通过序列化实验建构物理模型的设计*——以“静电”为例

叶文佳 李悦童 张轶炳

(宁夏大学物理与电子电气工程学院 宁夏 银川 7500212)

在世界范围内，模型与建模的教育价值逐渐得到科学教育研究领域的认可，认为模型与建模是科学发展的重要元素，也是科学学习中不可或缺的认知与能力[1]．科学建模是新一轮国际课程改革关注的热点[2]．至于建模教学，历来是国内外物理教育研究的热点，很多国家的科学课程标准都将建模能力作为重要的培养目标[3]．物理学科作为一门抽象性较强的学科，通过实验建构物理图示、概念、原理、定律等模型有着不言而喻的益处．

在中学物理中，学生只关注零散的知识点，依靠“死记硬背”的方式学习抽象物理概念、原理和定律，无法构建系统化的知识体系．如何在物理教学中让学生通过序列化实验循序渐进地建构物理模型，形成系统化的知识结构，是值得我们探讨的课题．

1 模型的内涵及建模的方法

关于“模型”的概念有各种解释．在PhysicsforScientistsandEngineerswithModernPhysics一书中对模型的阐述如下：“A model,in the scientist′s sense,is a kind of analogy or mental image of the phenomena in terms of something we are familiar with.The purpose of a model is to give us an approximate mental or visual picture-something to hold on to-when we cannot see what actually is happening.”[4]其意思是：从科学家的角度来看，模型是将一类现象转变为我们所熟悉事物的一种类比或图像．建立模型的目的是在我们无法看到实际发生的事情时，为我们提供一个大致的心理或视觉图像，让我们能够坚持下去．在《物理学：基本概念及其与方方面面的联系》一书中说道：“理论与原理、定律和模型的意义差不多．模型是一种可以直观想象的理论．而原理或定律则是更为普遍的理论当中的一个观念．”[5]美国教材《物理原理与问题》则认为“一个观念、方程、结构或系统，都可以为你想解释的现象建构模型．科学模型是建立在实验的基础上的．”[6]我国《现代汉语词典》中对模型的界定提到“用数字公式或图形等显示实物的抽象结构或系统．”[7]综上所述，模型是对现象或实物特征的一种结构性和系统化的抽象，可以表现为3种形式，一是概念、原理、定律等文字表征，二是公式、方程等符号表征，三是各种图示及数学函数图等图形表征．我们这里研究的物理模型就是基于以上3种表征．

物理学的模型都是科学家们通过大量的实验及理论推理建构出来的，我们学习物理学知识不可能完全再现科学家们漫长的实验研究过程．但对一些难以理解的理论，我们则可以通过设计一些序列化的实验，让学生通过做实验，观察实验现象，测量实验数据，自己归纳抽象出物理模型，由此学生才能理解知识的意义，达到知识的意义建构．

2 通过序列化实验建构物理模型的设计

电荷作为静电场一章的第1节，是电场内容的预备性知识，也是高中阶段电学内容的开端．学生对于电荷的理解，是对电学部分知识结构的初步建构，关系到电磁学知识间的系统化．同时，电荷是看不见摸不着的，电荷间的相互作用也只能观察到宏观现象，学生在日常生活没有实物模型可以作为参考．而许多学生的抽象逻辑思维能力不足，仅仅通过教材中的文字描述或物理学史的介绍，难以对静电形成序列性、系统化的认识．这也导致学生之后学习电场、电势、电压等抽象性更强的概念时，有较大的障碍与误区．因此，引导学生建构起两种电荷模型、起电模型，能够为学生之后建构更加复杂的电学模型奠定基础．

本节以“静电”部分为例，以序列化实验为基础，围绕静电模型的建构进行设计．力图以多个序列化的实验为载体，以一系列应用型问题为辅助，让学生经历自主建构模型的过程，建构正负电荷、摩擦起电、传导起电、感应起电模型、电荷守恒定律等模型，由此培养学生的建模能力．

2.1 正负电荷模型建构过程

实验1:起步实验——胶带起电实验

实验设备:胶带，桌面．

实验步骤:(1)准备两条10～15 cm的胶带，将一端折叠起5 cm作为把手，将余下的的部分贴在书桌上，将两条胶带从桌面拉起并使它们彼此靠近；(2)将一条胶带贴在桌面上，另一条胶带贴在第一条的上面，然后，捏着重叠胶带的一端并向上拉起，使两条胶带一起离开桌面，用手接触胶带使其放电，并快速地将它们分开，再使它们彼此靠近．

实验现象:(1)贴在桌面上的两条胶带在拉起之后相互排斥；(2)重叠贴在桌面上的两条胶带在拉起分开之后相互吸引，如图1所示．

图1 同样贴在桌面和重叠贴在桌面的两条胶带的作用情况

实验结论：相互排斥的两条胶带带同种电荷，相互吸引的两条胶带带异种电荷．

提出问题：自然界存在几种电荷？

实验2：检验两种电荷实验

实验设备：胶带，丝绸，玻璃棒，毛皮，橡胶棒，PVC管，塑料棒．

实验步骤：(1)将实验1中重叠贴在桌面上的两条胶带进行标记，下方的胶带标记为A，上方的胶带标记为B；(2)将胶带A和胶带B的一端分别粘在桌沿上，并保持一定距离；(3)将毛皮、丝绸与橡胶棒、玻璃棒、PVC管、塑料棒等随意组合进行摩擦，并分别靠近胶带A和B；(4)观察不同带电物体对胶带A和B的作用情况．

实验现象：将观察到的结果填写在表1中，部分实验现象如图2所示．

表1 不同带电物体对胶带A和B的作用情况

图2 不同带电物体靠近胶带的作用情况

实验结论：带电物体靠近带异种电荷的胶带A和B，只有排斥胶带A、吸引胶带B或排斥胶带B、吸引胶带A两种情况，说明带电物体只与胶带A或B带同种电荷；没有同时排斥或吸引两条胶带的带电物体，即不存在第三种电荷．

两种电荷及其相互作用模型初建：自然界只存在两种电荷，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引．

物理学史：1746年富兰克林规定，把用丝绸摩擦过的玻璃棒带的电荷叫做正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电荷叫做负电荷．

正电荷负电荷模型建构：

拓展问题:判断胶带A和B分别带何种电荷？

模型应用:胶带A与毛皮摩擦过的橡胶棒相互排斥，带同种电荷，故胶带A带负电荷；胶带B与丝绸摩擦过的玻璃棒相互排斥，带同种电荷，故胶带B带正电荷．

2.2 3种起电模型建构过程

2.2.1 摩擦起电模型建构过程

实验3：检验PVC管带电实验

实验设备：胶带，毛皮，PVC管．

实验步骤：(1)将毛皮与PVC管进行摩擦；(2)将摩擦之后的PVC管靠近实验2中的胶带A和B；(3)观察PVC管对胶带A和B的作用效果．

实验现象：PVC管排斥胶带A，吸引胶带B，如图3所示．

图3 与毛皮摩擦后的PVC管对胶带的作用情况

提出问题：与PVC管摩擦的毛皮是否带电？如果带电，带何种电荷？

实验4：检验毛皮带电实验

实验设备：胶带，毛皮，PVC管．

实验步骤：(1)将毛皮与PVC管进行摩擦；(2)将摩擦之后的毛皮靠近实验2中的胶带A和B．

实验现象：毛皮吸引胶带A，排斥胶带B，如图4所示．

图4 与PVC管摩擦后的毛皮对胶带的作用情况

实验结论：摩擦后的PVC管与毛皮都带电，PVC管带负电，毛皮带正电．

认识原子结构：20世纪初科学家发现，原子也有进一步的结构，它的中心是原子核，在原子核周围，有一定数目的电子在核外运动，氢原子和氦原子的结构如图5所示．

图5 氢原子和氦原子的结构

电子是带有最小负电荷的粒子，原子核带正电．在通常情况下，原子核所带正电荷与核外所有电子所带的负电荷在数量上相等，原子整体不显电性，物体对外也不显电性．

从微观角度分析摩擦起电：不同物质的原子核束缚电子的本领不同，当两个物体摩擦时，哪个物体的原子核束缚电子的本领弱，它的一些电子就会转移到另一个物体上．失去电子的物体带正电，得到电子的物体因为有了多余电子而带等量的负电荷．

摩擦起电模型建构：

文字表征.用摩擦的方法使两个不同的物体带电的现象，叫摩擦起电．摩擦起电是电子由一个物体转移到另一个物体的结果，使两个物体带上了等量的电荷．得到电子的物体带负电，失去电子的物体带正电．

图示表征.PVC管与毛皮摩擦过程中，毛皮失去电子而带正电，电子转移到PVC管上，PVC管得到电子而带负电，如图6所示．

图6 PVC管与毛皮的摩擦起电图示模型

拓展问题：利用摩擦起电模型解释玻璃棒与丝绸摩擦后带正电荷的原因．

模型应用：玻璃棒与丝绸摩擦过程中，玻璃棒失去电子而带正电，电子转移到丝绸上，丝绸得到电子而带负电．图示表征如图7所示．

图7 玻璃棒与丝绸的摩擦起电图示模型

2.2.2 传导起电模型建构过程

实验5：验电器传导起电实验

实验设备：PVC管，毛皮，验电器．

实验步骤：(1)将PVC管与毛皮摩擦；(2)将摩擦后的PVC管接触验电器的金属片；(3)观察金属箔片的变化情况．

实验现象：验电器的金属箔片张开，如图8所示．

图8 PVC管接触验电器实验现象

实验结论：带电PVC管接触验电器会使其带电．

提出问题：用带电PVC管接触带绝缘支架的金属球会使其带何种电荷？

实验6：金属球传导起电实验

实验设备：PVC管，毛皮，带绝缘支架的金属球．

实验步骤：(1)用与毛皮摩擦后的PVC管接触金属球；(2)将金属球靠近胶带A和B．

实验现象：金属球排斥胶带A，吸引胶带B，如图9所示．

图9 金属球传导起电实验现象

实验结论：金属球与带负电的PVC管接触起电后带负电荷．

从微观角度分析传导起电：当一个物体带电时，所带电荷之间相互排斥，如果接触另一个导体，电荷会转移到这个导体上，使这个导体也带电．

传导起电模型建构：

文字表征.传导起电是指带电物体与另一个导体相互接触，带电物体中的电荷转移到这个导体上，使其带电的现象．

图示表征.PVC管中的负电荷相互排斥，接触到金属球时，一些负电荷移动到金属球上，使金属球带上了等量的负电荷，如图10所示．

图10 传导起电的图示模型

拓展问题：利用传导起电模型解释验电器的工作原理．

模型应用：由于PVC管所带负电荷相互排斥，接触验电器时，一些负电荷就转移到验电器上，验电器上带上了等量的负电荷，两个金属箔片带上同种电荷相互排斥而张开，由此来判断物体有没有带电．图示表征如图11所示．

图11 验电器原理图示模型

2.2.3 感应起电模型建构过程

实验7：验电器感应起电实验

实验设备：验电器，PVC管，毛皮．

实验步骤：(1)将PVC管与毛皮摩擦；(2)将摩擦后的PVC管靠近验电器的金属片(注意不要接触)；(3)观察金属箔片的变化情况．

实验现象：验电器的金属箔片张开，如图12所示．

图12 验电器感应起电实验现象

实验结论：带电的PVC管靠近验电器会使验电器带电．

提出问题：用带电PVC管靠近带绝缘支架的两个金属球，两个金属球会带同种电荷还是异种电荷呢？分别带何种电荷？

实验8：金属球感应起电实验

实验设备：两个带绝缘支架的金属球，毛皮，玻璃棒.

实验步骤：(1)将金属球A和B相互接触；(2)将与毛皮摩擦后的PVC管移近其中一个金属球；(3)保持PVC管不动，将两个金属球分开：(4)将金属球A和B分别靠近胶带A和B．

实验现象：金属球A吸引胶带A、排斥胶带B；金属球B排斥胶带A、吸引胶带B．如图13所示．

图13 金属球感应起电实验现象

实验结论：靠近PVC管的金属球A带正电荷，与PVC管带异种电荷；远离PVC管的金属球B带负电荷，与PVC管带同种电荷．

从微观角度分析感应起电：当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带异种电荷，远离带电体的一端带同种电荷．

感应起电模型建构：

文字表征.静电感应是导体内自由电荷在带电体作用下重新分布，导体两端出现等量正负感应电荷的现象，利用静电感应使金属导体带电的过程叫作感应起电．

图示表征.在带负电PVC管的作用下，两个金属球中的正负电荷分离，移动到两端，使两个金属球带上等量异种电荷，如图14所示．

图14 金属球感应起电图示模型

拓展问题：利用感应起电模型解释胶带实验中人的手指为什么能够吸引胶带A．

模型应用：当手指靠近带负电的胶带A时，手指中的负电荷远离带电体，使指尖带上等量正电荷，于是和胶带A相互吸引．图示表征如图15所示．

图15 手指感应起电图示模型

归纳总结：总结3种起电方式的图示模型，起电前后其电荷的总量有何规律？

由摩擦起电图示模型与传导起电图示模型可知负电荷只是从一个物体转移到另一个物体；由感应起电图示模型可知正负电荷只是分离并移动到两端，从整体上看，起电前后电荷的总量始终不变．

电荷守恒定律模型建构：电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变．

3 结束语

本文基于中美两国教材静电场一章的详细对比，设计以胶带为主要材料的序列化实验帮助学生建构正负电荷模型、3种起电模型．胶带实验所涉及的实验设备皆是日常生活中常见的材料，如胶带、塑料棒等，便于学生就地取材进行实验，有利于激发学生的探索欲望，促进学生理论与实践的结合．传统实验中所使用的实验设备玻璃棒、橡胶棒、丝绸等在日常生活中难以获取，且其带电效果并不明显，如相互作用实验中两个带电玻璃棒很难出现相互排斥的现象，静电感应实验中橡胶棒所带电荷较少，难以引起金属球的感应起电．用胶带、PVC管取缔传统玻璃棒、橡胶棒、丝绸、毛皮进行起电实验，可以弥补传统静电实验取材困难、实验效果不明显的弊端，同时给学生提供一个利用胶带判断正负电荷的简易方法．本文通过多个序列化建模实验、应用型实验，引导学生一步一步建构正负电荷、起电方式的科学模型，使其从中获得正负电荷的操作性定义，从微观角度加深其对3种起电方式本质的理解，对学生静电部分的深入学习有一定的帮助．