科学猜想，自主构建——“库仑定律”教学设计，本文主要内容关键词为：库仑定律论文,教学设计论文,自主论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
内容简析
本节内容的核心是库仑定律，它不仅是电磁学的基础，也是物理学的基本定律之一。它阐明了带电体相互作用的规律，为整个电磁学奠定了基础。教材详细介绍了库仑的实验，目的是使学生了解一些重要的物理实验方法，了解探究的过程，活跃学生的思维。教材还介绍了点电荷这个理想化的物理模型。理想化模型是物理学研究的一种重要方法。
本节课分两个环节进行探究：首先做好“探究影响电荷间相互作用力因素”的定性演示实验，然后在此基础之上再定量探究其所遵循的规律。每一次探究，都遵循科学探究的基本过程，从而使库仑定律的得出水到渠成。
目标定位
一、知识目标
(1)了解规律定性与定量的探究过程。
(2)会用控制变量法探究影响静电力大小的因素。
(3)理解点电荷是一种理想化的模型。
(4)了解库仑扭秤，掌握库仑定律的文字表述及其表达式。
二、能力目标
(1)通过静电力大小的探究过程，培养学生观察、探究及实验的综合能力。
(2)通过实验探究静电力的大小，得出库仑定律，并体会物理学实验探究的一般过程。
(3)掌握探究物理规律的一般方法——控制变量法。
(4)运用库仑定律并结合力学规律求解有关问题。
三、情感目标
(1)感悟科学探究方法，领悟实验在物理学科中的地位与作用。
(2)体验和分享探究成功的喜悦，对科学探究产生浓厚的兴趣。
(3)通过静电力与万有引力的类比，使学生体会自然规律的多样性和统一性，体会自然界和谐之美。
(4)以库仑扭秤实验为载体，渗透物理文化和科学思想方法的教育。
(5)使学生养成与他人合作、交流、反思的习惯，培养学生共同探究和团队协作精神。培养与他人交流合作的能力，提高理论与实践相结合的意识。
方法阐释
创设物理情境，引导学生科学猜想，做好“探究影响电荷间相互作用力因素”的定性演示实验，运用类比的方法想象两电荷间的相互作用力，引导学生采用控制变量的方法探究物理规律。介绍科学家们在探究规律的过程中遇到困难时巧妙解决问题的方法，为学生探究问题积累经验和能力。
本节介绍了几种物理学重要的研究方法：科学猜想、控制变量法、理想化模型、科学探究的方法等。在教学过程中，除了让学生掌握库仑定律的有关重要的知识外，还要注重教给学生物理学重要的研究方法。
在教与学的设计上，通过设计活动让学生充分参与，教师重在引导、点拨、组织等。注重过程教学，让学生体验规律的来龙去脉，搞清规律的内涵和外延。
教学流程
一、创设情境，提出问题
师：在初中我们学过两个带电体之间的作用力，请同学们思考两个带电体之间的作用力有什么特点？它们之间施加作用力需要接触吗？
学生：同性相斥，异性相吸。它们之间施加作用力不需要接触。
师：其实这只是对带电体相互作用力的一个粗浅认识。
那么两个带电体之间的作用力到底和哪些因素有关？又和它们之间有着什么样的关系呢？请同学们结合以前在力学中所学到的知识进行猜想，多媒体投影，留1～2分钟时间让学生思考，并分组讨论（学生前后桌四人组成一个讨论组，这是事先根据动手能力、表达能力、想象能力、结合学生学习成绩进行的组合，其目的是使实验探究能顺利进行，同时也可使同学们优势达到互补）。
学生甲组：带电体之间的作用力类似于物体之间的万有引力，不需要相互接触，所以我们组认为两个电荷之间的作用力与带电体的形状、大小、带电的多少、两带电体之间的距离有关。
学生乙组：与带电体的形状、大小、两带电体电荷量、两带电体之间的距离有关。
师：同学们的猜想都很好，不过甲组、乙组猜想不尽相同，如果带电体之间的距离比较远，比它们自身的大小大很多时，请同学思考一下它们的大小和形状对所研究的相互作用力影响大吗？
学生：不大，可以省略。
师：今天我们研究的就是这样两个带电体，带电体之间的距离比它们自身的大小大很多，它们的大小和形状对它们之间相互作用力的影响可以忽略不计，我们把这样的带电体叫做点电荷。它类似于力学中的质点。同学们类比质点思考点电荷是怎样的带电体？请同学们阅读教材中小字部分，小组交流讨论讨论。
学生：点电荷和质点都是抽象出的理想化模型，实际上并不存在。只有当带电体之间的距离比它们自身的大小大得多，以至于带电体的大小和形状对它们之间相互作用力的影响可以忽略时，这样的带电体才能看成点电荷。
师：对，同学们在理解点电荷时要类比质点来掌握。如很小的带电体不一定能看成点电荷，很大的带电体也可以看成点电荷。关键要看研究的问题，如果研究的问题与带电体的大小和形状无关或者带电体的大小和形状的影响可以忽略时，就可以看成点电荷。
【设计意图】这一阶段通过创设情境形成科学问题，引导学生应用类比的方法猜想两个电荷之间的作用力与哪些因素有关，为后续研究问题指明了方向，提供了方法。通过点电荷的学习，让学生再次体会理想化模型，并与质点类比学习，以便学生更好地掌握。
二、设计实验，验证猜想
师：研究一个量和多个量的关系时，我们通常采用什么方法？
学生：控制变量法。
师：下面同学们分组设计实验方案，验证一下你们的设想（学生前后桌四人组成一组，每组有两个被绝缘的金属球、一个通草球、一个感应起电机、一个支架、一根细丝）。
学生动手设计实验，教师在旁边巡视，对需要帮助的小组进行指点。学生在实验时若不知道如何改变金属球电量，教师可以提示。要给学生留有一定时间，时间长短教师在巡视时视具体情况而定。
师：请各小组选一位代表说说你们的设计方案、实验操作过程和观察到的结果。
学生丙组：将通草球用细丝悬挂在支架上，然后通过手摇感应起电机使金属球和通草球带电。将被绝缘的金属球靠近通草球时，会看到细丝偏离了一个角度。如果保持电量不变，增大距离，偏角减小；减小距离，偏角增大。如果保持距离不变，可以拿另外一个金属球和这个金属球接触，发现随着接触电量（原来那个金属球）在减少，偏角减少。
学生丁组：我们组和丙组结论一样。
师：其他组情况如何？
学生：一样。
师：刚才同学们通过设计实验观察到了：当带电体之间距离增大时，它们之间相互作用力减小；带电体电量减小时，相互作用力减小。
【设计意图】在学生对静电力感性认识的基础上，进行定性探讨，利用实验归纳出静电力与电荷量和电荷间距之间的定性关系，促进了学生对物理规律意义的深刻理解，对学生学习物理规律的内在建构过程和认知有重大意义。
三、科学猜想，定量验证
师：定性研究之后，我们再来定量研究。同学们结合万有引力定律大胆地猜想，两带电体之间的相互作用力即静电力和它们之间的距离，以及它们所带电量有什么关系？
学生：将带电体的电量类比为物体的质量，类比万有引力定律，两带电体之间的作用力可能和它们之间距离的平方成反比，和它们电量的乘积成正比。
师：怎样验证你们的猜想？
学生：采用控制变量的方法，进行实验验证。
师：历史上有一位著名的科学家库仑对两带电体的相互作用力进行了详细研究，但在研究过程中发现两带电体之间的静电力一般不太明显。同学们根据我们以前所学的知识想一想，有没有什么办法把力的效果放大一些呢？
学生：可以仿照卡文迪许扭秤实验的办法来试试。
师：很好，库仑就是借鉴前人成功的经验，制作了库仑扭秤实验。将两个小球加在一个倒立的T形架上，T形架上方用金属丝悬挂起来。由于静电斥力作用，T形架会转过一定的角度。由于力臂不变，同学们不难理解T形架转过的角度正比于静电力的大小。上方有一个可以测量转过角度的旋钮。为了这个实验操作起来更加稳定和方便，T形架外边罩一个透明的带刻度的玻璃罩。这就形成当年著名的库仑扭秤。这样研究静电力与两带电体之间距离和电量的关系，就变为研究T形架转过的角度与两带电体之间距离和电量的关系。库仑是历史上第一个比较精细定量的研究两个电荷之间作用力的人（多媒体展示库仑扭秤图片示意图）。
师：由于悬挂的游丝非常灵敏，操作这个实验的时间特别长，在课堂上不容易完成。
但同学们可以讨论一下，用库仑扭秤探索两点电荷之间相互作用的原理。
学生讨论后认为：当T形架转过一定的角度时，悬挂的游丝产生一个力矩，其大小可由转过的角度乘以一个扭转系数（这个系数是一个常数，应与材料有关，我们可以把它测出来或是查表解决），当静电力的力矩和游丝产生的扭转力矩相等时，带电体处于平衡。这时我们可以测出两点电荷的距离，从而求出静电力。在此基础上，我们采用控制变量法，探求在电量不变的条件下，研究两点电荷之间的距离和它们之间静电力的关系，在距离不变的条件下，研究两点电荷的带电量和它们之间静电力的关系。
师：同学们刚才设计得很好。不过历史上在研究静电力时，物体带电量的多少是无法测量的，并且电量也没有单位，不知多少电荷是一库仑，给研究带来了很大的困难，可是库仑想到了可以将电量拆分的方法。库仑发现，两个相同的带电金属小球互相接触后，它们对相隔同样距离的第三个带电小球的作用力相等，所以他断定这两个小球所带的电荷量相等，如果把一个带电小球和一个不带电的完全相同的金属小球接触，前者的带电量就会分给后者一半，库仑就用这个方法，把带电小球的电荷量q分为原来的q/2，q/4，q/8……进而可以研究力和电量的关系。
【设计意图】进行实验研究之前引导学生进行猜想，促使学生思维与物理现象和定性研究结果相互作用，定量探究过程中从卡文迪许扭秤启发学生想到库仑扭秤实验，让学生体会科学发展的相互联系。
四、分析总结，应用提高
师：真空中的两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上，这就叫做库仑定律。它们之间的相互作用力称为静电力或库仑力。其数学表达式为
学生计算后得出：微观粒子的万有引力远小于库仑力，因此在研究微观带电粒子的相互作用时，可以把万有引力忽略。
师：空间有多个点电荷时，怎样求其中一个点电荷受到的力？（多媒体投影）
例2已知真空中有三个点电荷，它们固定在边长为50cm的等边三角形的三个顶点上，每个点电荷都是
，求它们所受的库仑力。
学生通过计算及小组内讨论后得出：两个点电荷或两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力，等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力矢量和。
师：如果带电体不是点电荷，那么带电体之间的静电力还能计算吗？请同学们考虑一下。
学生：可以，可以将带电体分成许多点电荷，根据库仑定律和力的合成法则就可以求出带电体间的静电力的大小和方向。
【设计意图】加深学生对库仑定律的理解，让学生体会规律来源于实践，并在实践中加以应用。
五、系统构建，总结深化
师：本节课我们学到了哪些方法和哪些知识，请同学们总结一下。
学生：在科学猜想的基础上，采用控制变量法探究带电体间的静电力与它们所带的电荷量及它们之间距离的关系，在探究的过程中我们学习了点电荷这一理想化的模型。知道了两个点电荷之间的相互作用力满足库仑定律。
【设计意图】让学生真正感悟、体验规律的来龙去脉。
教有所思
我感到无论何种课、无论上什么内容、无论用何种教学媒体，要上好课，关键的问题是老师能提供丰富的问题背景材料，然后提出问题，对问题进行合理猜想，设计实验进行探究，从而建构结论。尤其是设计课堂提问，课堂问题设计是一堂课的“灵魂”，因为问题设计决定着教学的方向、顺序，问题设计关系到学生思维活动开展的深度与广度、知识结构建构的精细与稳固程度及学习策略的获取。
我在设计中力求体现：以学生发展为本，面向全体学生，根据学生的实际情况选择教学方法；凸显提出假设、实验验证、得出结论的科学探究的基本过程，同时注重科学方法的渗透，培养学生良好的物理思维习惯；在探究学习中，鼓励学生自由想象，敢于提出自己的假设和预见，敢于动手实验验证并归纳出自己的结论，让每个学生都能体会到物理规律产生的艰辛过程，同时进一步培养学生的团队协作、共同探究的科学素养。
课后感到不足之处是本节课应用类比的方法将力学规律应用于带电体之间的相互作用是比较成功的，但是验证起来困难比较大，由于学生的实验能力较弱，做成功的小组不多。建议课后继续探讨。