库仑定律的教学设计改进＊

李娜娜 丁福楷 岑天庆

（中山市华侨中学 广东 中山 528400）

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.实验能力是物理研究能力的重要体现，可以说没有物理实验和对自然现象的观察研究，就没有物理学.实验能力主要包括设计实验方案的能力和实验操作能力.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.对于物理规律，我们除了要清楚物理量间的因果关系、数量关系外，还要能提供验证它的准确、可操作的方法.在中学物理教学中，往往重理论知识训练轻实验能力培养，在物理实验课中，一般都按照教材所给的实验方案进行实验，重实验操作能力，轻设计实验方案能力培养.在高中物理教学中，我们说到探究物理规律往往是指通过实验进行相关探究，培养学生思维能力，提高学生探究能力.似乎离开了物理实验就不能对物理规律进行相关探究，通过实验对物理规律进行相关探究固然重要，但对一些在课堂上不可能进行相关实验的物理规律，往往忽视了对学生思维能力和探究能力的培养，例如库仑定律是应用精密仪器库仑扭秤，通过精确实验才能得到的定量物理规律，不可能在课堂上进行探究实验.

本文中笔者通过探究对库仑定律一节的教学设计，探讨对学生思维能力和应用科学方法进行探究

能力的培养.

1 传统的库仑定律教学设计

（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.当轻质导体小球B，C与导体小球A 靠近时，轻质导体小球的偏角越大，表明两电荷的静电力越大.

图1 探究静电力的实验装置

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，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，F 变小.

（4）库仑定律

在前人工作的基础上，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静电力，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及设计的实验方案，及研究过程的难点和库仑的创新之处.

2 创设问题的库仑定律教学设计

（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什用卡文迪什扭秤测定的.

由于当时人们对带电体所带电荷量多少的认识并不清楚，我们先来讨论物体所带电荷量的问题.

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？

学生经过分组讨论利用所学知识可以得出利用接触起电的两个电荷量相等的带电体.

问题5：怎样验证库仑做的科学合理的假设是正确的？

学生经过分组讨论后可能会得到解决问题的方法.

（2）库仑定律

再利用控制变量法保持两个带电导体球之间的距离r 不变，不断改变两个带电导体球的电荷量，测两导体球间的静电力F，库仑正是应用控制变量法利用库仑扭秤通过精确实验得到F ∝q1q2.

结论：库仑正是利用库仑扭秤经过多次精确实验最后得到点电荷间的相互作用的规律

后人为了纪念库仑把这个规律称为库仑定律，库仑定律是电磁学第一个精确定量的规律.在库仑的时代，长度基准的单位是厘米，力的单位用达因，库仑为了使表达方式简单，用长度的单位和力的单位来规定电量的单位.这样表达方式最简单为

库仑规定两个电量相等的点电荷，若相距1 cm，相互作用为1dyn，则点电荷电量为1个静电制单位.后来高斯以厘米、克、秒为基本单位建立一套单位制，史称高斯单位制或厘米克秒制.在高斯单位中电量单位仍为1个静电制单位.20世纪60年代人们开始推广使用以米、千克、秒为基本单位的一套单位制，称为国际单位制或千克米秒制.在国际单位制中为了纪念库仑将电量单位称为库仑，这样在国际单位制中，库仑定律表达方式变为

式中k为静电力常量，k＝9.0×109N·m2／C2.

这里要说的是国际单位制在欧美国家和理论物理学界并不受欢迎.

3 两种库仑定律的教学设计比较

从上面两个教学设计我们可以看出，传统的库仑定律教学设计，只是采用一个实际上很难完成的实验，在形式上片面探究静电力F 与距离r 及电荷量q 的定性关系，它与发现库仑定律之间不产生内在的逻辑必然性，没有给学生提供一个完整逻辑思维链，也没有启发学生的思维和学习科学的探究方法，不知道库仑发现库仑定律的难点在哪里，最终学生只是记住了结论及公式并进行相关计算.而创设问题的库仑定律教学设计，以创设问题为切入点，结合物理学史以当时的科学技术为基础，以科学合理的假设为要点，以科学方法为工具，以探究物理规律的内在逻辑为主线，有一个完整逻辑思维链环环相扣，再现库仑探究的逻辑思维过程和采用的科学方法，及探究过程的难点和库仑的创新之处，对不可能在课堂上进行的探究实验加以改进，激发了学生的想象力，通过设计实验方案，培养了学生的创新思维能力和应用科学方法进行创新研究的能力.

缺乏理性和对问题的思辨及不断追问的精神是与我们民族历史文化基因有关的.这种文化基因同样表现在教育中，整体表现为体验式、感悟式、碎片化的、语录格言式的，缺乏逻辑完整链的知识系统.思维方式总体是非理性说教式形成结论.它对应试是很有利的，但不利于创新型人才的培养.推进科学技术的进步关键是需要创新型人才，而培养创新型人才的关键是教育.在教学中要求必须关注知识形成的过程，形成经过慎密逻辑推理的知识系统.有对问题的思辨及不断追问的精神，在说理的基础上形成的结论.它同样要求教师特别是数学、物理教师，要形成一套公理化的知识体系，要有由从公理和公设出发推演知识链的能力，有对问题的思辨及不断追问回到公理和公设的逻辑链，同时还要关注前人已有的知识和结论，及当时的科学技术水平.并不是每一个研究都要从头开始，我们的研究都是在前人的基础上开始的.要培养创新思维和创新精神的学生，首先要求有创新思维和创新精神的教师.多一分说理少一点说教，不满足于得到一个正确的结论，少回避学生提出的问题，尽量多给学生一些有完整逻辑链的知识体系，培养对问题的思辨及不断追问的精神，同时多扩大自身的知识面，不要把知识局限在本学科范围内，才是通过教育培养创新型人才的有效方法.