《庫侖定律》教學設計

1、庫侖定律教學設計整體設計教學分析本節(jié)課的核心內(nèi)容是庫侖定律，它即是靜電學的第一個實驗定律，也是 學習靜電學的基礎。本節(jié)教學內(nèi)容的主線有兩條，第一條為掌握真空中靜 止點電荷之間相互作用的規(guī)律即庫侖定律；第二條為如何研究多個變量之 間關系的方法，間接測量一些不易測量物理量的方法，及研究物理問題的 其他基本方法。教學目標1、定性了解電荷間的相互作用力規(guī)律，掌握庫侖定律的內(nèi)容及其應用。2、通過觀察演示實驗，概括出電荷間的作用規(guī)律。培養(yǎng)學生觀察、分 析、概括能力。3、體會研究物理問題的一些常用的方法如：控制變量法、理想模型法、 測量變換法、類比法等。4、滲透物理方法的教育，運用理想化模型的研究方法，突出

2、主要因素、忽略次要因素，抽象出物理模型 點電荷，研究真空中靜止點電荷相互作 用力問題。5、體會科學研究的艱辛，培養(yǎng)學生熱愛科學的、探究物理的興趣。6、通過靜電力與萬有引力的對比，體會自然規(guī)律的多樣性與統(tǒng)一性。 教學重點及難點1、電荷間相互作用力與距離，電量的關系。2、庫侖定律的內(nèi)容、適用條件及應用。 教學方法與手段1、探究、講授、討論、實驗歸納 2、演示實驗、多媒體課件教學媒體：1、J2367庫侖扭秤（投影式）、感應起電機、通草球、絕緣細繩、鐵 架臺、金屬導電棒、庫侖扭秤掛圖等。2、多媒體課件、實物投影儀、視頻片斷。知識準備自然界存在著兩種電荷，同種電荷相排斥，異種電荷相吸引。教學過程事件1教

3、學任務：創(chuàng)設情境 引入新課師生活動：三國志 吳書中寫道 琥珀不取腐芥 ”，意思是腐爛潮濕 的草不被琥珀吸引。但是，由于當時社會還沒有對電力的需求，加上當時 也沒有測量電力的精密儀器，因此，人們對電的認識一直停留在定性的水 平上。直到18世紀中葉人們才開始對電進行定量的研究?，F(xiàn)在就讓我們踏 著科學家的足跡去研究電荷之間相互作用力。演示實驗：首先轉動感應起電機起電，然后利用帶電的物體吸引輕小物體的性質(zhì) 使通草球與感應起電機的一端相接觸，通草球帶同種電荷后彈開，最后改 變二者之間的距離觀察有什么現(xiàn)象產(chǎn)生？（注意：觀察細線的偏角）猜想：電荷間相互作用力的大小與哪些因素有關？ 可能因素：距離、電荷量及其

4、他因素。事件2定性探究F與r之間的定性關系（學生討論設計實驗方教學任務：設計方案 師生活動： I:定性探究一：探究 案）帶電體的形為了探究F與r之間的定性關系，對其他因素 （如：電荷量、 狀）我們應該如何處理？只改變r的大小，保持其他條件不變。（目的讓學生回憶 起控制變量法）實驗設計方案實驗器材：如圖所示。其中A、B是兩個直徑為1.5cm泡沫小球，小球的外層均勻涂有墨水，使之可以通過接觸帶電， A球用長為60cm左右的絕緣棉線懸掛于鐵架臺上。實驗操作：使 A、B兩球帶上同種電荷，發(fā)現(xiàn) B球離 越近，A球偏離豎直方向就越大（實驗中最好保持兩球在同一 水平面上）。現(xiàn)象說明：大家是如何判斷小球 A所

5、受的庫侖力F大小的變化的呢？（通過偏離豎直方向的角度0的大小，角度0越大A所受的庫侖力就越大。）偏轉角0與小球A所受的庫侖力 F的大小關系如何？ （ F mg tan ）特別提醒：由于在這里我們沒法直接測量出力F的大小，而是通過偏轉角0的變化來判斷F的變化這種方法就是測量變換法（間接測量法）。實驗結論：電量不變時，改變帶電體間距離r，兩電荷間的作用力 F隨距離r的減小而增大。（學生討論設計實n：定性探究二： F與q之間的定性關系 驗方案）只改變q的大小，保持其他條件不變。實驗設計方案 實驗器材：將兩個直徑為1.5cm，外層均勻涂有墨水的泡沫小球，用長為60cm左右的細導線連起來，然后用絕緣棉線

6、懸掛與鐵架臺上。 再將導線接到手搖感應起電機的一個小球上。實驗操作：搖動手柄，使A、B兩球帶上等量的同種電荷，發(fā)現(xiàn)手搖的越快，兩球間的距離越大，即偏角越大。特別提醒：由于要保持距離不變，通過改變電荷量的大小比較困難，而 前面已經(jīng)得出了 F與r的定性關系，這里學生一般能夠看出 q越大，F(xiàn)就越大。現(xiàn)象說明：1. 轉的越快說明什么 ？(轉得越快，說明兩小球的帶電荷量越多。)2. 兩球距離(偏角)越大說明什么 ？(兩球距離(偏角)越大說明兩球 間的相互作用力越大。)F隨電荷量q實驗結論：若距離不變，改變電荷量，兩電荷間的作用力 的減小而減小。事件3教學任務：簡要介紹物理學史，初步感受平方反比規(guī)律的得出

7、 師生活動：電荷間的作用力與它們帶的電荷量以及距離有關，那么電荷之間相互作用力的大小會不會與萬有引力的大小具有相似的形式呢？簡要介紹物理學史：類比法的成功1. 普利斯特利(1733-1804):德國人，氧氣的發(fā)現(xiàn)者，化學家。2. 富蘭克林的空罐實驗用絲線將一小塊軟木懸掛在帶電金屬罐外的附近，軟木受到吸引。但把它 懸掛在罐內(nèi)時，不論在罐內(nèi)何處，它都不受電力。當富蘭克林寫信將這一現(xiàn)象告之普利斯特利后，普氏想到：1687年牛頓曾證明:萬有引力若服從平方反比定律，則均勻的物質(zhì)球殼對殼內(nèi)物體應無作用。 普利斯特利將空罐實驗與牛頓推理類比，聯(lián)想到電力也表現(xiàn)了這種特性，所以 也應遵從平方反比定律。事件4教學

8、任務：庫侖定律的內(nèi)容師生活動：kqq2，其中k為靜電力常量,k =9.0沐0 -9 N m 2/C2. r真空中靜止的點電荷.2.公式：F1. 定律內(nèi)容：真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，與它們電量 的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連 線上。3. 適用范圍： 特別說明：(1) 關于點電荷”，應讓學生理解這是相對而言的，只要帶電體本身 的大小跟它們之間的距離相比可以忽略，帶電體就可以看做點電荷。嚴格 地說點電荷是一個理想模型，實際上是不存在的。這里可以引導學生回顧力學中的質(zhì)點的概念。容易出現(xiàn)的錯誤是：只要 體積小就能當點電荷，這一點在教學中應結合實例予以糾正。(

9、2) 要強調(diào)說明課本中表述的庫侖定律只適用于真空，也可近似地用 于氣體介質(zhì)，對其他介質(zhì)對電荷間庫侖力的影響不便向學生多作解釋，只 能簡單地指出：為了排除其他介質(zhì)的影響，將實驗和定律約束在真空的條 件下。(3) 擴展：任何一個帶電體都可以看成由許多點電荷組成的。任意兩 點電荷之間的作用力都遵守庫侖定律。用矢量求和法求合力。利用微積分遵守牛頓第三定律，遵守力的平行四邊形定則。計算得：帶電小球可等效看成電量都集中在球心上的點電荷。靜電力同樣 具有力的共性，事件5介紹庫侖扭稱實驗利用圖片加文字說明的形式展現(xiàn)人類對靜電力的探究過程。教學任務： 師生活動： 片段一：1767年，英國物理學家普利斯特通過實驗

10、發(fā)現(xiàn)靜電力與萬有引力的情況非常相似，為他首先提出了靜電力平方成反比定律猜測。片段二：1772年，英國物理學家卡文笛許遵循普利斯特利的思想以實 驗驗證了電力平方反比定律。片段三：1785年法國物理學家?guī)靵鲈O計制作了一臺精確的扭秤，用扭秤實驗證明了同號電荷的斥力遵從平方反比律，用振蕩法證明異號電荷的吸引力也遵從平方反比定律。庫侖扭秤實驗的驗證過程(投影加解說) (1 )結構簡介(利用投影顯示)。(2) 如何解決力的準確測量？ 操作方法，力矩平衡：靜電力力矩=金屬細絲扭轉力矩， 思想方法：放大、轉化(3) F與r2關系的驗證。 設計思想：控制變量法 控制Q不變 結果：庫侖精確地用他的扭稱實驗測量了兩

11、個帶電小球在不同距離下的靜電力，證實了自己的猜測?；旧向炞C了F與r之間的平方反比關系。(4) 如何解決電量測量問題，驗證F與Q的關系？庫侖將兩個完全相同的金屬小球，一個帶電、一個不帶電，兩者相互 接觸后電量被兩球等分，各自帶有原有總電量的一半。這樣庫侖就巧妙地解決了這個問題，用這個方法依次得到了原來電量的1/2,1/4,1/16等的電荷,從而順利的驗證得出F QQ思想方法：守恒、對稱。事件6教學任務：庫侖定律的應用例題：試比較電子和質(zhì)子間的靜電引力和萬有引力。已知電子的質(zhì)量 mi=9. 10X10-31 kg，質(zhì)子的質(zhì)量 m2=1 . 67X10-27kg。電子和質(zhì)子的電荷量都 是 1 .

12、6OX1O-19C。分析：這個問題不用分別計算電子和質(zhì)子間的靜電引力和萬有引力，而 是列公式，化簡之后，再求解。解：電子和質(zhì)子間的靜電引力和萬有引力分別是：kQQ?Gm1m2FiF29.O 1O9 1.6O 1O19 1.6O311O 196.67 1O11 9.1O 1O 31 1.67 1O272.3 1039可以看出：萬有引力公式和庫侖定律公式在表面上很相似，表述的都是 這是相同之處；它們的實質(zhì)區(qū)別是：首先萬有引力公式計算出的力只力，能是相互吸引的力，絕沒有相排斥的力。其次，由計算結果看出，電子和 質(zhì)子間的萬有引力比它們之間的靜電引力小的很多，因此在研究微觀帶電 粒子間的相互作用時，主要

13、考慮靜電力，萬有引力雖然存在，但相比之下 非常小，所以可忽略不計。事件7教學任務：鞏固練習參考題1. 真空中有兩個相同的帶電金屬小球A和B,相距為r，帶電量分別為q和2q,它們之間相互作用力的大小為F。有一個不帶電的金屬球C,大小跟A、B相同，當C跟A、B小球各接觸一次后拿開，再將A、B間距離變?yōu)?r，那么A、B間的作用力的大小可為()A. 3F/642. 如圖所示， 們所帶電量相等。BC=2AB。那么 A、B、OC . 3F/82D . 3F/16B、C三點在一條直線上，各點都有一個點電荷，它B兩處為正電荷，C處為負電荷，且hC三個點電荷所受庫侖力的大小之比為+1Bf+gcT-g3. 真空中

14、有兩個點電荷，分別帶電 qi=5XlO-3C, q2= 2X1O-2C, 距15cm，現(xiàn)引入第三個點電荷，它應帶電量為 ，放在 置才能使三個點電荷都處于靜止狀態(tài).4. 把一電荷Q分為電量為 若想使它們有最大的斥力，則它們相位q和(Q q)的兩部分，使它們相距一定距離, q和Q的關系是.答案：1.A2.32 : 45: 5稱 4. q= Q/2特別說明：1. 點電荷是一種理想化的物理模型，這一點應該使學生有明確的認 識。2. 通過本書的例題，應該使學生明確地知道，在研究微觀帶電粒子 的相互作用時為什么可以忽略萬有引力不計。3. 在用庫侖定律進行計算時，要用電荷量的絕對值代入公式進行計 算，然后根

15、據(jù)是同種電荷，還是異種電荷來判斷電荷間的相互作用是引 力還是斥力。4. 庫侖扭秤的實驗原理是選學內(nèi)容，但考慮到庫侖定律是基本物理定 律，庫侖扭秤的實驗對檢驗庫侖定律具有重要意義，所以希望教師介紹給3. 2X10-2c, qiq2連線上與q2關于qi對Q1Q2匚 C m1m2F1Fi，F(xiàn)2Gy，F(xiàn)學生，可利用模型或掛圖來介紹。板書設計演示實驗備課資料庫侖定律的定量研究1、實驗儀器：J2367庫侖扭秤（投影式）、感應起電機2、實驗采取的研究方法 ？控制變量法.3、 如何設計實驗？（ 1）電量一定時，F(xiàn)與r的關系.（2）r 一定時, F 與 Q1 Q2.4、實驗原理及步驟：本裝置采用投影儀進行放大觀

16、測，定量演示庫侖定律。根據(jù)高斯定律， 均勻帶電球面在面外各點的電場分布與點電荷的電場分布相同，因此，實 驗中采用球形帶電體做為點電荷的近似模型。投影式庫侖扭秤保留了傳統(tǒng) 式庫侖扭秤的物理思想，在結構設計、觀測方法，加工工藝等方面有較大 改進,使演示的可見度大。一、裝置結構及技術參數(shù)： 如圖所示，儀器主要由扭擺球，移動球，透明方箱三部分組成。ktItII HIJ1配重；2調(diào)零片；3游絲；4擺架；5擺軸；6 軸承，7擺桿（一半為絕緣材料，另一半為鋁材）； 8指針；9透明方箱；10底腳；11止動旋鈕；12 微調(diào)零旋鈕；13測力標尺；14測距標尺；15移動 旋鈕；16A球底座；17拉板；18A、B:帶

17、電球二、操作方法：1、實驗準備 （1 ）投影調(diào)焦把儀器放在投影器上，調(diào)節(jié)焦距，使測力標尺13和測距標尺14的刻度線都能在銀幕上清晰可見。（2 ）零點微調(diào)將止動旋扭11旋出，使旋扭前端與指針 8相離約5mm，當發(fā)現(xiàn)指針與 測力標尺的0刻度不重合時，需要零點微調(diào)，把微調(diào)零旋扭12松開，輕輕移動標尺，使指針準確指零之后，再輕輕擰緊旋扭。（3 ）干燥處理該儀器的使用條件為相對濕度< 80%在濕度較大時，需要對儀器進行干燥處理，將拉板 17拉開，用熱風機向箱內(nèi)吹熱風使箱內(nèi)干燥（如發(fā)現(xiàn)箱 內(nèi)的干燥劑發(fā)紅時，需事先將干燥劑烘干，使它變成藍色），之后關上拉*演示（ 1 ）（ 2 ）（ 3）板，再用熱風機

18、對有機玻璃棒和絲綢進行干燥。全部干燥處理后立刻進行 演示操作。2 、演示步驟1 電量一定時， F 與 r 的關系。將移動旋扭 15 松開，向右推動旋扭，使 A 球與 B 球相靠。 使有機玻璃棒與絲綢摩擦帶電。將拉板拉開，把帶電的有機玻璃棒伸入箱內(nèi)，穿過兩球底部，棒 的前端微微翹起，離左側壁 1-2cm 時，使棒接觸兩球，向外邊拉邊轉，給 球帶電。因兩球靠在一起同時帶等量電荷。兩球帶電后，關閉拉板。注意： 兩球所帶電量不易過大或過小，大約在 r 為 5-6cm 時， F 為 12-20mm （ F） 為宜。（4）成倍數(shù)的改變r，分別測出對應的 F （移動A球的快慢適當，使擺 球有輕微擺動過程到達新的平衡位置）。實驗結果表明，電量一定時， 與 r2 成反比。演示2 r 一定時，F(xiàn)與Qi、Q2.的關系。調(diào)節(jié) r 的大F）。 F 值（ 1） A、 B 球帶等量同種電荷，帶電方法同前。移動 A 球， 小，使 F 為被 4 整除的一個整數(shù)值，