《庫侖定律》學(xué)案設(shè)計

1、庫侖定律學(xué)案設(shè)計云南省昭通市鹽津縣第三中學(xué)蔣顯翠一、學(xué)時 1學(xué)時 二、學(xué)習(xí)目標(biāo) 1通過觀察演示實驗，定性了解電荷之間的作用力大小與電荷量的多少以及電荷之間距離大小的關(guān)系； 2了解庫侖定律的建立過程和相關(guān)的物理學(xué)史； 3能說出點電荷的物理意義、理解真空中的庫侖定律以及適用條件和電力常量k的物理意義、數(shù)值和單位。 4能用庫侖定律解決涉及點電荷靜電力計算的簡單問題。 三、學(xué)習(xí)重點 庫侖定律及適用條件。 四、學(xué)習(xí)難點 庫侖定律的實驗。 五、學(xué)習(xí)過程 回憶：自然界存在幾種電荷？它們之間

2、的相互作用是怎么樣的？ 提出問題：既然電荷之間存在相互作用，那么電荷之間相互作用力的大小決定于那些因素呢？  下面我們利用科學(xué)的研究思想，分定性與定量兩個方面來探究一下。 （1）定性研究 目標(biāo)一通過觀察演示實驗，定性了解電荷之間的作用力大小與電荷量的多少以及電荷之間距離大小的關(guān)系； 演示實驗：探究影響電荷間相互作用力的因素。 觀察實驗現(xiàn)象后，請你回答下列問題： 1在帶電物體靠近小球過程中，你看到了什么現(xiàn)象？ 2細線的偏角增大，說明了什么呢？ 3在起電機給物體充電的過程中，你觀察到了什么現(xiàn)象？&#

3、160;4得出結(jié)論：兩電荷間的作用力，                                  ； 兩電荷間的作用力，           

4、                      。  （2）定量研究 剛才我們得到的結(jié)論是：                        &#

5、160;                。 請回憶一下，我們以前有沒有遇到過類似的物理情景呢？ 1分析問題：                與電荷間的作用力變化規(guī)律具有一定的類似性。 2提出猜想（類比）： 猜想公式：   

6、;        3定量探究三者的關(guān)系： 庫侖當(dāng)時在探究三者之間的定量關(guān)系時，遇到了很多的困難，下面我們了解一下庫侖當(dāng)時的有關(guān)情況。 探究F與r的關(guān)系 問題1：“電力”非常小，如何解決力的準(zhǔn)確測量？ 用 扭絲的轉(zhuǎn)角  間接測量，思想方法：   放大、轉(zhuǎn)化    。   問題2：如何確定電荷之間的距離呢？ 把金屬球理想成為      

7、60;  ，利用        間接測量距離。 思想方法：           。 探究F與q的關(guān)系： 問題：如何確定兩球電荷量呢？ 電荷均分原理：電荷在兩個相同金屬球之間       分配。 解決了探究思路中的問題，就可以進行具體的實驗了，庫侖設(shè)計了一種非常完美、精巧的扭秤，建立了庫侖定律。 目標(biāo)

8、二了解庫侖定律的建立過程和相關(guān)的物理學(xué)史； 庫侖定律的發(fā)現(xiàn)過程與啟示 庫侖定律可以說是一個實驗定律，也可以說是牛頓引力定律在電學(xué)和磁學(xué)中的“推論”。如果說它是一個實驗定律，庫侖扭稱實驗起到了重要作用，而電擺實驗則起了決定作用；即便是這樣，庫侖仍然借鑒了引力理論，模仿萬有引力的大小與兩物體的質(zhì)量成正比的關(guān)系，認為兩電荷之間的作用力與兩電荷的電量也成正比關(guān)系。如果說它是牛頓萬有引力定律的推論，那么普利斯特利和卡文迪許等人也做了大量工作。因此，從各個角度考察庫侖定律，重新準(zhǔn)確的對它進行認識，確實是非常必要的。 一、科學(xué)家對電力的早期研究 人類對電現(xiàn)象的認識、研

9、究，經(jīng)歷了很長的時間。直到16世紀人們才對電的現(xiàn)象有了深入的認識。吉爾伯特比較系統(tǒng)地研究了靜電現(xiàn)象，第一個提出了比較系統(tǒng)原始理論，并引人了“電吸引”這個概念。但是吉爾伯特的工作仍停留在定性的階段，進展不大。18世紀中葉，人們借助于萬有引力定律，對電和磁做了種種猜測。18世紀后期，科學(xué)家開始了電荷相互作用的研究。 富蘭克林最早觀察到電荷只分布在導(dǎo)體表面。普利斯特利重復(fù)了富蘭克林的實驗，在電學(xué)的歷史和現(xiàn)狀一書中他根據(jù)牛頓的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理最先預(yù)言電荷之間的作用力只能與距離平方成反比。雖然這個思想很重要，但是普利斯特利的結(jié)論在當(dāng)時并沒有得到科學(xué)界的重視。 在庫侖定律提出前有兩個

10、人曾作過定量的實驗研究，并得到明確的結(jié)論?？上?，都沒有及時發(fā)表而未對科學(xué)的發(fā)展起到應(yīng)有的推動作用。一位是英國愛丁堡大學(xué)的羅賓遜，認為電力服從平方反比律，并且得到指數(shù)n=206，從而電學(xué)的研究也就開始進行精確研究。不過，他的這項工作直到1801年才發(fā)表。另一位是英國的卡文迪許。17721773年間，他做了雙層同心球?qū)嶒?，第一次精確測量出電作用力與距離的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)帶電導(dǎo)體的電荷全部分布在表面而內(nèi)部不帶電。卡文迪許進一步分析，得到n=2002。他的這個同心球?qū)嶒灲Y(jié)果在當(dāng)時的條件下是相當(dāng)精確的。但可惜的是他一直沒有公開發(fā)表這一結(jié)果。 二、庫侖定律的建立 庫侖是法國工程師和物理學(xué)家。

11、1785年，庫侖用扭稱實驗測量兩電荷之間的作用力與兩電荷之間距離的關(guān)系。他通過實驗得出：“兩個帶有同種類型電荷的小球之間的排斥力與這兩球中心之間的距離平方成反比?！?同年，他在電力定律的論文中介紹了他的實驗裝置，測試經(jīng)過和實驗結(jié)果。 庫侖的扭秤巧妙的利用了對稱性原理按實驗的需要對電量進行了改變。庫侖讓這個可移動球和固定的球帶上同量的同種電荷，并改變它們之間的距離。通過實驗數(shù)據(jù)可知，斥力的大小與距離的平方成反比。但是對于異種電荷之間的引力，用扭稱來測量就遇到了麻煩。經(jīng)過反復(fù)的思考，庫侖借鑒動力學(xué)實驗加以解決。庫侖設(shè)想：如果異種電荷之間的引力也是與它們之間的距離平方成反比，那么只要設(shè)計出

12、一種電擺就可進行實驗。 通過電擺實驗，庫侖認為：“異性電流體之間的作用力，與同性電流體的相互作用一樣，都與距離的平方成反比。” 庫侖利用與單擺相類似的方法測定了異種電荷之間的引力也與它們的距離的平方成反比，不是通過扭力與靜電力的平衡得到的?？梢妿靵鲈诖_定電荷之間相互作用力與距離的關(guān)系時使用了兩種方法，對于同性電荷，使用的是靜電力學(xué)的方法；對于異性電荷使用的是動力學(xué)的方法。 庫侖注意修正實驗中的誤差，最后得到：“在進行剛才我所說的必要的修正后，我總是發(fā)現(xiàn)磁流體的作用不管是吸引還是排斥都是按距離平方倒數(shù)規(guī)律變化的。”但是應(yīng)當(dāng)指出的是，庫侖只是精確的測定了距離平方的反比關(guān)系，并把

13、靜電力和靜磁力從形式歸納于萬有引力的范疇，我們這里要強調(diào)的是庫侖并沒有驗證靜電力與電量之積成正比。“庫侖僅僅認為應(yīng)該是這樣。也就是說庫侖驗證了電力與距離平方成反比，但僅僅是推測電力與電量的乘積成正比。” 三、平方反比定律的驗證和影響 庫侖定律是平方反比定律，自發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家不斷檢驗指數(shù)2的精度。1971年威廉等人的實驗表明庫侖定律中指數(shù)2的偏差不超過10-16，因此假定為2。事實上，指數(shù)為2和光子靜止質(zhì)量為零是可以互推的。其實如果mz不為零，即使這個值很小，也會動搖物理學(xué)大廈的重要基石，因為現(xiàn)有理論都是以mz等于零為前提。到目前為止，理論和實驗表明點電荷作用力的平方反比定

14、律是相當(dāng)精確的。200多年來，電力平方反比律的精度提高了十幾個數(shù)量級，使它成為當(dāng)今物理學(xué)中最精確的實驗定律之一?；仡檸靵龆傻慕⑦^程，庫侖并不是第一個做這類實驗的人，而且他的實驗結(jié)果也不是最精確的。我們之所以把平方反比定律稱為庫侖定律是因為庫侖結(jié)束了電學(xué)發(fā)展的第一個時期。庫侖的工作使靜電學(xué)臻于高度完善。電量的單位也是為了紀念庫侖而以他的名字命名的。 庫侖定律不僅是電磁學(xué)的基本定律，也是物理學(xué)的基本定律之一。庫侖定律闡明了帶電體相互作用的規(guī)律，決定了靜電場的性質(zhì)，也為整個電磁學(xué)奠定了基礎(chǔ)。庫侖從1777年起就致力于把超距作用引入磁學(xué)和電學(xué)。他認為靜電力和靜磁力都來自遠處的帶電體和荷磁

15、體，并不存在什么電流體和渦旋流體對帶電物質(zhì)和磁體的沖擊；這些力都符合牛頓的萬有引力定律所確定的關(guān)系。庫侖提供了精密的測量，排除了關(guān)于電本性的一切思辨。庫侖的工作對法國物理學(xué)家的影響還可以從稍后的拉普拉斯的物理學(xué)簡略綱領(lǐng)得到證實。這個物理學(xué)簡略綱領(lǐng)最基本的出發(fā)點是把一切物理現(xiàn)象都簡化為粒子間吸引力和排斥力的現(xiàn)象，電或磁的運動是荷電粒子或荷磁粒子之間的吸引力和排斥力產(chǎn)生的效應(yīng)。這種簡化便于把分析數(shù)學(xué)的方法運用于物理學(xué)。因此，理論物理學(xué)首先能在法國興起。 另外，從庫侖定律的建立過程中，類比方法在科學(xué)研究中有重要作用。但是一些類比往往帶著暫時的過度性質(zhì)，它們在物理學(xué)的發(fā)展中只是充當(dāng)“藥引子”

16、或者“催化劑”的作用。因此，物理學(xué)家借助于類比而引進新概念或建立新定律后，不應(yīng)當(dāng)局限于原先的類比，不能把類比所得到的一切推論都看成是絕對正確的東西，因為類比、假設(shè)不過是物理學(xué)家在建筑物理學(xué)的宏偉大廈時的腳手架而已，大廈一旦建成，腳手架也就應(yīng)該拆除了。 目標(biāo)三能說出點電荷的物理意義、理解真空中的庫侖定律以及適用條件和電力常量k的物理意義、數(shù)值和單位。 1庫侖定律的內(nèi)容：真空中兩個靜止的         相互作用跟它們所帶     的乘積成正比，跟它們之間距離

17、的         成反比，作用力的方向在它們的                      。 2庫侖定律表達式：               

18、60;     其中k為       ，后來測得 3庫侖定律的適用條件：                                   

19、;        。 4點電荷：是一種        ，當(dāng)帶電體的         比起相互作用的距離小很多時，帶電體可視為點電荷。 5庫侖的實驗的研究方法                 

20、           。  6在老師的引導(dǎo)下完成課本中例1和例2的學(xué)習(xí)。 目標(biāo)四能用庫侖定律解決涉及點電荷靜電力計算的簡單問題 1關(guān)于點電荷的下列說法中正確的是（ ）  A真正的點電荷是不存在的 B點電荷是一種理想模型 C足夠小的電荷就是點電荷 D一個帶電體能否看成點電荷，不是看它的尺寸大小，而是看它的形狀和大小對所研究的問題的影響是否可以忽略不計 2三個相同的金屬小球a、b和c，原來c不帶電，而a和b帶等量異種電荷

21、，相隔一定距離放置，a、b之間的靜電力為F 。現(xiàn)將c球分別與a、b接觸后拿開，則a、b之間的靜電力將變?yōu)椋?   ） AF/2              BF/4            CF/8            D3F/8  3兩個半徑