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探究電荷之間的相互作用力
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)通過實驗滲透到教學(xué)活動中的策略。
實驗器材
引課實驗器材
（1）教師展示“魔法棒”如圖1所示。實驗器材：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。實驗器材：PVC管、塑料絲、毛皮
圖2 仿制“魔法棒”
定性實驗如圖3所示。實驗器材：木框、量角器、手持式起電機(jī)、金屬球、懸絲、標(biāo)記桿
圖3 定性實驗器材
（三）定量實驗器材如圖4所示。
圖4 定量實驗器材
三、實驗設(shè)計與創(chuàng)新點
（一）引入實驗
學(xué)生通過親身實驗，感受微小的靜電力，激發(fā)探究熱情。
（二）定性實驗
本實驗?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實驗，我用課本上的方案進(jìn)行實驗時發(fā)現(xiàn)兩個問題：首先兩球帶電后懸掛小球晃動劇烈，無法靜止在某一位置；其次，絲線的偏角θ很小，3次移動懸點，不容易觀察到偏角θ的變化，所以課堂進(jìn)行該實驗成功率極低。為此，我通過三個方面對本實驗進(jìn)行優(yōu)化。
改變小球懸掛方式。本實驗沒有用鐵架臺，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，我通過實驗發(fā)現(xiàn)，用錫紙包裹泡沫球，無論是體積相對大的球還是小一點的，小球帶點后漏電嚴(yán)重，所以擺角都很小，實驗效果不明顯，多次試驗不同材料，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。
實驗中木頭框?qū)捄透叨汲^了一米，上面可以固定大號的量角器，量角器上有指針，可以標(biāo)識擺角，當(dāng)擺角變化時，前后對比實驗現(xiàn)象明顯，后排的學(xué)生也能看清。另外，用豎直的黃色細(xì)桿對兩球做標(biāo)記，實驗時操作簡單，不在需要用尺子測量距離。
（三）定量實驗
（1）通過升降臺改變兩球間的距離。優(yōu)點：操作簡單，距離易控。
（2）手持式起電機(jī)使小球帶電。優(yōu)點：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：模擬庫侖實驗改變電荷量的方法，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：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，這樣就會造成實驗誤差，本實驗用豎直激光作為標(biāo)準(zhǔn)，即使在實驗過程中也能不斷調(diào)整兩球位置使球心在同一條直線上。另外，本定量實驗中，測量球心距是一個難點，而且演示實驗要操作簡單，過程清晰，現(xiàn)象直觀，尤其要考慮后排的學(xué)生也要能觀察到實驗現(xiàn)象。所以我通過以下操作突破難點：先讓兩球接觸，此時球心間距為小球直徑2.5cm，將激光水平儀放在升降臺上，調(diào)整高度，使水平激光打在PVC管標(biāo)識的刻度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，采集實驗數(shù)據(jù)快速，減少因為漏電帶來的實驗誤差。
（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、實驗原理
（一）引入實驗原理
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懸浮起來。
（二）定性探究實驗原理
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，懸掛的小球因為靜電力會偏離原來的位置，懸掛的小球平衡后，對其進(jìn)行受力分析，根據(jù)力的平衡相關(guān)知識得到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。實驗采取控制變量法。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）定量驗證實驗原理
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，用鐵架臺固定PVC管，鐵架臺放在升降臺上，通過升降臺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，此時電子秤的示數(shù)乘以g就是靜電力的大小。本實驗采取控制變量法，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，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、實驗?zāi)繕?biāo)
物理觀點：了解影響電荷間相互作用力的因素；
科學(xué)思維：體會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；體會控制變量以及應(yīng)用電荷均分的實驗方法；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——定性實驗——類比推理——定量驗證的探究過程。
科學(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)；通過對靜電力與萬有引力的對比，體會自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性。
教學(xué)內(nèi)容
本節(jié)課的重點是電荷間相互作用的規(guī)律。進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時本著循序漸進(jìn)的原則。首先讓學(xué)生通過小實驗猜想影響靜電力大小的因素，其次，進(jìn)行定性實驗展示，再次，通過與萬有引力的對比合理推理靜電力的表達(dá)式，最后用定量實驗驗證，這樣定量實驗的目的性更強(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——定量實驗驗證。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。
七、實驗教學(xué)過程
本節(jié)課教學(xué)流程圖如圖5所示。
圖5 教學(xué)流程圖
實驗具體教學(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。
設(shè)計意圖 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）定性實驗 驗證猜想
定性實驗 實驗器材如圖7所示。用絕緣桿固定一個大金屬球，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，懸掛的小球因為靜電力會偏離原來的位置。
提出問題 如何反映懸掛的小球受到靜電力的大小？ 實驗方法是什么？
生 受對懸掛的帶電小球進(jìn)行受力分析可知F=mgtanθ， 所以偏角越大，小球受到的靜電力越大。實驗方法是控制變量法。
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Ｆ與q的定性關(guān)系；保持兩球電荷量 q不變，改變兩球間距ｒ，觀察細(xì)線擺角變化，從而得出Ｆ與ｒ的定性關(guān)系。實驗現(xiàn)象如圖8、9所示。
生 觀察實驗，總結(jié)定性關(guān)系：當(dāng)兩球電荷量一定時，r 越小，F(xiàn)越大；
當(dāng)兩球距離一定時，q越小，F(xiàn)越小。
設(shè)計意圖 使學(xué)生對靜電力大小形成初步認(rèn)識，體會控制變量的實驗方法。
（三）定量探究 驗證猜想
定量實驗 實驗器材如圖10所示。本實驗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，鐵架臺用來固定用PVC管連接的小球，升降臺用來調(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。
【實驗一】驗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。
介紹本實驗測量兩球球心距離的方法，如圖11所示。
先讓兩球接觸，此時球心間距為小球的直徑2.5cm，將激光水平儀放在升降臺上，調(diào)整高度，使水平激光打在PVC管標(biāo)識的刻度2.5cm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0.5cm，所以本實驗中球心距依次可取3.5cm、4.0cm、4.5cm……，這樣就能快速且準(zhǔn)確的測出球心距了。實驗記錄數(shù)據(jù)如下圖12所示
將數(shù)據(jù)整理到表1中
表1 r 由小到大變化實驗數(shù)據(jù)記錄
q1、q2 一定 r (cm) 1/r2 (cm-2) F (g)
q1、q2 3.5cm 0.0816 0.147
q1、q2 4. 0cm 0.0625 0.124
q1、q2 4.5cm 0.0494 0.101
q1、q2 5.0cm 0.0400 0.078
q1、q2 5.5cm 0.0331 0.064
q1、q2 6.0cm 0.0237 0.046
用EXCEL表格繪制F—1/r2離散點并進(jìn)行擬合圖像如圖13所示
【結(jié)論1】 在實驗誤差允許范圍之內(nèi)，電荷間作用力與距離的二次方成反比，即 F∝1/r2
【實驗二】 驗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。
提出問題 在實驗前需要解決以下幾個問題。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 實驗器材中有沒有測量電荷量的儀器？
生 再仔細(xì)觀察實驗器材，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，如何驗證靜電力和電荷量的正比關(guān)系？
生 我們知道兩個完全相同的帶電導(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。實驗獲得的數(shù)據(jù)如圖15所示。
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驗數(shù)據(jù)記錄
r一定 q1 q2 F(g)
1 q1 q2 0.129
2 q1 q2/2 0.064
3 q1 q2/4 0.034
4 q1 q2/8 0.018
用EXCEL表格繪制F— q2離散點并進(jìn)行擬合，得到如圖16所示圖像。
【結(jié)論2】 在實驗誤差允許范圍之內(nèi)，電荷間作用力與電荷量成正比，即 F∝q2 由于兩球間靜電力的是相互的，如果用同種方法改變上方小球的電荷量，我們也能得到相同的結(jié)果，即也能間接證明兩球間靜電力與上方小球的電荷量成正比，從而最終得到靜電力與兩小球電荷量乘積成正比的結(jié)論，即 F∝q1q2
【總結(jié)歸納】得出兩小球間靜電力F與q、r 的定量關(guān)系。
設(shè)計意圖 通過定量實驗驗證猜想，體會本實驗的巧妙之處，利用電子秤間接測量微小的靜電力，模擬庫侖實驗的方法，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、實驗效果評價
（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（即如何解決實驗中遇到的問題）引導(dǎo)，融“學(xué)生實驗”、“定性實驗”“定量實驗”等實驗形式，讓學(xué)生在實驗中感受物理規(guī)律的探究過程、體會物理思想，理解物理實驗方法。
（2）實驗器材簡單易得，實驗現(xiàn)象明顯。小實驗所用材料都是生活中常見的PVC管，塑料絲，讓學(xué)生體會物理就在生活中，物理實驗器材可以來源于生活，并且實驗現(xiàn)象明顯，讓每個學(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）定性實驗設(shè)計直觀。定性實驗沒有用鐵架臺，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，上面固定了大號的量角器，量角器上有指針，可以標(biāo)識擺角，當(dāng)擺角擺角變化時，通過對比實驗現(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)系時容易對兩球做標(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，沒有從空罐實驗開始類比，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——圓周運動模型——質(zhì)點和點電荷模型——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）定量實驗操作簡單。在PVC管上標(biāo)好刻度，先讓兩球接觸，此時球心間距為小球直徑2.5cm，將激光水平儀放在升降臺上，調(diào)整高度，使水平激光打在PVC管標(biāo)識的刻度2.5cm處，以此位置作為參照，用升降臺改變球心距，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，采集實驗數(shù)據(jù)快速，減少因為漏電帶來的實驗誤差。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)課通過實驗研究，讓學(xué)生體驗從猜想到驗證，從定性上升到定量的科學(xué)探究過程，通過實驗探究引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)物理方法，滲透科學(xué)本質(zhì)觀的教育，使學(xué)生的認(rèn)識從感性認(rèn)識上升的理性認(rèn)識，很好地落實了新課程的理念。
九、教學(xué)反思
（1）定量實驗中電子秤的顯示屏小，后排的同學(xué)不能有可能看不清；改進(jìn)措施：用手機(jī)拍攝再通過教學(xué)助手同步。
（2）定量實驗對環(huán)境的要求較高，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)空氣相對濕度低于40％實驗成功率相對高些，實際講課時，學(xué)生多，錄播室相對封閉，空氣濕度較大，漏電現(xiàn)象明顯，課堂上定量實驗數(shù)據(jù)偏差較大，如果用電暖器干燥，時間過長電子就會發(fā)熱，實驗數(shù)據(jù)會有偏差。改進(jìn)措施：上課前五分鐘就用電暖器干燥空氣，使空氣濕度盡可能低。

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