高中物理人教版 (2019)必修 第三册2 库仑定律教学设计

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册2 库仑定律教学设计，共7页。教案主要包含了电荷之间的作用力，静电力的计算等内容，欢迎下载使用。


《库仑定律》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修3模块中“静电场”主题下的内容，课程标准要求为：“知道点电荷模型。知道两个点电荷间相互作用的规律。体会探究库仑定律过程中的科学思想和方法。”《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》指出，该条目要求学生体验在研究带电体之间相互作用力的定量关系时，建立带电体理想模型——点电荷，体会构建物理模型的方法在科学研究中的作用。通过与质点模型的类比，知道将带电体看成点电荷的条件，体验类比法在科学研究中的作用，并能在其他场合中尝试运用理想化模型的方法研究物理问题。要求学生知道库仑定律和静电力常量，知道真空中的库仑定律及其应用，了解电介质对静电作用有影响。通过具体实例知道利用点电荷之间的相互作用规律处理复杂带电体之间的静电力作用的思想和方法。让学生了解科学家在探究库仑定律过程中利用库仑扭称实验和扭摆实验巧妙解决电量测量问题，微小库仑力测量问题，领会在研究库仑力与电荷之间距离平方成反比问题中采用的对称、微小力放大和类比等思想方法，体验科学思想方法在科学研究中的重要作用。通过静电力与万有引力的类比，体会自然规律的多样性和统一性，体会自然界和谐的多样美。通过认识库仑扭称实验和扭摆实验在建立库仑定律过程中所起的重要作用，了解科学家是如何巧妙解决实验过程中的许多问题的，提升学生的科学态度和责任素养。
学生已经学习过万有引力定律，知道引力与距离平方成反比，与质量成绩成正比。根据学生的生活经验，学生容易猜测得到电荷间的作用力与距离为负相关，即距离越大，电荷间的作用力越小，而电荷量越大，距离不变时，作用力越大，容易形成定性的认识。为将这种定性认识建立在严密的实验基础上，要做好演示实验教学，根据悬挂电荷的细线偏离竖直方向夹角得到静电力与距离、电荷量的关系。
1.学生通过库仑定律的探究过程，体会实验与类比在定律的建立过程中发挥的重要作用。
2.学生通过将点电荷模型与质点模型类比，知道点电荷模型的物理意义及建立点电荷模型的条件，进一步体会科学研究中的理想模型方法。
3.学生理解库仑定律的内涵和适用条件，能够应用库仑定律计算点电荷间的静电力，会利用力的合成的知识解决多个电荷间的相互作用问题。
4.学生体会库仑扭称实验的设计思路与实验方法。
5.学生对比库仑定律和万有引力定律的形式，体会物理学的和谐统一之美，提高物理学习兴趣。
教学重点：理解库仑定律的内涵和适用条件
教学难点：用叠加原理计算点电荷受多个点电荷的作用力
教学方法：讲授法、启发式教学、对话式教学
问题：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。电荷间的作用力遵循什么规律？电荷间作用力大小与哪些因素有关？有何关系？和同学分享你的猜想，并说明你的依据。
生：作用力大小与电荷间距离有关。距离越大，电荷间作用力越小。如果电荷间相距无穷远，电荷间作用力应为零。电荷量距离保持不变，电荷量越大，电荷间作用力越大。
师：电荷间作用力与带电体电荷量与距离有关。力的大小与距离有关，例如万有引力与距离平方成反比。一起来看演示实验。
1.电荷之间的作用力
演示实验 几何画板模拟实验
实验现象
被绝缘线悬挂的正电荷被带电体C排斥，细线偏离竖直方向一夹角。将悬线向右移动一定距离，正电荷被带电体C排斥，细线向右偏离，夹角减小。
师：根据实验现象，电荷间的作用力与距离有何关系？
生1：距离增大，电荷间作用力减小。
师：你是如何分析的？
生1：细线与竖直方向夹角变小，电作用力变小.
师：电荷间作用力与细线偏离竖直方向夹角有何关系？为什么夹角减小，电作用力减小？你是如何分析的？
（生1无法分析静电力和夹角关系）
师：正电荷处于静止状态，受到哪些力？这些力满足什么关系？（可认为正电荷和带电体在同一高度）
生：受重力、绳的拉力和静电力，合力为零。
师：请同学们画出受力示意图，求解静电力和电荷重力关系.
学生活动：按照教师提示，画出正电荷受到三个力示意图。
生2：静电力F=mgtanα，夹角减小，静电力减小，故电荷间的作用力与距离增大减小。
师：通过实验，可以得到：电荷间的作用力随距离增大而减小，这是一个定性结论。定量而言，电荷间作用力与距离有何定量关系？在电磁学发展史上，富兰克林、普里斯特力和卡文迪许等人对这一问题作出重要发现。他们确认电荷间作用力与距离平方成反比，类似于万有引力定律，让我们一起走进历史，了解前辈的发现。
富兰克林的实验发现：富兰克林发现将一个木心球悬吊在一个带电的罐头盒中，木心球不受电荷的作用力。 富兰克林将此现象写信告知普里斯特利.普里斯特利使一个空腔金属容器带电，发现容器内表面没有电荷，对于金属容器对于放在其内部的电荷没有作用力.
普里斯特力类比万有引力定律，说道“难道我们不能从这个实验推出这样的结论，即电吸引力作用服从于与万有引力相同的定律，从而也就是服从距离平方的反比定律吗?因为假如地球像一个壳体那样，就不难证明在它里面的物体受到一边的吸引不会大于来自另一边的吸引”
牛顿最先证明匀质球壳对球壳内部任一位置质点的吸引力为零，这一结论必须在引力与距离平方成反比的结论下成立。
证明：令HIKL为球面，P是球面内的小球，通过P向球面作两条直线HK，IL，截取极端弧长HI，KL；因为三角形HPI，LPK相似，这些弧正比于距离HP，LP，落在由通过P的直线在球面上所限定的弧HI和KL之内的那些粒子，正比于这些距离的平方。所以这些粒子作用于物体P上的力相互间相等。因为这些力正比于粒子，反比于距离的平方，这两个比值复合成相等的比值1：1.所以吸引相等，但作用于相反方向上，相互抵消。由类似理由，整个球面产生的吸引由于反向吸引而全部抵消。所以物体P完全不受这些吸引力的作用。
2.库仑的实验
在所有电学家的关于静电力与距离关系的实验中，库仑的实验最为重要。1785年，库仑用扭称实验证明同号电荷的斥力遵从平方反比律，用震荡法证明异号电荷的吸引力也遵从平方反比律，实验误差偏离平方为4×10-2.库仑的工作得到普遍承认。
播放扭称实验装置视频，介绍扭称实验构造和原理.
问题1：在库仑时代，电荷量的单位还未确立，如何研究静电力和带电量关系？
库仑类比万有引力定律中引力与质量乘积成正比，认为电荷间作用力与两个电荷量乘积成正比，这一假说无需证明。
问题2：结合库仑定律的建立过程，你认为类比法在物理规律的建立过程有何作用？
3.库仑定律
内容：真空中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，作用力在它们的连线上.
表达式：F=k eq \f(q1q2,r2) 静电力常量k=9.0×109N·m2/C2.
适用条件：真空、静止、点电荷
点电荷：当带电体之间的距离比它们自身的大小大得多，以致于带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们之间的作用力的影响可以忽略时，带电体可看作带电的点，叫作点电荷。点电荷是理想化的物理模型。
思考与讨论：
①视为点电荷的带电体体积很小吗?
②点电荷是球形形状吗？
③某同学根据公式F=k eq \f(q1q2,r2) 认为，当电荷间的作用力趋于零时，静电力是无穷大。这种认识正确吗？和同学分享你的观点。
设计意图：通过问题检查学生对点电荷模型的理解。让学生发言分享观点，发展学生的语言表达能力和逻辑能力。
4.静电力的计算
叠加原理：两个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的矢量和。
例题1 真空中有三个带正电的点电荷，它们固定在边长为50cm的等边三角形的三个顶点上，每个点电荷的电荷量都是2.0×10-6C，求它们各自所受的静电力.
例题2两个带正电Q的点电荷位于x轴上(-a，0)和(a，0).另一正点电荷q.
(1)点电荷位于(0，y)处，求库仑力.
(2)点电荷位于(x，0)，求库仑力.
1.两点电荷带电分别为+Q和-Q，位于(-a，0)和(a，0).求位于(0，y)处点电荷q所受的静电力大小和方向；定性画出电力与y的关系图像.
2.电荷量均为Q的四个点电荷位于边长为a的正方形四个顶点，点电荷q受到的静电力.
3.半径为R的均匀带电圆环，带电量为Q，求中心轴线上的电场强度.
点电荷
库仑定律
用叠加原理计算静电力
作业：教材第10页：3、4、5；教材24页：第2题
§ 2 库仑定律
一、电荷之间的作用力
库仑定律：
表达式：F=k eq \f(q1q2,r2)
适用条件：真空、静止、点电荷
二、静电力的计算
叠加原理：
库仑扭称实验原理涉及力矩知识，超出高中物理知识范畴，不宜介绍，这部分实验内容简单介绍，学生课后自行阅读了解即可。教学要重点关注对库仑定律内涵的理解和点电荷的含义，训练学生使用叠加原理和平行四边形定则计算点电荷受到的静电力，加强定量计算能力，下一节计算电场强度需要用到。本节实验中带电体C和点电荷不一定位于同一水平线，可利用相似知识分析静电力和距离的关系，在讲解习题时延拓分析，教材第23页A组第3题也可用相似知识更严谨地分析。