追溯電荷的本源 探究科學(xué)的本質(zhì)

黃皓燕

(南京市金陵中學(xué)，江蘇 南京 210000)

·教材與教法·

追溯電荷的本源探究科學(xué)的本質(zhì)

黃皓燕

(南京市金陵中學(xué)，江蘇 南京 210000)

“電荷及其守恒定律”的教學(xué),可以通過(guò)人類對(duì)電荷研究的物理學(xué)史的介紹,帶領(lǐng)學(xué)生們跟隨科學(xué)家的腳步,探究起電的本質(zhì),通過(guò)設(shè)置引導(dǎo)科學(xué)本質(zhì)的問(wèn)題,與歷史對(duì)話,增強(qiáng)學(xué)生們的科學(xué)本質(zhì)觀.可以將生活、科技引進(jìn)課堂.讓學(xué)生親自體驗(yàn)探究,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神,激發(fā)學(xué)生服務(wù)社會(huì)的責(zé)任感.整節(jié)課通過(guò)問(wèn)題串的形式,引領(lǐng)學(xué)生們有效探究電荷的本質(zhì).

科學(xué)本質(zhì); 教學(xué)設(shè)計(jì); 電荷

1 問(wèn)題的提出

“電荷及其守恒定律”是高中選修3-1的第1節(jié)內(nèi)容.關(guān)于靜電現(xiàn)象方面的知識(shí),初中已有介紹,高中更側(cè)重從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識(shí)物體帶電的本質(zhì).目前比較一般的教學(xué)設(shè)計(jì)是以問(wèn)題引導(dǎo)以及實(shí)驗(yàn),通過(guò)摩擦起電、感應(yīng)起電實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,使學(xué)生理解物體帶電的本質(zhì)——電子發(fā)生轉(zhuǎn)移,進(jìn)而得到電荷守恒定律.

一般設(shè)計(jì)流程如下:

物理學(xué)史引入課題→介紹電荷→3種起電方式-分析起電的本質(zhì)→電荷守恒定律→元電荷.

這樣的設(shè)計(jì),強(qiáng)調(diào)了3種起電方式:摩擦起電、接觸起電、感應(yīng)起電,重視了對(duì)電荷帶電本質(zhì)的探究與理解——得失電子,進(jìn)而得出電荷守恒定律.然而這樣的設(shè)計(jì),物理學(xué)史只是作為課題的引入,沒(méi)有讓學(xué)生領(lǐng)略人類對(duì)電荷認(rèn)識(shí)探究的過(guò)程,更沒(méi)有能充分利用物理學(xué)史及本節(jié)課的內(nèi)容,有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀.

2 科學(xué)本質(zhì)

科學(xué)的本質(zhì)是什么?隨著時(shí)代的發(fā)展,人們對(duì)于科學(xué)本質(zhì)觀的理解與解釋也在不斷地發(fā)生變化,至今教育界對(duì)其也沒(méi)有統(tǒng)一的定義.

科學(xué)本質(zhì)是科學(xué)素養(yǎng)的核心組成部分,對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)包括科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)、科學(xué)探究的本質(zhì)以及科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)3個(gè)方面.

(1) 科學(xué)知識(shí)的本質(zhì).世界可以被認(rèn)識(shí),科學(xué)觀點(diǎn)會(huì)變化,科學(xué)知識(shí)具有相對(duì)長(zhǎng)久性,科學(xué)不能解決所有問(wèn)題.

(2) 科學(xué)探究的本質(zhì).科學(xué)需要證據(jù),科學(xué)是邏輯和想象的結(jié)合,科學(xué)具有解釋和預(yù)見(jiàn)能力;科學(xué)家努力鑒別和避免偏見(jiàn),需要保存精確的記錄,以供同行評(píng)議和重復(fù)實(shí)驗(yàn),在觀察中承載理論;科學(xué)不仰仗權(quán)威.

(3) 科學(xué)事業(yè)的本質(zhì).科學(xué)是一項(xiàng)復(fù)雜的社會(huì)活動(dòng);科學(xué)由學(xué)科內(nèi)容組成,由不同機(jī)構(gòu)研究;來(lái)自各個(gè)文化的人們都對(duì)科學(xué)有貢獻(xiàn),科學(xué)是社會(huì)及文化傳統(tǒng)的一部分,科學(xué)和技術(shù)、社會(huì)相互影響.科學(xué)研究中有普遍被接受的道德規(guī)范;科學(xué)家在參與公共事務(wù)時(shí),既是科學(xué)家又是公民.

科學(xué)教育的重要目標(biāo)是提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),而科學(xué)素養(yǎng)的一個(gè)重要組成部分是對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解,2017版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》已將科學(xué)本質(zhì)列為物理的核心素養(yǎng),因此,科學(xué)本質(zhì)觀教育在物理教育中具有重要的意義和價(jià)值.

3 融入科學(xué)本質(zhì)觀的教學(xué)設(shè)計(jì)建議

3.1 跟隨科學(xué)家的腳步,探究摩擦起電

起電方式1:摩擦起電.

物理學(xué)史1:公元前6世紀(jì)左右,古希臘泰勒斯發(fā)現(xiàn)了摩擦過(guò)的琥珀吸引輕小物體.

物理學(xué)史2:公元1世紀(jì),東漢學(xué)者王充在《論衡》中寫(xiě)下“頓牟掇芥”,指的是玳瑁的殼吸引輕小的物體.

物理學(xué)史3:公元1600 年,英國(guó)醫(yī)生吉爾伯特(1544—1603)發(fā)現(xiàn)用摩擦的方法可以使玻璃棒、硫磺、瓷、松香等物體具有吸引輕小物體的性質(zhì).他把這種吸引力稱為“電力”.他創(chuàng)造了電“electricity”.認(rèn)為摩擦過(guò)的琥珀帶有電荷(electric charge).

之后的研究發(fā)現(xiàn),電荷只有兩種:用絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒,用毛皮摩擦過(guò)的硬橡膠棒.其他所有的電荷,都與這兩種電荷相吸或相斥,這兩種電荷相互吸引.18世紀(jì)富蘭克林將用絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒帶的電荷命名為正電荷、用毛皮摩擦過(guò)的硬橡膠棒所帶電荷命名為負(fù)電荷.

問(wèn)題1:摩擦真的可以起電嗎?

學(xué)生:能起電,初中我們學(xué)過(guò).

學(xué)生:可能吧,因?yàn)榭茖W(xué)家們這么認(rèn)為.

……

對(duì)這樣一個(gè)問(wèn)題學(xué)生往往會(huì)比較困惑,因?yàn)?他們認(rèn)為這是理所當(dāng)然的事.教師為什么會(huì)這么問(wèn).可見(jiàn)我們的學(xué)生不一定能正確認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)的可重復(fù)驗(yàn)證性,實(shí)證意識(shí)也不強(qiáng).

師:我們可以論證嗎?

實(shí)際做一下:在相同條件下,科學(xué)知識(shí)可以被重復(fù)驗(yàn)證.科學(xué)探究要有實(shí)證意識(shí).與學(xué)生一起進(jìn)行下列活動(dòng).

活動(dòng)1:請(qǐng)學(xué)生演示絲綢摩擦玻璃棒.說(shuō)明摩擦起電.

活動(dòng)2:小風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)摩擦小泡沫球.說(shuō)明通過(guò)與絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒帶正電可以檢驗(yàn)其他帶電體所帶的電性.

活動(dòng)3:靜電貼.說(shuō)明摩擦后的電荷可以中和.

體現(xiàn)的科學(xué)本質(zhì)觀:

(1) 科學(xué)知識(shí)的可重復(fù)性:在相同條件下,科學(xué)知識(shí)可以被重復(fù)驗(yàn)證.科學(xué)知識(shí)需要觀察或?qū)嶒?yàn)的論證.

(2) 科學(xué)是一種探究,科學(xué)探究需要質(zhì)疑、觀察、提出問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)、總結(jié).

(3) 科學(xué)知識(shí)是人們對(duì)自然界的意義建構(gòu).

3.2 角色變換,與歷史對(duì)話

在對(duì)摩擦起電進(jìn)行歷史回顧及完成上面3個(gè)摩擦起電的活動(dòng)后,與學(xué)生開(kāi)展下列對(duì)話.

對(duì)話1:請(qǐng)同學(xué)們猜想一下,18世紀(jì)的學(xué)者是如何解釋這些現(xiàn)象的?

學(xué)生:電荷是創(chuàng)造出來(lái)的?

學(xué)生:物體摩擦后帶電,合在一起,電被中和.說(shuō)明物體通過(guò)摩擦,正負(fù)電被分開(kāi)了.

學(xué)生:不知道.

……

我們來(lái)看看當(dāng)時(shí)的科學(xué)家提出的部分假說(shuō).

物理學(xué)史4:法國(guó)科學(xué)家杜菲:提出“雙電流質(zhì)說(shuō)”.富蘭克林提出了著名的電荷守恒定律.

師:這些學(xué)說(shuō),是當(dāng)時(shí)的科學(xué)家提出的比較有代表性的對(duì)帶電本質(zhì)的假說(shuō),同學(xué)們覺(jué)得有道理嗎?

學(xué)生:有道理,因?yàn)樗芙忉屇Σ疗痣姮F(xiàn)象.

學(xué)生:沒(méi)有道理,因?yàn)槲矬w內(nèi)沒(méi)有正電流質(zhì)和負(fù)電流質(zhì).

……

教師:今天,我們知道物體帶電的本質(zhì)是什么?

學(xué)生:組成物質(zhì)的原子由原子核和電子組成,核外電子帶負(fù)電,原子核帶正電.所以我們知道所謂的正電流質(zhì)指的就是原子核帶正電,所謂的負(fù)電流質(zhì)指的就是核外帶負(fù)電的電子.

物理學(xué)史5:1897年,湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子.1911年,盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu).

明示:18世紀(jì)的科學(xué)家,在當(dāng)時(shí)社會(huì)文化條件下,進(jìn)行著對(duì)帶電現(xiàn)象的探究,他們根據(jù)觀察到的現(xiàn)象,提出了正負(fù)電荷、發(fā)現(xiàn)了電荷間的作用,提出了對(duì)電的本質(zhì)的假說(shuō).現(xiàn)在看來(lái),當(dāng)時(shí)的假說(shuō)顯然是不完善的.所以說(shuō),人類對(duì)電荷本質(zhì)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了循序漸進(jìn)、不斷探索的過(guò)程.

體現(xiàn)的科學(xué)本質(zhì)觀:

(1) 科學(xué)知識(shí)的暫時(shí)性、客觀性、發(fā)展性.

(2) 學(xué)習(xí)科學(xué)家實(shí)證的科學(xué)態(tài)度及對(duì)科學(xué)不斷探索的科學(xué)精神.

(3) 領(lǐng)悟科學(xué)研究的曲折性和創(chuàng)新性.

對(duì)話2:富蘭克林提出著名的“電荷守恒定律”正確嗎?

下面的學(xué)習(xí),我們一起來(lái)觀察,一起思考,然后來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題.

在學(xué)習(xí)了接觸起電、感應(yīng)起電及其起電本質(zhì)后,學(xué)生自然得出“電荷守恒定律”.

教師:現(xiàn)代物理研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn),光子可以生成一對(duì)正負(fù)電子,一對(duì)正負(fù)電子可以湮滅為光子,光子是不帶電的，如圖1所示.請(qǐng)同學(xué)們分析電荷守恒定律還成立嗎?

學(xué)生:依然滿足電荷守恒定律.因?yàn)殡姾傻目偭坎](méi)有發(fā)生變化.

圖1

由此可以得出電荷守恒定律的另一種表達(dá)形式:一個(gè)與外界沒(méi)有電荷交換的系統(tǒng),電荷的代數(shù)和總是保持不變的.

教師:隨著時(shí)代的發(fā)展,電荷守恒定律是否可能不成立?

學(xué)生:不會(huì).

學(xué)生:有可能.只要有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證實(shí)電荷不守恒.否則,電荷守恒定律就是成立的.

體現(xiàn)的科學(xué)本質(zhì)觀:

(1) 科學(xué)知識(shí)需要觀察或?qū)嶒?yàn)證據(jù)的論證.

(2) 科學(xué)知識(shí)是人們?cè)谝欢ǚ秶鸵欢l件下對(duì)自然事物合乎邏輯的意義建構(gòu).

(3) 隨著時(shí)代的發(fā)展科學(xué)知識(shí)會(huì)不斷完善.

物理學(xué)史是人類對(duì)自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)史,是人類發(fā)展史中一筆巨大的精神財(cái)富,也是科學(xué)本質(zhì)教育的重要資源.重視物理學(xué)史教育,把物理學(xué)的知識(shí)、物理規(guī)律、典型事例、物理學(xué)探究過(guò)程融入物理教學(xué)之中,是科學(xué)本質(zhì)顯性化教學(xué)的重要途徑.

3.3 體驗(yàn)探究,將生活、科技引進(jìn)課堂

讓學(xué)生在熟悉的生活現(xiàn)象中去探究規(guī)律,可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.將科技引進(jìn)課堂,可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神,激發(fā)學(xué)生服務(wù)社會(huì)的責(zé)任感.將生活、科技引進(jìn)課堂可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)是社會(huì)及文化的一部分.科學(xué)和技術(shù)、社會(huì)相互影響.

體驗(yàn)活動(dòng)1:請(qǐng)學(xué)生演示絲綢摩擦玻璃棒.說(shuō)明摩擦起電.

教師在前面演示,同時(shí)請(qǐng)學(xué)生們自己用筆摩擦自己的頭發(fā),看是否能吸引小紙屑.

圖2

體驗(yàn)活動(dòng)2:如圖2,將一塑料薄杯子倒扣在絕緣支柱上,里面有小風(fēng)扇、較多的泡沫小球.教師啟動(dòng)小風(fēng)扇,請(qǐng)學(xué)生仔細(xì)觀察.

(1) 泡沫球帶電嗎?

(2) 如果帶電,你可以判斷泡沫小球所帶電的電性嗎?

學(xué)生:風(fēng)扇與小泡沫球摩擦,所以小泡沫球應(yīng)該帶電.我可以將小泡沫球靠近小紙屑,發(fā)現(xiàn)它吸引小紙屑.說(shuō)明小泡沫球帶電,但我無(wú)法判斷它帶什么電.

學(xué)生:如果給我絲綢和玻璃棒,我可以判斷.

學(xué)生演示用摩擦過(guò)的玻璃棒靠近小泡沫球,小泡沫球被排斥,說(shuō)明小泡沫球帶正電.

圖3

體驗(yàn)活動(dòng)3:靜電貼.

請(qǐng)學(xué)生自己根據(jù)要求完成下列實(shí)驗(yàn),并觀察思考:

(1) 靜電貼帶電嗎?

(2) 分開(kāi)的靜電貼帶電嗎?

(3) 將分開(kāi)的靜電墊貼再合上,還帶電嗎?

學(xué)生自己動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn),親自感受摩擦起電,及電荷的中和.可重復(fù)多次.

靜電貼依靠靜電粘貼在平滑的表面上的,主要貼在電器和機(jī)電產(chǎn)品上,其特點(diǎn)是環(huán)保衛(wèi)生,而且撕下來(lái)還可以再貼上去,粘性不減,現(xiàn)在大多數(shù)的家電廠家都采用這種材料取代不干膠標(biāo)貼.

圖4

體驗(yàn)活動(dòng)4:小球?yàn)槭裁磿?huì)來(lái)回運(yùn)動(dòng)?

如圖4,絕緣玻璃管內(nèi)有一個(gè)小的有錫紙包裹的小球,將玻璃管放置于靜電起電機(jī)的兩個(gè)球形電極間,稍微有一點(diǎn)傾角,玻璃管的內(nèi)徑略大于兩電極的半徑.

向?qū)W生介紹起電機(jī)的原理,搖動(dòng)靜電起電機(jī)的手柄,可以看到小錫紙球在來(lái)回運(yùn)動(dòng).

請(qǐng)學(xué)生描述觀察到的現(xiàn)象.

教師:小球?yàn)槭裁磿?huì)來(lái)回運(yùn)動(dòng)?

學(xué)生:靜電起電機(jī)的兩個(gè)電極帶較多的正負(fù)電荷,小球與其中一個(gè)接觸帶上同種電荷后,被排斥,運(yùn)動(dòng)到另一電極時(shí)與該電極所帶電荷中和,再帶上與該電極同性的電荷,被排斥.如此,小球會(huì)來(lái)回運(yùn)動(dòng).

這是一個(gè)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn),有效地展示了接觸帶電,學(xué)生就比較容易理解小球在搬運(yùn)電荷.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動(dòng),學(xué)生非常感興趣.

體驗(yàn)活動(dòng)5:感應(yīng)起電(課本實(shí)驗(yàn),略).

3.4 問(wèn)題引領(lǐng),探究電荷的本質(zhì)

本節(jié)課的設(shè)置,通過(guò)問(wèn)題串的形式,推動(dòng)內(nèi)容的展開(kāi),并將整個(gè)知識(shí)模塊串聯(lián)起來(lái)形成有機(jī)整體.

問(wèn)題1:摩擦真的能起電嗎?

引出學(xué)生對(duì)摩擦起電的實(shí)證研究.

問(wèn)題2:用什么儀器能檢驗(yàn)一個(gè)物體是否帶電?

引出驗(yàn)電器和靜電計(jì).

問(wèn)題3:驗(yàn)電器(靜電計(jì))為什么選擇金屬桿?

引出絕緣體和導(dǎo)體.

問(wèn)題4:把帶電體移近不帶電的導(dǎo)體,可以使導(dǎo)體帶電嗎?

引出靜電感應(yīng)及感應(yīng)起電.

科學(xué)的本質(zhì)是質(zhì)疑、是探究、是實(shí)證、是好奇……通過(guò)問(wèn)題的設(shè)置,層層遞進(jìn)地研究帶電的本質(zhì),可以引發(fā)學(xué)生的好奇,可以引領(lǐng)他們思考,可以引導(dǎo)他們探究.

結(jié)語(yǔ):重視科學(xué)本質(zhì)教育,可以充分利用物理學(xué)史、重視科學(xué)探究、將生活科技引進(jìn)課堂.同時(shí)設(shè)置引導(dǎo)科學(xué)本質(zhì)觀培養(yǎng)的問(wèn)題,與同學(xué)開(kāi)展關(guān)于科學(xué)本質(zhì)觀問(wèn)題的討論.

1 梁瑋.中美課程標(biāo)準(zhǔn)中科學(xué)本質(zhì)觀教育的比較研究[J].教學(xué)研究,2015,38(1):112-116.

2 李雪林.物理教學(xué)要體現(xiàn)科學(xué)探究的本質(zhì)[J].物理教師,2016,37(12):9-11.

本文系江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃“十二五”重點(diǎn)自籌課題“基于科學(xué)本質(zhì)教育的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐研究”(課題編號(hào):B-b/2013/02/326)的研究成果之一.

2017-08-11)