核心素养导向下实验室课程资源的开发和利用--两种电荷的实验改进

湖北省武穴市实验高级中学(435400) 胡剑章 湖北省武穴市教育技术装备办公室(435400) 翟晓军 湖北省武穴市第三实验中学(435400) 吴宝华

《义务教育物理课程标准(2022年版)》重视以核心素养为导向的教学设计,倡导加强实验室课程资源的开发与利用。物理是一门实操性很强的学科,实验是物理课程改革的灵魂,是全面提高学生核心素养的有效手段,也是物理课程改革的宝贵资源。为有效提高实验教学效率,提倡挖掘现有各种教学仪器、日常材料及现有的课程资源。随着经济条件的发展,我国乡村中学都配有相应的物理实验室。实验室虽有丰富课程资源,但有待教师充分的开发和利用[1]。一线教师应引导学生重视实验操作,带领学生做物理学习的实践者,知识生成的创造者。实验室的实验仪器应不局限于现有设备,学生身边的日常器具同样是重要的实验室资源。教师和学生可以一起用日常生活中的器具进行物理实验探究,让学生在实际操作中发展实验技能,培养创新意识。笔者以两种电荷的实验改进为例,通过对教材实验的重新设计和改进,让学生在独立的分析、质疑、讨论、论证中提升科学思维能力,发展核心素养。

1 现行教材中该实验的问题

在初中物理教学中,“两种电荷”是非常重要的教学内容,是电学内容的基础。浙教版初中科学8年级上册第122页“思考与讨论”中没有实验方案,而是直接给出摩擦后玻璃棒和橡胶棒的带电情况,缺乏科学探究的过程。人教版9年级物理全一册第32页演示实验是用丝绸摩擦玻璃棒和毛皮摩擦橡胶棒来探究电荷间的相互作用,但在得到实验结论后直接给出自然界中只存在两种电荷,缺乏实验依据。

在教学实践中,笔者按照人教版教材中的实验方案进行多次实验,发现实验存在以下问题:实验容易出现摩擦后不带电或带电时间短等情况,需要在非常干燥的天气下进行;玻璃棒和橡胶棒由于质量较大而惯性较大,导致很难转动,实验现象不明显。

2 对两种电荷实验的几点思考

2.1 使排斥和吸引现象更明显

要使物体转动更明显,需要减小摩擦、减小惯性和增大电场力。基于以上物理原理,笔者查阅了大量资料:很多方案用支架代替绳,能减小摩擦,更容易固定橡胶棒和玻璃棒。然而在实际操作中玻璃棒较难带上电且质量较大,实验现象不明显。基于上述探究,笔者决定将器材更换成质量更小的塑料吸管和可旋转支架。经实验发现塑料吸管体积小且轻,带电时间长,排斥和吸引现象更明显,可操作性更强。

2.2 可视化带电的探究

在实验中有时会出现摩擦后两个塑料吸管之间既不吸引也不排斥的现象,不能确定塑料吸管有没有带电,导致实验演示效果不好。笔者尝试把锡箔纸撕成碎片,摩擦后的塑料吸管能吸引这些锡箔纸,说明塑料吸管带了电。在探究电荷间相互作用时,可通过锡箔纸是否仍被吸附在塑料吸管上来判断塑料吸管带电情况,实现带电可视化。

2.3 探究是否存在第三种电荷

实验教学是科学探究的过程,是否存在第三种电荷,应该有严密的实验探究过程。笔者在这个实验中,尝试用多种材料,通过严谨的实验过程推理是否存在第三种电荷。

3 实验改进方案

3.1 实验器材

毛皮、橡胶棒、玻璃棒、丝绸、多根塑料吸管、塑料袋、锡箔纸、可旋转支架(如图1)。

图1 实验器材

3.2 实验教学过程

(1)将塑料吸管一端与毛皮摩擦,将未与毛皮摩擦的一端与锡箔纸屑靠近,再将与毛皮摩擦的一端与锡箔纸屑靠近。塑料吸管只有被摩擦的一端能吸引纸屑,说明摩擦后带电,带电体能吸引轻小物体。接下来每一步操作前都要将被摩擦物体与锡箔纸屑靠近,验证物体是否带电。通过观察锡箔纸屑是否被吸引在物体上,来实现带电可视化。

(2)2根塑料吸管与毛皮摩擦后,将其中1根轻轻放置在支架上,待其稳定后用另1根塑料吸管靠近。实验现象:两根塑料吸管相互排斥。

(3)将2根塑料吸管与塑料袋摩擦,将其中1根轻轻放置在支架上,待其稳定后用另1根塑料吸管靠近,实验现象:2个塑料吸管也相互排斥。同组的2根塑料吸管由于起电方式相同,同源同性,所以带的电荷也相同,同种电荷相互排斥。

学生质疑:这2组吸管分别与毛皮和塑料摩擦,不同组吸管带电性质是否相同?

(4)塑料袋摩擦的塑料吸管放置在支架上,用与毛皮摩擦的塑料吸管靠近,实验现象:2个塑料吸管相互吸引。由同种电荷相互排斥推理可知两组塑料吸管带上了不同种电荷,异种电荷相互吸引。

学生质疑:自然界中是否有第三种电荷,如何证明?

教师引导:由异种电荷相互吸引知第三种带电体应与前两种带电体都吸引。

(5)将与毛皮摩擦的塑料吸管静置在支架上,用与毛皮摩擦的橡胶棒靠近塑料吸管,能观察到塑料吸管被排斥;用与丝绸摩擦的玻璃棒靠近塑料吸管,能观察到塑料吸管被吸引。

(6)将与塑料袋摩擦的塑料吸管静置在支架上,用与毛皮摩擦的橡胶棒靠近塑料吸管(如图2),观察到塑料吸管被吸引,将与丝绸摩擦的玻璃棒靠近塑料吸管(如图3),观察到塑料吸管被排斥。

图2 用与丝绸摩擦的玻璃棒靠近塑料吸管 图3 用与丝绸摩擦的橡胶棒靠近塑料吸管

(7)归纳与总结:请同学们将表1中的现象填好并将其分类。

表1 实验现象归类

毛皮摩擦的塑料吸管和塑料袋摩擦的塑料吸管带异种电荷,毛皮摩擦的塑料吸管和毛皮摩擦的橡胶棒带的是同种电荷,塑料袋摩擦的塑料吸管和丝绸摩擦的玻璃棒带的是同种电荷。毛皮摩擦的塑料吸管和塑料袋摩擦的塑料吸管带的电荷性质不同,如果有第三种电荷,它与这两种电荷应是相互吸引。上述实验中,没有出现一种带电体能同时吸引另两种带电性质不同的带电体,说明自然界中只有两种电荷。

3.3 实验的创新点

(1)实验材料的创新:塑料吸管、塑料袋、锡箔纸等材料身边易得,操作方便。用日常器具做实验,具有简便、直观、易于理解等优点。利用简单的实验器材,学生能亲自动手实验,感知物理就在身边。

(2)实验内容的创新:在实验步骤(1)～(4)中,学生获得摩擦起电和电荷间相互作用的概念。通过学生的质疑:自然中是否还有第三种电荷,引导学生设计实验探究是否存在第三种电荷。通过实验步骤(5)～(6)的探究,推理出自然界中只存在两种电荷。通过这个环节使学生养成善于质疑,不断探索的科学态度与责任,在问题解决的过程中培养学生的实证意识。实验设计环节一环扣一环,由同源同性摩擦产生的同种电荷相互排斥推理出异种电荷相互吸引[2]。学生在上述实验推理中能自主比较2次分类的结果得出自然界只有两种电荷的结论,在观察中提高了推理归纳能力、体会了科学探究的严谨,提升了科学素养。

4 实验反思

(1)实验时,尽量选择较长较细的的塑料吸管,实验前要对毛皮进行干燥处理,便于摩擦起电。通过查阅资料发现,塑料的荷正电序列为PP、PET、PVC[3]。因此笔者选用PP材质、规格为2 mm×200 mm的塑料吸管和PE或PVC材质的塑料袋。

(2)用毛皮和塑料袋摩擦塑料吸管时,在操作时要带绝缘手套,要用力捏紧塑料吸管快速摩擦,便于塑料吸管带电更多、留电时间更长。

(3)要求学生课后搜集更多的材料,继续探究自然界中是否存在第三种电荷,培养学生实事求是、精益求精的科学态度,领会科学本质。