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1、电荷库仑定律教学设计【教材分析】 这是高中物理教材第二册（必修加选修），第十三章第一节。本节知识是高中物理电磁学部分的开篇，它涉及电荷守恒定律以及库仑定律两个重要定律，是此后电磁学的重要基础。【教学目标】1、 知识与技能：（1）知道静电感应、感应起电及电荷守恒定律；（2）知道元电荷及电子的比荷；（3）知道点电荷是个理想化模型；（4）理解库仑定律的涵义及简单应用。2、过程与方法：（1）以学科为载体，渗透探究式教学（2）以实验为基础，培养观察和设疑、捕捉信息、推理和判断、分析和归纳等能力。3、情感态度与价值观（1）知道科学研究方法（库仑扭秤实验）在科学研究中的重要作用；（2）领略自然界的奥秘（微观
2、领域的库仑定律与宏观领域的万有引力定律极其相似）；（3）培养学生的创新意识（电荷守恒定律的变式实验教学）。【教学重点、难点】1、 教学重点：电荷守恒定律以及库仑定律的含义及应用。2、 教学难点：静电实验的演示，库仑力与距离的平方反比关系的得出与理解。【设计思想】 为了最大限度地发挥学生的主观能动性，切实提高学生复习效率，采用研究与探索相结合的教学方法，教学思想如下：提出问题猜测与假设设计与验证分析与评价得出规律失败成功【教学过程】一、结合自然现象和社会生活，引入新课，激发学生学习物理的热情，增强学生能把物理知识与实际生活和自然相联系的意识图片：闪电等自然现象；电灯、电话、广播、电视、通讯、电脑
3、等等生活工具；法国的物理学家库仑简介。说明：联系实际与物理学史来引入新课。二、通过变式实验，分析感应起电的原因，揭示电荷守恒定律，培养学生实验的观察能力以及分析推理、总结归纳的能力，体会微观世界的奥秘 1、结合原有知识，揭示摩擦起电、接触起电的实质实 验 丝绸与玻璃棒摩擦起电问 题 摩擦起电是不是创造了电荷？这种起电的原因是什么？分 析 不是创造了电荷，摩擦起电的原因是物体内原子中的原子核束缚电子的本领不同，电子会从一个物体转移到了另一个物体，比如：丝绸与玻璃棒摩擦，玻璃棒内的一部分电子会转移到丝绸上，玻璃棒失去一部分电子而带正电，丝绸得到这一部分电子而带等量的负电，但电荷的总量不变。问 题
4、物体是否带电，可以通过什么仪器来检验？（验电器）实 验 玻璃棒与丝绸摩擦后，与单枕形导体A接触，箔片张开。问 题 导体上的箔片带了同种电荷而排斥张开了，导体上的电荷是不是创造出来的？这种起电方式是什么原因？分 析 玻璃棒与导体接触时，导体内的一部分电子转移到了玻璃棒上，导体失去一部分电子而带正电，玻璃棒得到这部分电子而中和了等量的正电荷，从而使玻璃棒上的正电荷减少，但电荷总量不变。实 验 另一个单枕形导体B与A接触，发现A上的箔片张角减小，说明电量减少，B上的箔片张角增大，说明电量增多。分 析 B内的一部分电子转移到A上，B失去这部分电子而带正电，A得到这部分电子，中和掉等量的正电荷而使正电荷
5、减少。在接触起电过程中电荷的总量仍保持不变。2、通过变式实验，揭示感应起电的实质，并归纳出电荷守恒定律实 验 摩擦过的玻璃棒靠近双枕形导体，但还没接触就发现两边的箔片都张开了。问 题 枕形导体带什么电？电荷从哪里来？猜 想 带正电，导体内一部分电子转移到了玻璃棒上。分 析 如果猜想正确，移走玻璃棒，箔片仍然张开，就象刚才给导体接触起电一样。实 验 移走玻璃棒，箔片闭合。分 析 说明导体并没有失去电子，即没有电子移到玻璃棒上，接触起电的原因在这里不能解释新的现象。问 题 这种起电方式，是不是创造了电荷？实 验 摩擦过的玻璃棒靠近枕形塑料，箔片不张开。分 析 说明这种起电方式与物体的材料有关，导体
6、可以而绝缘体不可以。导体内有大量的可以自由移动的电子，当带电体（带正电荷）靠近导体时，自由电子受到吸引而定向移动，使导体一端失去一部分电子而带正电，另一端得到这部分电子而带等量的负电。这种起电方式必须有带电体靠近，导体才能感应出电荷，这种现象叫静电感应，这种起电方式叫感应起电。可见感应起电并不是创造了电荷，而是电子在导体内重新分布的原因，电荷的总量仍然不变。而绝缘体内几乎没有自由移动的电子，所以电子不会重新分布，因此也不会感应起电。归 纳 大量事实说明，电荷既不会创造，也不会消灭，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，在转移的过程中，电荷的总量不变，这个结论叫做电荷
7、守恒定律，是物理学中重要的基本定律之一。分 析 在起电过程中，物体带电总是电子电荷量的整数倍，电子与质子的电荷量相等，都是1.610-19C,把电量为1.610-19C的电荷叫元电荷，它是电量的基本单元。基本电荷量最早由美国物理学家密立根在1909年通过油滴实验测得，包括对光电效应的研究成果而或1923年的诺贝尔物理学奖。现在测得元电荷的精确值为（1.602 177 330.000 000 49）10-19C，通常取作1.6010-19C。电子的质量为0.9110-30kg，因此电子的比荷e/m = 1.761011C/kg，也是一个常用的物理量。三、创设类科学物理情景，结合物理学史，探究库仑
8、定律，培养学生猜测与假设、制订计划的能力，体会科学研究方法（库仑扭称实验）与物理思想（均分思想）对科学研究的重要价值1、通过实验，定性研究电荷间作用力的决定因素情 景 电荷间有作用力已经被实验所证实，如：验电器上同种电荷排斥使箔片张开，正电荷靠近导体吸引自由电子而使导体感应起电等等。问 题 这种电力能使箔片张开，能使自由电子移动，那么这种力到底是强还是弱呢？首先让我们来感知这种力的强弱。实 验 学生拿一个带绝缘柄的金属球去接触起电机的金属球，学生没感觉。分 析 说明这种力很小或很弱。问 题 怎样设计实验来“感知”这种弱力呢？材 料 1、直接用弹簧秤来测量；2、单摆做小角度摆动时，回复力很小F=
9、mgsin，可以通过观察角度来判断回复力的大小。分 析 能使弹簧形变的力，人一般都可以感觉，因此1不可行。可以用2的装置，但当力F水平时，F=mgtg，mg不变时，可以通过感知角度来感知F。设 计 细线吊一个小球A（带电），另一个带同种电的小球B靠近A，A球受力平衡时，细线偏离竖直方向一个角度，如果B对A的力是水平的，则F电=mgtg，如果越大，则F电越大，这样可以通过的变化来判断F电的变化。问 题 这种电力的大小由哪些因素来决定呢？材 料 特殊化分析：1、两个物体带电才有电力作用，不带电就无从谈电力；2、带电体靠近导体时，会出现静电感应现象，远离时现象不明显或没有静电感应现象。猜 想 电荷间
10、的相互作用力与电荷电量的多少有关（电量越大，力越大）；还与电荷间的距离有关（距离越近，力越大）。实 验 控制变量方法进行探索：1、Q1、Q2不变，改变r：r越小F越大；2、Q1、r不变，改变Q2：Q2越大，F越大；3、Q2、r不变，改变Q1：Q1越大，F越大（根据对称性，2或3做一次即可）。分 析 1、Q越大，F越大：把Q1看成n个元电荷，每一元电荷都要受到Q2的作用，n个元电荷受力的合力既为Q1受到的力。Q1越大，元电荷越多，合力会越大。2、倍数关系：假设Q1集中在一个点上，则每个元电荷受力完全相同，Q1受力既为任意元电荷受力的整数倍：F正比与Q1，若Q2也集中与一点，同理可得F正比与Q2。
11、3、点电荷：我们把集中在一个点的电荷叫点电荷，它是一个理想化模型，实际的点电荷不存在，但是如果物体的形状和大小对力的影响很小，可以忽略不计时，可以近似为点电荷。2、结合物理学史，定量得出库仑定律问 题 点电荷间的作用力会与距离有怎样的定量关系呢？猜 想 不成正比关系，而成反比关系？实 验 实验思想：1、放大思想：力很小，但力矩可以较大（阿基米德：给我一个支点，我将翘起地球）；2、转化思想：电力力矩与扭转力矩相等，扭转力矩正比于金属丝扭转角，则力也正比于角度，通过测定角度倍数关系即可得到力的倍数关系（避其锋芒，巧妙迂回）；3、均分思想：带电为Q的金属小球与完全相同的不带电金属小球相碰分开，每小球
12、带电Q/2，同理可得Q/4、Q/8、Q/16等等电量的倍数关系（完全相同的小球具有对称性）。实验结果：1、Q/2Q/2：F；Q/2Q/4：F/2，则F与Q成正比；2、两电荷相距为r时：F；两电荷相距2r时：F/4，则F与r2成反比。归 纳 法国物理学家库仑在艰苦的条件下（1、电荷间的力很小；2、不清楚物体带电量多少等），利用巧妙的装置和方法，在1785年发现了下述规律：真空中两个点电荷间的作用力大小与两电荷量的乘积成正比，与电荷间的距离平方成反比；方向在它们的连线上。这个规律叫做库仑定律。电荷间这种相互作用的电力叫做静电力或库仑力。统 一 1、单位统一：力（N）、电量（C）、距离（m），则在真
13、空中测得F与Q1Q2/r2的比例系数为k=9.0109Nm2/C2，这个常量叫做静电力常量。2、条件统一：（1）真空（在干燥的空气中近似成立）；（2）点电荷（当带电体间距离远大于它们的大小，以至于它们的大小和形状对力的影响可以忽略不计时，近似成立）。3、应用统一：（1）先用电量的绝对值代入计算，在确定力的方向（排斥或吸引）；（2）任意带电体可以看成是由许多点电荷组成的，所以，知道带电体上的电荷分布，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。四、通过比较电荷间的库仑力与万有引力的大小，揭示微观领域与宇观领域物理规律的区别与联系，领略自然界的和谐美，培养学生辨证统一的思想问
14、 题 试比较电子和质子间的静电引力和万有引力大小。已知电子和质子的电荷量都是1.6010-19C，电子的质量m1=9.110-31kg，质子的质量m2=1.6710-27kg。分析和解 电子和质子的静电引力和万有引力分别为：F1=kQ1Q2/r2， F2=Gm1m2/r2 所以： F1/F2= kQ1Q2/ Gm1m2，上式中的k=9.0109Nm2/C2 ，G=6.6710-11Nm2/kg2，代入上式，得F1/F2= 9.01091.6010-19C 1.6010-19C / 6.6710-119.110-311.6710-27kg=2.31039可以看出，电子和质子的静电引力竟为它们的万
15、有引力的2.31039倍。这是一个多么的倍数啊！正因为如此，在研究微观带电粒子的相互作用时，经常可以忽略万有引力，也就是说，在微观带电粒子的相互作用决定于静电引力，（当然宇观中星球间的相互作用决定于万有引力）。五、小结：实验观察科学猜想提出问题理性分析验电器上的电荷怎样产生的？推广统一玻璃棒靠近验电器，箔片张开。验电器内一部分电子转移到了玻璃棒静电感应、感应起电及起电原因电荷守恒定律实验验证玻璃棒远离验电器，箔片闭合。电荷间的电力与哪些因素有关？带电金属球排斥同种电荷小球与两电荷量及电荷间距离有关理想成立的条件：真空、点电荷库仑定律控制变量法进行实验探索，介绍扭称及定量实验六、教学后记：本节课是笔者参加浙江省高中物理教师教学展示和评比时上的一堂公开课，各位专家和评委觉得，本节课的教学，能够吻合新课程的标准，在教学中能充分调动学生参与知识的探索热情，特别是应用变式实验，让学生主动去猜测和验证自己的想法，学生在不知不觉中既掌握了相关知识，又培养了实验观察能力、分析推理能力，同时也增强了辨证统一的思想等等，特别是学生听课之后，感觉良好，并希望老师能多多采用这种形式（探究式教学）上课。当然笔者欣慰的同时，也感到压力更大，在今后的教学中，不仅要继续走这条路，还要不断完善，争取做得更好。
