ARTICLE · 1006017
收藏学习《可视化设计赋能高中物理实验——以“库仑定律”教学为例》
收藏学习《可视化设计赋能高中物理实验——以“库仑定律”教学为例》
高中物理教学应用可视化教学,将所有知识点的形成过程以可视化(实验、图表、信息技术等)方式展示给学生,减少学生理解难度,提升课堂教学的实 效性。可视化技术的介入可通过计算机模拟、传感器数据采集、增强现实(AR)等技术实现,教师可凭 借可视化技术将微观现象宏观化、动态过程静态化、复杂原理直观化,为突破实验教学瓶颈提供了新的技术路径。 高中物理中经常会碰到抽象的物理量,例如电场线、磁感线、压强、摩擦力方向等,学生在知识建构过程中会比较困难,从而使大脑的认知状态处于非平衡态。此时,利用物理实验或概念图教学等可视化手段,搭建台阶,使得学生的认知结构逐步加强。“库仑定律"是人教版高中物理必修三中的重要一节,具有一定的抽象性,难以直观感受库仑定律中的各方关系,现利用可视化教学方法改进实验器材可以提升教学效果,提升学生对库仑定律的理解层次,促进学生物理学科核心素养发展。 1 教材装置在教学实施过程中的不足之处 “库仑定律"是人教版高中物理必修三第九章第2节的内容,也是静电学的基础核心定律,与万有引力定律共同构成"平方反比律"的典型范例,是后续电场强度、电势能等概念的知识生长点。通过实验定性探究电荷间作用力的影响因素,进而推导定量关系,体现了"实验归纳→数学建模"的科学思维方法。《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》强调"通过实验探究静电力的大小与电荷量、距离的定量关系"[]。因此,在通过实验探究的基础上进一步加深学生对物理概念、规律的理解尤为重要。按照课本上的方案进行实际实验授课时发现两个问题(见图1): 
第一,两球带电后悬挂的小球晃动剧烈,无法静止在某一位置;第二,丝线的偏图1 教材定性实验装置角θ很小,3次移动悬点,距离较远后不容易观察到偏角的变化,有的实验小组偏转角θ变化得较小,可视化效果不明显,学生难以体验探究实验的科学思维和方法,同时实验缺少定量的探究过程,难以有效激发学生的学习兴趣。教材给出库仑扭秤装置,见图2,细银丝旨在引导学生对两带电小球的静电力大小与电荷距离之间的关系进行定量探究。使用该实验装置进行演示时, 主要存在以下几个问题: 
(1)演示实验操作难度大,影响了库仑力大小观测数据的精确度。(2)在扭转角度比较小的情形下,就进一步增大了演示实验的操作难度。(3)点电荷是一个理想化模型,难以在实验环境下真实重现在空气环境中,带电小球的电荷量泄漏过程快,操作难度大,仪器较小,可视性差,学生难以体验探究实验的科学思维和方法。 综上所述,由于教材所给的实验装置操作难度较大,而且难以获取量化的实验数据,需对库仑定律实验进行改进,使库仑力观测结果可视化。 2 加持可视化技术,创新制作实验装置 物理学科的实践性很强,在教学活动中要以学生为中心,注重实验探究,充分发挥学生的主观能动性,同时更要考实验方便观察和测量,提高可视化程度,使学生进一步理解知识内容。 2.1 教材中定性实验改进 根据本节教材定性实验方案和学生的认知发展水平,对实验中学生操作可能出现的生成性问题制定相关的解决方案,设计如图3所示的实验装置,对教材实验进行优化。 （1）改变小球悬挂方式。本实验没有用铁架台,而是用自制的木头框(见图3),木头框中间固定有15厘米的横杆,可将单摆线做成双线摆(见图4),这样两球带电后悬挂的小球能平衡在某一位置,摆角是稳定的。 
（2）改变悬挂物的材料。纸包裹泡小球,漏电严重导致摆角较小,实验效果不明显,因此改用1厘米左右的纸质吸管外层用锡纸包住,再用热熔胶连上摆线,这样锡纸表面是平滑的,没有凸起的地方，不仅能带上的电荷量多,而且漏电也少,悬丝的摆角变化明显。 (3）实验中木头框宽和高都超过了一米,上面可以固定大号的量角器,量角器上有指针,可以标识摆角,当摆角变化时,前后对比实验现象明显,可视化程度有很大提高,后排的学生也能看清。另外,用竖直的红色细杆对两球做标记,实验时操作简单,不再需要用尺子测量距离。 2.2 库仑定律定量演示实验的设计 为定量测定静电力与电荷量和距离的关系,实验的设计关键点在于突破对静电力的测量和距离的测定,将微小力放大化,便于学生读取数据,即如何提高实验的可视化程度。通过查阅相关资料和技术知识,结合数字化装置的应用,我们创新设计以下可视化的定量探究实验方案。 2.2.1 实验器件 高精度电子秤、起电机、金属球、标有刻度的PVC管、升降台、水平仪、吹风机、取暖器等。 2.2.2实验装置 实验装置如图5所示。 
2.2.3 实验操作过程 用绝缘底座固定一金属球放在精度为0.001 g 的电子秤上,另一相同金属球固定到PVC管上,用 铁架台固定PVC管,铁架台放在升降台上,通过升 降台可以改变两球之间的距离,两球先不带电,选择 电子秤置零,再让两球带上同种电荷,此时电子秤的示数乘以g就是静电力的大小。测定两小球的距离 利用升降台来调节距离,利用激光准直读取,从而进 行设计可视化探究和验证静电力与电荷量和距离的 关系,利用Excel表格处理数据,使结论也直观可视。 3 定量探究库仑定律过程 31探究静电力与距离的关系 实验一 验证电荷间作用力与距离平方的反比关系;控制电荷量不变,改变两金属球之间的距离。 如图6所示,本定量实验中,先让两球接触,此时球心间距为小球直径4.5 cm(提前测量),将激光 水平仪放在升降台上,调整高度,使水平激光打在PVC管标识的刻度 4.5 cm处,以此位置作为参照,上方小球每上升一格,即两球心间距增加1.0cm。例如球心间距依次可取5.5 cm、6.5 cm、7. 5 cm、8.5cm、9.5cm进行实验,观察电子秤示数。 
3.2 探究静电力与电荷量的关系 实验二 验证电荷间作用力与电荷量乘积的正比关系:控制距离不变,改变金属球的电荷量。 本实验中验证静电力和电荷量的正比关系,采用将两个完全相同的带电导体接触后再分开,二者将原来所带电量的总和平均分配的做法,也就是说如果用与两金属球相同的不带电小球每接触下方小球一次,下方小球电荷量就减少为原来的一半,如果每次取电后两球间静电力也减少为原来的一半,则可证明静电力与电荷量成正比,检测得到的数据见表2。 根据表2不难看出,静电力与电荷量大小成正比。用Excel表格绘制静电力F与电荷q的关系, 如图8所示。 
4 结束语 物理学是一门以实验为基础的自然学科,所有的结论都来源于实验事实。教师基于可视化技术进行高中物理实验创新,是教师"教而后知其困"中困惑解决的有效途径,更为学生建构物理知识提供真实直观的情境支持。 参考文献 [1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2017年版 2020年修订)[S].北京:人民教育出版社,2020 ［2］彭前程,黄恕伯.物理(必修三)[M].北京:人民教育出版社,2019,6 7.