物理学史融入库仑定律的教学研究

彭博 张勇廷 苏艳涛

摘 要：物理学是以实验为基础的学科。任何一个物理概念的建立和物理规律的发现，都来源于物理实验和对自然现象的观察研究。任何一个物理概念、物理量，我们除了要阐明它的物理意义，还要能提供测量它的准确、可行的方法。物理学史中，库仑对于库仑扭秤的研究方法对探究库仑定律的教学有着重要意义。

关键词：库仑定律;库仑扭秤

1 传统的库仑定律教学设计分析

1）简单复习使物体带电的方法：摩擦起电、接触带电、感应起电。

2）点电荷的模型指带电体本身的大小比起它到其他带电体的距离小得多。

3）探究静电力实验装置如图1所示，其中A是一个固定摆放的绝缘带电导体小球，B，C是用绝缘细线悬挂着的两个相同的带电轻质导体小球。

①研究相互作用力F与距离r的关系

使A，B，C带同种电荷，且B，C的电荷量相等，观察B，C的偏角，思考r增大时，F的大小如何变化。

结论：r增大时，偏角变小，F变小。

②研究相互作用力F与电荷量的关系

保持A，B的距离r不变，观察B的偏角，思考当B球带的电荷量减小时，F的大小如何变化。

结论：B球带的电荷量减小时，偏角变小，F变小。

4）库仑定律。法国物理学家库仑用实验研究了电荷之间的相互作用，总结出了如下规律，人们把这一规律称为库仑定律。

式中k为静电力常量，k=9.0×109N·m2/C2。例题设计：利用库仑定律计算氢原子中质子和电子之间的静电力，利用万有引力定律计算氢原子中质子和电子之间的万有引力，比较静电力和万有引力的大小。

5）此教学设计存在的问题。（1）高中物理实验中成功率最低的是静电实验，与天气和绝缘情况等因素有很大关系。即使此探究实验能成功也只片面地得到r增大时，F变小，B球带的电荷量减小时，F变小的定性结论，不可能得到库仑定律的表达式。（2）没有再现库仑在当时的科学技术条件下，探究的逻辑思维过程和采用的科学方法，以及实验方案的设计和库仑的创新之处。

2 物理学史融入库仑定律的教学设计

2.1 探究静电力

问题1：静电力与我们过去学过的哪种力比较类似？由于弹力和摩擦力是接触力，在教师引导下学生很容易得到静电力与重力（万有引力）相似。

问题2：万有引力常量是用什么精密仪器精确测量得到的？学生经过回忆后很容易得到是卡文迪许利用放大法原理，使用卡文迪许扭秤测出来的。

教师总结：在库仑所处的时代牛顿力学已经建立，卡文迪许用他自己制作的精密仪器扭秤测得了非常小的量 ——万有引力常量。库仑正是应用类比法，模仿卡文迪许扭秤制成庫仑扭秤来研究静电力。

问题3：我们利用使物体带电的哪一种方法改变带电体的电荷量最方便？

学生经过分组讨论后很容易得到，采用接触带电的方法改变带电体的电荷量最方便。

问题4：我们怎样才能得到两个电荷量相等的带电体？查阅物理学史，了解库仑当时的具体做法。

在库仑时代，人们还不知道通过接触起电可以得到两个电荷量相等的带电体，这正是库仑的创新之处。如果我们不能得到两个电荷量相等的带电体，那么我们发现库仑定律的逻辑思维链将中断.在这里库仑作了一个科学合理的假设：如果让一个带电荷量为q的导体球与另一个不带电的相同导体球相互接触，分开后它们将平分原来带电导体球所带的电荷量，两球所带的电荷量均为，若再与另一个不带电

的相同导体球相互接触，两球所带的电荷量将均为，这样就可以使带电的导体球所带的电荷量不断减半。

教师总结：库仑这种思想方法有效的解决了电荷量平分的问题，且简单有效，这正是库仑发现库仑定律的关键。

3 课堂流程总结

师生如果要共同探析库仑定律涉及的深层次内涵，则应当把关注点转向与电荷作用力有关的影响要素。在必要时，还可以运用控制变量法对此予以深入探析。针对点电荷而言，应当能够适用教学渗透的措施，对于同学们自身具备的抽象思维进行全方位的激发，通过建模来简化当前现有的物理学科难题。对于培养学生学科价值理念以及情感态度而言，师生应当致力于深入探究自然规律，在对比万有引力与静电力这两类作用力的前提下培育更高层次的科学态度。具体而言，库仑定律教学通常涉及如下流程，首先是预备必要的实验器材。在本课节中，教学器材应当包含铁架台、投影仪与电脑、玻璃棒、小球、丝绸以及细线等物品。通过开展多层次的启发教学、类比教学以及实验探究，对于学生现有的课堂体会应当能够予以全面深化，在此前提下学会精确判定点电荷处于真空状态时电荷之间的相互作用力。

其次是新课的导入，在真正进入该课节的讲授之前，教师需要与同学们共同温习当前现有的物理知识。通过课前导入可知，自然界应当存在负电荷和正电荷这两类不同电荷。但是截至目前，同学们对于上述二者表现出来的相互作用力的了解并不透彻。此外，课前导入还会涉及趣味性的物理实验，借助课堂演示来推动整个课堂流程。例如，教师对此可以设置“验电羽毛”或者 “怒发冲冠”的导入实验，以便于激发学生浓厚的学习兴趣。最后是师生共同探究，学习库仑定律不能缺少师生在课堂上的相互配合，与传统模式的课堂讲授相比，建立于师生协作前提下的定律教学具备更加明显的趣味性与实效性。在师生紧密配合的同时，将库仑研究库仑定律的材料融入课堂，使同学们真切的体会到库仑实验研究方法的价值所在。

4 结束语

学生在教师问题引导下积极思考，通过实验演示，很好地理解科学家们探索库仑定律表达式的意图，充分理解库仑定律的内容，在教师有效地引导下，学生能够用库仑定律进行简单的定量计算，能很好地完成教学目标。

将必要的物理学史融入课堂能够提高课堂效率，学生们对库仑定律的理解也更深入、透彻，对于库仑定律的认识也会达到一个新的高度，从而使物理学史能够更好的服务物理教学。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：18.

[2][瑞典]H.奥托·斯巴姆.提供证据——库仑扭秤和法国启蒙理性文化[J].计海庆，译.哲学分析，2017，8（3）.