高二物理教案電場及其描述

1、1.3 電場及其描述【教學目的】1、了解電場 ,了解場是一種物質(zhì).場和實物是物質(zhì)存在的不同形式.電場存在于電荷周圍,電荷通過電場這種物質(zhì)間接對另一電荷施加靜電力的作用.2、理解電場強度,會計算電場強度.理解其矢量性與疊加性,但不要求作復(fù)雜的疊加運算.3、知道電場線的物理意義.會用電場線描述電場的強弱和方向,了解點電荷電場和勻強電場等幾種電場線的分布特征.【教學重點】理解電場強度,會計算電場強度.理解其矢量性與疊加性,但不要求作復(fù)雜的疊加運算.知道電場線的物理意義.會用電場線描述電場的強弱和方向,了解點電荷電場和勻強電場等幾種電場線的分布特征【教學難點】了解電場 ,了解場是一種物質(zhì) .場和實物是

2、物質(zhì)存在的不同形式 .電場存在于電荷周圍 ,電荷通過電場這種物質(zhì)間接對另一電荷施加靜電力的作用【教學媒體】實驗器材：有水龍頭的實驗室梳子絲綢 .玻璃棒 .帶絕緣座的金屬球 .絕緣細線 .鐵架臺 . 帶電小球課件：視頻 模擬電場線實驗， 揭密片段，flash課件 模擬電場線【教學安排】【新課導(dǎo)入】利用視頻 揭密 中大師遠處發(fā)功推動桌面上裝水的搪瓷臉盆，實際上是桌下的人用強磁鐵吸引搪瓷（里面是鐵）運動教師聲稱自己也會發(fā)功，（演示實驗）用梳過頭的梳子吸引細小水流請學生來揭密導(dǎo)出電荷之間的作用力與磁體之間的作用力都可以不通過接觸產(chǎn)生 因此施力體比較隱蔽， 常被魔術(shù)師借用， 甚至被騙子利用， 我們對這些

3、看起來似乎是不可思議的現(xiàn)象， 首先要用科學的方法去分析， 要仔細觀察思考， 不被騙彈力和摩擦力都需要直接接觸 而重力（萬有引力） 則和電荷之間的作用力與磁體之間的作用力一樣， 都可以不通過接觸產(chǎn)生 這種作用力是怎么從一個物體到另一個物體的呢？這在歷史上有過長期的爭論：一種觀點認為這種作用力是超距作用，從一個物體到另一個物體是直接的不需要介質(zhì)也不需要時間，這種方式可以表示為：電荷電荷；另一種觀第1頁共8頁點以在 19 世紀 30 年代法拉第為代表， 認為這些力是通過一種叫場的媒介傳遞的帶電體或磁體周圍產(chǎn)生了一種由電或磁產(chǎn)生的物質(zhì)，法拉第把它們稱為電場和磁場，（地球周圍則形成引力場） ，場則對放入

4、其中的某些物體（如電場對放入場中的電荷）產(chǎn)生作用力這種作用方式可以表示為：電荷電場電荷；好比是漁民撒開漁網(wǎng)，撞入網(wǎng)中的魚就中招了【新課內(nèi)容】場是真實存在的：教師提問：如何判斷超距作用和場這兩種觀點誰正確？（學生討論） 如果超距作用是正確的，則這種電荷間的作用力與中間介質(zhì)無關(guān)，且不需要時間教師指出： 實際上法拉第通過實驗發(fā)現(xiàn)電荷間的作用力與中間介質(zhì)有關(guān)，不同的介質(zhì)作用力不同 現(xiàn)代物理學還發(fā)現(xiàn)這種作用力從一個物體到另一個物體需要時間，這都證明了場的存在場雖然不象實物，它看不見，摸不著，但是客觀存在的在后來的許多物理學家的研究下，發(fā)現(xiàn)場也與實物一樣有質(zhì)量和能量電荷周圍有電場，磁體周圍有磁場，物體周圍

5、有引力場 因此我們現(xiàn)在學習電場的研究方法可以推廣到磁場和引力場的研究中場已被證明是一種客觀存在的物質(zhì)形態(tài)，電視臺和無線電廣播電臺就是靠激發(fā)電磁場的方式發(fā)送各種節(jié)目信號的。雖然電磁場“看不見 ”“摸不著 ”，但是我們卻可以在遠離發(fā)射塔的地方，用電視機和收音機接受到它們發(fā)送的節(jié)目信號，這就是電磁場客觀存在的很好例證。本節(jié)課我們就來學習描述電場的重要概念。電場力的概念以及利用電場力檢測電場的存在。提問：我們怎樣研究電場呢？比如：怎么知道某一空間(老師的講臺上 )是否存在電場 ?討論：方法一：檢查周圍是否有形成電場的電荷?方法二： 電場能夠?qū)μ幱趫鲋械碾姾墒┘恿Φ淖饔??？衫秒姾蓹z驗其是否受電場給的力

6、來檢查電場的存在。（如圖 1）拿一個帶電體放入這個區(qū)間,看它是否受力產(chǎn)生狀態(tài)變化 .哪種方法更好呢？通過討論提出：由于帶電體能吸引輕小物體，所以最好用來檢驗的帶電體本身電量較小，我們稱這種帶電體為檢驗電荷或試探電荷。(演示實驗 :用試探電荷檢驗電場是否存在。如圖 1 所示，使有絕緣支柱的大金屬球帶電作為場源電荷，使絲線吊著的小鋁箔球帶少量電荷，用它代替檢驗電荷 q。 )第2頁共8頁教師指出： 這種力稱為電場力它與原來說的靜電力、庫侖力是一回事。原來我們說電荷q對電荷q2 產(chǎn)生靜電力（或說庫侖力）,現(xiàn)在應(yīng)該怎么說 ?回答：電荷q1 產(chǎn)生電場 ,這個電場對電荷q2 產(chǎn)生作用力。電場對放入其中的帶電

7、體能產(chǎn)生電場力，這是電場的基本性質(zhì)之一。所以我們可以選擇一個帶電量很小、 線度也很小的試探電荷q，分別放入帶電體 q 所產(chǎn)生的電場中的不同位置，觀察檢驗電荷 q 受到的電場力有何特點。電場強度實驗探究場強的定義：實驗一：教師有意將試探電荷緩慢地移過不同位置.引導(dǎo)學生仔細觀察絲線的傾斜方向?，F(xiàn)象：鋁箔球在電場中不同方位均有偏轉(zhuǎn)，說明此地都有電場，但絲線傾斜的方向不同。說明不同位置電場力不同。實驗二：鋁箔球逐漸遠離場源，注意觀察絲線偏離豎直方向的角度?，F(xiàn)象：偏角逐漸減小。問：由這兩個實驗我們能得到什么結(jié)論？學生答后教師歸納：以上兩個實驗表明，在電場中不同點，電場對檢驗電荷施加的電場力的大小和方向一

8、般是不同的。比如在a 點電場對電荷施加方向向右的作用力，在d 點電場對電荷施加方向向左的作用力，在a 點電場對電荷的作用力大，在b 點電場對電荷施加的作用力小。提問：形成這一不同的原因在于施力的電場呢還是在于受力的電荷?(學生討論并說明理由 )教師歸納： 由于試探電荷自身沒有變化，所以我們說這是不同處的電場對電荷施加電場力的能力不同 ,哪里的電場比較強呢?怎么說明 ?討論： 用檢驗電荷受到的電場力，行嗎？（學生討論估計多數(shù)學生會說可以，電場力大的說明電場強，教師保留問題，繼續(xù)實驗三）實驗三：把鋁箔球放在電場中同一位置，減小它的帶電量，注意觀察絲線的偏角。學生總結(jié)實驗結(jié)論在電場中同一點，檢驗電荷

9、所受電場力隨它所帶電量的減小而減小，所以，電場力不能用于描述電場。教師歸納： 要描述電場， 需要找一個與檢驗電荷的電量無關(guān)而只由電場決定的物理量。電場對電荷的作用力與電場的性質(zhì)和試探電荷都有關(guān). 那我們用什么描述電場呢？如果不同試探電荷放在不同電場中受力,又怎么比較電場的強弱呢 ?第3頁共8頁學生討論（教師可提示類比功率或速度大小的比較)教師： 如果我們能夠做更精確的實驗，就會發(fā)現(xiàn)： 在電場中同一點，電場力不僅隨檢驗電荷的電量的減小而減小，隨電場力的增大而增大，而且跟檢驗電荷的電量之間存在定量關(guān)fa2fanfa定值 1q2qnq系 。 比 如 ： 在 a點 有； 在 b點 有fb2fbnfb定

10、值 2q2qnq在電場中同一點，比值f q 是一個與檢驗電荷和電場力無關(guān)的量，而在電場中不同點，比值一般不同， 因而比值反映電場的性質(zhì)。所以我們可以用它來描述電場，并把它定義為電場強度。電場強度定義：放入電場中某點的電荷受到的電場力與它電量的比值，叫這一點的電場強度，簡稱場強。符號： eef定義公式：q ；公式表明電場中某點的場強在數(shù)值上等于單位電荷在該點受到的電場力。其中 f 為試探電荷 q 在場中某點受到的電場力，e 為該點場強。注意，電場e 不是電荷 q 產(chǎn)生的，所以 e 的大小與 q 無關(guān)。因此不能說e 與 q 成反比，與 f 成正比。單位： n c規(guī)定電場中某點場強的方向為正電荷在該

11、點受到的電場力的方向。所以場強是矢量。一般電場中不同點，場強的大小及方向不同，場強大的地方，電場強，場強小的地方，電場弱，通常我們也把場強的大小和方向叫做電場的強弱和方向。圖 3ef由于我們是從一般電場出發(fā)引入場強的定義的，所以q 適用于一切電場。例 1：如圖3 所示是某區(qū)域的電場線圖，a、 b、c 是電場中的三點。說明哪點的場強最大？標出 a、 b、 c 三點的場強方向。若在 c 點放一負電荷，標出負電荷受到的電場力的方向。答案略。真空中點電荷電場的場強圖 4下面我們以一個特殊的電場 真空中點電荷產(chǎn)生的電場為例，分析場強的物理意義。第4頁共8頁例 2：在真空中 a 點有一正點電荷 q=2.0

12、10-4c，把試探點電荷 q=2.0 10-5c 的負電荷置于 b 點，它們相距 r=2m ，如圖所示。求： （ 1） q 受的電場力；（ 2） q 所在點的電場強度；（ 3）只將 q 點電荷換成 q/=4.0 10-5c 的正電荷，再求 q/ 受力和 b 點的場強；（ 4）將受力電荷拿走，再求 b 點場強。 * （ 5）若將 q 拿走呢？答案略。qq解析 :在點電荷 q 形成的電場中 ,距 q 為 r 處放入點電荷 q，q 受的電場力即庫侖力f k r 2，fqq根據(jù)場強定義或該處場強為eqk r 2（r可取任意值），因此 e k r 2 即為點電荷在真空中場強公式，其中 q 為場源電量，

13、r 為某點到場源的距離。k 為靜電常數(shù)。 +q 受力方向即為該點場強方向（如圖所示）。若把 +q 換成 -q，所受電場力方向正與場強方向相反，但仍與圖中相同， 說明場強不以電荷和力為轉(zhuǎn)移。即正電荷場強向外， 負電荷場強向內(nèi)， 離場源電荷越遠，場強越小。幾點注意 :qfee k r 2 是適用于點電荷在真空中的電場，但是決定式； 而q 適用各種電場， 是定義式，而非決定式 . 場強的大小與方向跟檢驗電荷的有無、電量、電性沒有關(guān)系。圖 5場強的大小只由場源電荷和場點到場源的距離來決定。離場源電荷越近的點場強越大，離場源電荷越遠的點場強越小。場強的疊加 對于多個電荷產(chǎn)生的電場，同樣遵從平行四邊形法則

14、。兩個電荷 +q 和 q同時存在時，實驗表明它們產(chǎn)生的電場互相獨立、互不影響，p 點的場強是e1 和 e2 疊加的結(jié)果，遵從平行四邊形法則，如圖5 所示（板畫） 。例 3：（ x 軸上 a、 b 兩處分別放有兩個點電荷（圖6）， a 處為 q,b 處為 +2q,在 x 軸上某處 ,兩個電荷各自產(chǎn)生電場強度數(shù)值為ea 和 eb,則圖 6()a.ea=eb之點 ,只有一處 ,該處合場強為 0;ea=eb之點有兩處 ,一處合場強為 0,另一處合場強為 2eaea=eb之點共有三處 ,其中兩處合場強為0;另一處合場強為2eaea=eb之點共有三處 ,其中一處合場強為0,另二處合場強為2ea解析：根據(jù)題

15、意畫出圖 6。第5頁共8頁圖 8eqeq1kk22在 ab 之間某點 x1,q 在 x1 處產(chǎn)生的場強ara 2，+2q 產(chǎn)生的場強brb 2。當 r a2rb時， ea=eb。 ea 方向向左， eb 的方向向左，合場強e=2ea。在 a 點左側(cè) x2 處， ax2=ra， bx2=rb， r a2 2r b2存在。 ea=eb， ea 的方向向右， eb 的方向向左，合場強 e=0。r a21rb2ea=eb不存在。在 b 點右側(cè) x3 處， ax2 bx2，2不可能，所以 ea=eb之點有兩處 ,且合場強一為0,另一為 2ea,答案應(yīng)選 b.由上面例題可見： 電場強度概念能定量描述各點電

16、場的性質(zhì)。但電場中各點場強的大小和方向的分布是非常復(fù)雜的，我們?nèi)绾畏奖愣中蜗蟮亓私怆妶鲋懈鼽c場強的分布情況呢？最好畫圖。如圖 5 所示， 在正電荷周圍電場中畫了很多場強矢量，從這個圖上我們可圖 7以很方便地了解正電荷周圍各點的電場分布情況，但它還不是最好的， 因為電場中有無數(shù)個點，我們不能畫出無數(shù)個矢量， 法拉第為我們提供了一種很好的方法，就是用電場線來形象地描述電場。電場線電場線是描述電場強度分布的一族曲線.描述方法 :用曲線的疏密描述電場的強弱,用曲線某點的切線方向表示該點場強方向.實驗觀察（課件歸納）各種電場的電場線：如圖8。實驗?zāi)M幾種典型的電場線。圖 8問 1：任意兩條電場線都不會

17、相交，這是為什么？教師歸納：如果相交，則交點就會有兩個切線方向，而同一點場強的大小和方向是唯一的。問 2：根據(jù)我們所看到的幾種電場線，誰能歸納一下電場線的方向有什么特點？從圖 9 中可看出 ,e1 為 +q 在 a 處的場強 ,e2 為 q 在 a 處的場強 ,e 為 e1與 e2 的合場強 ,正好為電場線在 a 的切線。兩個點電荷形成的電場中,圖 9每條電場線上每個點符合上述的關(guān)系。教師歸納：電場線總是從正電荷出發(fā)，終止于負電荷或無窮遠，如果只有負電荷，則電場線來自無窮遠，終止于負電荷。它是不閉合的曲線.大家要特別注意一個問題： 我們雖然可以用實驗?zāi)M電場線的分布，但是，電場線并不是第6頁共

18、8頁電場中真實存在的曲線， 它只是我們?yōu)榱诵蜗蟮孛枋鲭妶龆氲?。大家知道?法拉第首先提出了電場， 并用電場線形象地描述電場的分布，這在物理學中是非常重要的。雖然法拉第當時認為電場線是真實的曲線，這是不對的， 但是，法拉第的場線思想?yún)s是非常寶貴的。用場線來形象地描繪矢量場的分布這種方法一直被普遍地采用著?？偨Y(jié)：電場線具有以下特點：在靜電場中 ,電場線從正電荷起,終于負電荷 ,電場線不能相交 ,否則一點將有兩個場強方向 .電場線不是電場里實際存在的線,是為使電場形象化的假想線 .勻強電場實驗觀察：兩塊靠近、正對且等大平行的金屬板,分別帶等量正負電荷時的電場線。現(xiàn)象：它們之間的電場是電場線互相平行的直線,線間距離相等邊緣附近除外 .畫出電場線如圖 10 所示圖 10提問：象這樣的電場線說明了其場強分布有何特點？討論：其場強（邊緣除外）大小處處相等，方向與板垂直，從正板到負板。教師指出： 在電場的某一區(qū)域里,如果各點場強大小和方向都相同,這個區(qū)域的電場叫勻強電場我們把這種電場稱為“勻強電場”。例 4：書 p18/ 例解答略。例 5：如圖 11 所示 ,一個質(zhì)量為3