探究電荷間的相互作用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及教學(xué)設(shè)計(jì)

探究電荷之間的相互作用力寧夏育才中學(xué)陶麗娟使用教材本節(jié)課以人教版物理必修第三冊第九章第二節(jié)《庫侖定律》為例，探討新課程、新教材背景下將核心素養(yǎng)通過實(shí)驗(yàn)滲透到教學(xué)活動(dòng)中的策略。實(shí)驗(yàn)器材引課實(shí)驗(yàn)器材（1）教師展示“魔法棒”如圖1所示。實(shí)驗(yàn)器材：手持式起電機(jī)、塑料絲圖1展示“魔法棒”（2）學(xué)生仿制“魔法棒”如圖2所示。實(shí)驗(yàn)器材：PVC管、塑料絲、毛皮圖2仿制“魔法棒”定性實(shí)驗(yàn)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)器材：木框、量角器、手持式起電機(jī)、金屬球、懸絲、標(biāo)記桿圖3定性實(shí)驗(yàn)器材（三）定量實(shí)驗(yàn)器材如圖4所示。圖4定量實(shí)驗(yàn)器材三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新點(diǎn)（一）引入實(shí)驗(yàn)學(xué)生通過親身實(shí)驗(yàn)，感受微小的靜電力，激發(fā)探究熱情。（二）定性實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谧寣W(xué)生定性探究電荷量和距離與靜電力的關(guān)系。教科書為我們展示了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我用課本上的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問題：首先兩球帶電后懸掛小球晃動(dòng)劇烈，無法靜止在某一位置；其次，絲線的偏角θ很小，3次移動(dòng)懸點(diǎn)，不容易觀察到偏角θ的變化，所以課堂進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)成功率極低。為此，我通過三個(gè)方面對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。改變小球懸掛方式。本實(shí)驗(yàn)沒有用鐵架臺(tái)，而是自制的木頭框，木頭框中間固定15厘米的橫桿，可將靜電擺做成雙線擺，這樣兩球帶電后懸掛的小球能平衡在某一位置，擺角是穩(wěn)定的。改變懸掛物的材料，我通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用錫紙包裹泡沫球，無論是體積相對(duì)大的球還是小一點(diǎn)的，小球帶點(diǎn)后漏電嚴(yán)重，所以擺角都很小，實(shí)驗(yàn)效果不明顯，多次試驗(yàn)不同材料，最終發(fā)現(xiàn)把1厘米左右的紙質(zhì)吸管外層用錫紙包住，再用熱熔膠連上擺線，這樣錫紙表面是平滑的，沒有凸起的地方，不僅能帶上的電荷量多，而且漏電也少，懸絲的擺角變化明顯。實(shí)驗(yàn)中木頭框?qū)捄透叨汲^了一米，上面可以固定大號(hào)的量角器，量角器上有指針，可以標(biāo)識(shí)擺角，當(dāng)擺角變化時(shí)，前后對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，后排的學(xué)生也能看清。另外，用豎直的黃色細(xì)桿對(duì)兩球做標(biāo)記，實(shí)驗(yàn)時(shí)操作簡單，不在需要用尺子測量距離。（三）定量實(shí)驗(yàn)（1）通過升降臺(tái)改變兩球間的距離。優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，距離易控。（2）手持式起電機(jī)使小球帶電。優(yōu)點(diǎn)：相比手搖起電機(jī)體積小，省去用導(dǎo)線連接起電機(jī)與小球的步驟，起電機(jī)與小球直接接觸，可以讓小球快速帶電，并且可以在不同位置接觸，盡量使小球電量均勻分布。（3）用與兩球相同的不帶電小球取電。優(yōu)點(diǎn)：模擬庫侖實(shí)驗(yàn)改變電荷量的方法，讓學(xué)生了解在無法測量電荷量的前提下間接尋找靜電力和電荷量關(guān)系的方法。（4）用激光校準(zhǔn)球心位置以及確定兩球間距。優(yōu)點(diǎn)：如果僅僅通過肉眼觀察進(jìn)行操作很難使兩球球心在同一條豎直線上，這樣就會(huì)造成實(shí)驗(yàn)誤差，本實(shí)驗(yàn)用豎直激光作為標(biāo)準(zhǔn)，即使在實(shí)驗(yàn)過程中也能不斷調(diào)整兩球位置使球心在同一條直線上。另外，本定量實(shí)驗(yàn)中，測量球心距是一個(gè)難點(diǎn)，而且演示實(shí)驗(yàn)要操作簡單，過程清晰，現(xiàn)象直觀，尤其要考慮后排的學(xué)生也要能觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。所以我通過以下操作突破難點(diǎn)：先讓兩球接觸，此時(shí)球心間距為小球直徑2.5cm，將激光水平儀放在升降臺(tái)上，調(diào)整高度，使水平激光打在PVC管標(biāo)識(shí)的刻度2.5cm處，以此位置作為參照，改變球心距，上方小球每上升一格，球心距增加0.5cm，例如，球心距依次可取3.5cm、4.0cm、4.5cm、5.0cm、5.5cm，這樣就省去了每改變一次位置就測一次距離的步驟，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)快速，減少因?yàn)槁╇妿淼膶?shí)驗(yàn)誤差。（5）用Excel表格處理數(shù)據(jù)。將采集到的數(shù)據(jù)輸入表格，設(shè)定公式，將距離轉(zhuǎn)換為距離平方的倒數(shù)，質(zhì)量轉(zhuǎn)換為靜電力，用圖表功能繪制F與圖像，可以快速且直觀呈現(xiàn)兩者的反比關(guān)系四、實(shí)驗(yàn)原理（一）引入實(shí)驗(yàn)原理PVC管、塑料絲與毛皮摩擦后帶有同種電荷，同種電荷相互排斥，所以比較輕的塑料絲會(huì)懸浮起來。（二）定性探究實(shí)驗(yàn)原理用絕緣桿固定金屬球，另一較輕小球用絕緣細(xì)線懸掛起來，當(dāng)兩球帶上同種電荷后，懸掛的小球因?yàn)殪o電力會(huì)偏離原來的位置，懸掛的小球平衡后，對(duì)其進(jìn)行受力分析，根據(jù)力的平衡相關(guān)知識(shí)得到F=mgtanθ,可以看出，懸線的偏角可以反映靜電力的大小。偏角變大，說明小球受到的靜電力變大。實(shí)驗(yàn)采取控制變量法。首先，保持兩球電荷量不變，改變兩球間距，觀察細(xì)線擺角變化；進(jìn)一步判斷靜電力變化；其次，保持兩球距離不變，改變大球電荷量，觀察細(xì)線擺角變化，進(jìn)一步判斷靜電力變化，這樣就能得到電荷量、帶電體間距離與靜電力的定性關(guān)系。（三）定量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理用絕緣底座固定一金屬球放在精度為1mg的電子秤上，另一相同金屬球固定到PVC管上，用鐵架臺(tái)固定PVC管，鐵架臺(tái)放在升降臺(tái)上，通過升降臺(tái)可以改變兩球之間的距離，電子秤有去皮置零功能，兩球先不帶電，選擇置零功能，再讓兩球帶上同種電荷，此時(shí)電子秤的示數(shù)乘以g就是靜電力的大小。本實(shí)驗(yàn)采取控制變量法，首先，保持兩球電荷量不變，改變兩球間距，記錄數(shù)據(jù)，用Excel表格處理數(shù)據(jù)，得到兩球電荷量一定時(shí)，電荷間相互作用力與距離的定量關(guān)系；其次，保持兩球距離不變，用與兩金屬球相同的不帶電小球接觸電子秤上的小球，每次取走其一半的電荷量，若每次取電后兩球間靜電力也減少為原來的一半，則可證明靜電力與電荷量成正比關(guān)系。五、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)物理觀點(diǎn)：了解影響電荷間相互作用力的因素；科學(xué)思維：體會(huì)尋找電荷間相互作用力的過程將微小力放大、間接測量的物理思想；體會(huì)控制變量以及應(yīng)用電荷均分的實(shí)驗(yàn)方法；了解在無法測量電荷量的前提下間接尋找靜電力和電荷量關(guān)系的方法；科學(xué)探究：經(jīng)歷觀察猜想——建構(gòu)模型——定性實(shí)驗(yàn)——類比推理——定量驗(yàn)證的探究過程?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：經(jīng)歷與科學(xué)家相似的研究過程提高科學(xué)素養(yǎng)；通過對(duì)靜電力與萬有引力的對(duì)比，體會(huì)自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性。教學(xué)內(nèi)容本節(jié)課的重點(diǎn)是電荷間相互作用的規(guī)律。進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)本著循序漸進(jìn)的原則。首先讓學(xué)生通過小實(shí)驗(yàn)猜想影響靜電力大小的因素，其次，進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)展示，再次，通過與萬有引力的對(duì)比合理推理靜電力的表達(dá)式，最后用定量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這樣定量實(shí)驗(yàn)的目的性更強(qiáng)，也能夠還原科學(xué)發(fā)現(xiàn)靜電力規(guī)律的基本過程，即合理猜想——初步定性探究——類比推理——定量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。從定性到定量，從感性猜想出發(fā)經(jīng)過探究逐步上升到理性認(rèn)識(shí)。七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程展示實(shí)驗(yàn)、介紹實(shí)驗(yàn)原理，講解實(shí)驗(yàn)：如何精確表示靜電大小、如何精確改變電荷量、如何處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察實(shí)驗(yàn)過程，了解實(shí)驗(yàn)原理、體會(huì)研究過程、知道處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，形成對(duì)庫侖定律的認(rèn)識(shí)展示實(shí)驗(yàn)、介紹實(shí)驗(yàn)原理，講解實(shí)驗(yàn)：如何精確表示靜電大小、如何精確改變電荷量、如何處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察實(shí)驗(yàn)過程，了解實(shí)驗(yàn)原理、體會(huì)研究過程、知道處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，形成對(duì)庫侖定律的認(rèn)識(shí)展示課件、找出萬有引力與庫侖力的相似之處進(jìn)行推理，形成假設(shè)：靜電力會(huì)不會(huì)和萬有引力具有相似的表達(dá)式？實(shí)驗(yàn)引入提供器材、觀察學(xué)生、提出問題：影響靜電力大小的因素，幫助學(xué)生排除無關(guān)因素定性實(shí)驗(yàn)參與實(shí)驗(yàn)、觀察現(xiàn)象、思考問題：靜電力與電荷量、距離、大小、形狀、電荷分布有關(guān)?展示實(shí)驗(yàn)、提出問題：實(shí)驗(yàn)方法、如何表示靜電大小、如何改變電荷量控制變量法、受力分析、找出增加或減少電荷量的辦法定量實(shí)驗(yàn)類比推理應(yīng)用用靜電植絨技術(shù)做學(xué)校的校徽并布置課后作業(yè)：查找靜電植絨技術(shù)的原理課后查閱、收集資料圖5教學(xué)流程圖實(shí)驗(yàn)具體教學(xué)過程如下：（一）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題創(chuàng)設(shè)情境：展示神奇的“魔法棒”使塑料絲懸浮，如圖6所示。圖6展示“魔法棒”圖6展示“魔法棒”設(shè)計(jì)意圖激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生感受身邊的、電荷間相互作用的微小力，通過觀察，結(jié)合已有知識(shí)解釋現(xiàn)象。提出問題帶電體之間的相互作用力與哪些因素有關(guān)呢？進(jìn)行猜想猜想可能與帶電體所帶電荷量、帶電體間距離有關(guān)，還有可能與帶電體大小、形狀、電荷分布有關(guān)。（二）定性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想定性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)器材如圖7所示。用絕緣桿固定一個(gè)大金屬球，另一較輕小球用絕緣細(xì)線懸掛起來，當(dāng)兩球帶上同種電荷后，懸掛的小球因?yàn)殪o電力會(huì)偏離原來的位置。圖7圖7探究與定性關(guān)系提出問題如何反映懸掛的小球受到靜電力的大?。繉?shí)驗(yàn)方法是什么？生受對(duì)懸掛的帶電小球進(jìn)行受力分析可知θ所以偏角越大，小球受到的靜電力越大。實(shí)驗(yàn)方法是控制變量法。提出問題具體如何操作呢？生保持兩球距離不變，改變大金屬球電荷量,觀察細(xì)線擺角變化，從而得出與的定性關(guān)系；保持兩球電荷量不變，改變兩球間距觀察細(xì)線擺角變化，從而得出的定性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖8、9所示。圖8電荷量一定，減小間距進(jìn)行對(duì)比圖8電荷量一定，減小間距進(jìn)行對(duì)比圖9距離一定，減小大球電荷量進(jìn)行對(duì)比圖9距離一定，減小大球電荷量進(jìn)行對(duì)比生設(shè)計(jì)意圖使學(xué)生對(duì)靜電力大小形成初步認(rèn)識(shí)，體會(huì)控制變量的實(shí)驗(yàn)方法。（三）定量探究驗(yàn)證猜想圖10定量實(shí)驗(yàn)圖10定量實(shí)驗(yàn)定量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)器材如圖10所示。本實(shí)驗(yàn)我們主要研究兩金屬球之間的靜電力，高精度的電子秤簡介測量微小的靜電力，鐵架臺(tái)用來固定用PVC管連接的小球，升降臺(tái)用來調(diào)節(jié)兩球之間的距離，激光水平儀用來度量兩球球心間的距離，電暖器用來干燥空氣，還有用來改變電荷量的起電機(jī)和取電金屬球。驗(yàn)證電荷間作用力與距離平方的反比關(guān)系:控制電荷量不變，改變金屬球之間的距離。介紹本實(shí)驗(yàn)測量兩球球心距離的方法，如圖11所示。圖11探究電荷間作用力與距離定量關(guān)系圖11探究電荷間作用力與距離定量關(guān)系先讓兩球接觸，此時(shí)球心間距為小球的直徑將激光水平儀放在升降臺(tái)上，調(diào)整高度，使水平激光打在PVC管標(biāo)識(shí)的刻度處，以此位置為參考，改變兩球球心距離，上方小球沒上升一格，球心距增加所以本實(shí)驗(yàn)中球心距依次可取這樣就能快速且準(zhǔn)確的測出球心距了。實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如下圖12所示圖12實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖12實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)整理到表1中表1由小到大變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄用EXCEL表格繪制離散點(diǎn)并進(jìn)行擬合圖像如圖13所示圖13圖13在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍之內(nèi)，電荷間作用力與距離的二次方成反比，即驗(yàn)證電荷間作用力與電荷量乘積的正比關(guān)系:控制距離不變，改變金屬球的電荷量，如圖14所示。圖14探究電荷間作用力與電荷量定量關(guān)系圖14探究電荷間作用力與電荷量定量關(guān)系提出問題在實(shí)驗(yàn)前需要解決以下幾個(gè)問題。如何改變小球的電荷量？生我們可以用不帶電的取電小球接觸放在電子秤上的小球，從而減小其電荷量。提出問題實(shí)驗(yàn)器材中有沒有測量電荷量的儀器？生再仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)器材，發(fā)現(xiàn)沒有測量電荷量的儀器。提出問題在無法精確測量小球電荷量的前提下，如何驗(yàn)證靜電力和電荷量的正比關(guān)系？生我們知道兩個(gè)完全相同的帶電導(dǎo)體接觸后再分開，二者將原來所帶電量的總和平均分配，也就是說如果用與兩金屬球相同的不帶電小球每接觸下方小球一次，下方小球電荷量就減少為原來的一半，如果每次取電后兩球間靜電力也減少為原來的一半，則可證明靜電力與電荷量成正比。實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)如圖15所示。圖15實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖15實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將獲得的數(shù)據(jù)填入表2中表2改變下方小球電荷量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄用EXCEL表格繪制離散點(diǎn)并進(jìn)行擬合，得到如圖16所示圖像。圖16圖16在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍之內(nèi)，電荷間作用力與電荷量成正比，即【總結(jié)歸納】得出兩小球間靜電力設(shè)計(jì)意圖通過定量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想，體會(huì)本實(shí)驗(yàn)的巧妙之處，利用電子秤間接測量微小的靜電力，模擬庫侖實(shí)驗(yàn)的方法，在無法準(zhǔn)確測量小球電荷量的情況下利用電荷均分巧妙證明電荷量與靜電力的正比關(guān)系。八、實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)（1）本節(jié)課以問題為主線，引導(dǎo)學(xué)生思維探究貫穿于整節(jié)課。依托主問題（即靜電力與距離和電荷量的關(guān)系）支撐，通過問題鏈（即如何解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題）引導(dǎo)，融“學(xué)生實(shí)驗(yàn)”、“定性實(shí)驗(yàn)”“定量實(shí)驗(yàn)”等實(shí)驗(yàn)形式，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感受物理規(guī)律的探究過程、體會(huì)物理思想，理解物理實(shí)驗(yàn)方法。（2）實(shí)驗(yàn)器材簡單易得，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。小實(shí)驗(yàn)所用材料都是生活中常見的PVC管，塑料絲，讓學(xué)生體會(huì)物理就在生活中，物理實(shí)驗(yàn)器材可以來源于生活，并且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，讓每個(gè)學(xué)生都可以感受到靜電力，有些同學(xué)的塑料絲可以懸浮，有些同學(xué)的沒有懸浮起來，又會(huì)引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生疑問——看來靜電力還不夠大，那靜電力的大小與哪些因素有關(guān)呢？（3）定性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)直觀。定性實(shí)驗(yàn)沒有用鐵架臺(tái)，而是自制的木頭框，木頭框中間固定橫桿，將靜電擺做成雙線擺，這樣擺起的小球更穩(wěn)定；另外，木頭框比較高，上面固定了大號(hào)的量角器，量角器上有指針，可以標(biāo)識(shí)擺角，當(dāng)擺角擺角變化時(shí)，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，后排的學(xué)生也能看清擺角的變化。再次，并且尋找靜電力和電荷量關(guān)系時(shí)容易對(duì)兩球做標(biāo)記，這樣容易控制兩球的距離保持不變，不在需要用尺子測量兩球之間的距離。（4）類比方法更符合學(xué)生認(rèn)知水平。類比萬有引力時(shí)，沒有從空罐實(shí)驗(yàn)開始類比，而是從學(xué)生更熟悉的角度開始，例如兩種力都是非接觸力——圓周運(yùn)動(dòng)模型——質(zhì)點(diǎn)和點(diǎn)電荷模型——相關(guān)因素等方面的相似性讓學(xué)生進(jìn)行類比，這樣更簡單更符合學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平。（5）定量實(shí)驗(yàn)操作簡單。在PVC管上標(biāo)好刻度，先讓兩球接觸，此時(shí)球心間距為小球直徑2.5cm，將激光水平儀放在升降臺(tái)上，調(diào)整高度，使水平激光打在PVC管標(biāo)識(shí)的刻度2.5cm處，以此位置作為參照，用升降臺(tái)改變球心距，上方小球每上升一格，球心距增加0.5cm，球心距依次可取4.0cm、4.5cm、5.0cm等，這樣就省去了每改變一次位置就測一次距離的步驟，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)快速，減少因?yàn)槁╇妿淼膶?shí)驗(yàn)誤差。學(xué)生既能看清又好理解。（6）用Excel表格處理數(shù)據(jù)，用圖像展示靜電力和距離平方反比的關(guān)系，能夠簡潔、直觀的得出結(jié)論。本節(jié)課通過實(shí)驗(yàn)研究，讓學(xué)