起来观察,一起思考,然后来回答这个问题.

在学习了接触起电、感应起电及其起电本质后,学生自然得出“电荷守恒定律”.

教师:现代物理研究已经发现,光子可以生成一对正负电子,一对正负电子可以湮灭为光子,光子是不带电的，如图1所示.请同学们分析电荷守恒定律还成立吗?

学生:依然满足电荷守恒定律.因为电荷的总量并没有发生变化.

图1

由此可以得出电荷守恒定律的另一种表达形式:一个与外界没有电荷交换的系统,电荷的代数和总是保持不变的.

教师:随着时代的发展,电荷守恒定律是否可能不成立?

学生:不会.

学生:有可能.只要有实验现象证实电荷不守恒.否则,电荷守恒定律就是成立的.

体现的科学本质观:

(1) 科学知识需要观察或实验证据的论证.

(2) 科学知识是人们在一定范围和一定条件下对自然事物合乎逻辑的意义建构.

(3) 随着时代的发展科学知识会不断完善.

物理学史是人类对自然界各种物理现象的认识史,是人类发展史中一笔巨大的精神财富,也是科学本质教育的重要资源.重视物理学史教育,把物理学的知识、物理规律、典型事例、物理学探究过程融入物理教学之中,是科学本质显性化教学的重要途径.

3.3 体验探究,将生活、科技引进课堂

让学生在熟悉的生活现象中去探究规律,可以培养学生的学习兴趣.将科技引进课堂,可以培养学生的科学精神,激发学生服务社会的责任感.将生活、科技引进课堂可以让学生认识科学是社会及文化的一部分.科学和技术、社会相互影响.

体验活动1:请学生演示丝绸摩擦玻璃棒.说明摩擦起电.

教师在前面演示,同时请学生们自己用笔摩擦自己的头发,看是否能吸引小纸屑.

图2

体验活动2:如图2,将一塑料薄杯子倒扣在绝缘支柱上,里面有小风扇、较多的泡沫小球.教师启动小风扇,请学生仔细观察.

(1) 泡沫球带电吗?

(2) 如果带电,你可以判断泡沫小球所带电的电性吗?

学生:风扇与小泡沫球摩擦,所以小泡沫球应该带电.我可以将小泡沫球靠近小纸屑,发现它吸引小纸屑.说明小泡沫球带电,但我无法判断它带什么电.

学生:如果给我丝绸和玻璃棒,我可以判断.

学生演示用摩擦过的玻璃棒靠近小泡沫球,小泡沫球被排斥,说明小泡沫球带正电.

图3

体验活动3:静电贴.

请学生自己根据要求完成下列实验,并观察思考:

(1) 静电贴带电吗?

(2) 分开的静电贴带电吗?

(3) 将分开的静电垫贴再合上,还带电吗?

学生自己动手完成实验,亲自感受摩擦起电,及电荷的中和.可重复多次.

静电贴依靠静电粘贴在平滑的表面上的,主要贴在电器和机电产品上,其特点是环保卫生,而且撕下来还可以再贴上去,粘性不减,现在大多数的家电厂家都采用这种材料取代不干胶标贴.

图4

体验活动4:小球为什么会来回运动?

如图4,绝缘玻璃管内有一个小的有锡纸包裹的小球,将玻璃管放置于静电起电机的两个球形电极间,稍微有一点倾角,玻璃管的内径略大于两电极的半径.

向学生介绍起电机的原理,摇动静电起电机的手柄,可以看到小锡纸球在来回运动.

请学生描述观察到的现象.

教师:小球为什么会来回运动?

学生:静电起电机的两个电极带较多的正负电荷,小球与其中一个接触带上同种电荷后,被排斥,运动到另一电极时与该电极所带电荷中和,再带上与该电极同性的电荷,被排斥.如此,小球会来回运动.

这是一个改进的实验,有效地展示了接触带电,学生就比较容易理解小球在搬运电荷.实验现象生动,学生非常感兴趣.

体验活动5:感应起电(课本实验,略).

3.4 问题引领,探究电荷的本质

本节课的设置,通过问题串的形式,推动内容的展开,并将整个知识模块串联起来形成有机整体.

问题1:摩擦真的能起电吗?

引出学生对摩擦起电的实证研究.

问题2:用什么仪器能检验一个物体是否带电?

引出验电器和静电计.

问题3:验电器(静电计)为什么选择金属杆?

引出绝缘体和导体.

问题4:把带电体移近不带电的导体,可以使导体带电吗?

引出静电感应及感应起电.

科学的本质是质疑、是探究、是实证、是好奇……通过问题的设置,层层递进地研究带电的本质,可以引发学生的好奇,可以引领他们思考,可以引导他们探究.

结语:重视科学本质教育,可以充分利用物理学史、重视科学探究、将生活科技引进课堂.同时设置引导科学本质观培养的问题,与同学开展关于科学本质观问题的讨论.

1 梁玮.中美课程标准中科学本质观教育的比较研究[J].教学研究,2015,38(1):112-116.

2 李雪林.物理教学要体现科学探究的本质[J].物理教师,2016,37(12):9-11.

本文系江苏省教育科学规划“十二五”重点自筹课题“基于科学本质教育的高中物理教学设计的实践研究”(课题编号:B-b/2013/02/326)的研究成果之一.

2017-08-11)