eq \(\s\up7(),\s\d5(整體設(shè)計))


教學分析


本節(jié)內(nèi)容的核心是庫侖定律，它是靜電學的第一個實驗定律，是學習電場強度的基礎(chǔ)。本節(jié)的教學內(nèi)容的主線有兩條，第一條為知識層面上的，掌握真空中點電荷之間相互作用的規(guī)律即庫侖定律；第二條為方法層面上的，即研究多個變量之間關(guān)系的方法，間接測量一些不易測量的物理量的方法，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(yīng)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。


教學重點難點


1．電荷間相互作用力與距離、電荷量的關(guān)系。


2．庫侖定律的內(nèi)容、適用條件及應(yīng)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(yīng)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。


eq \(\s\up7(),\s\d5(教學過程))


[事件1]


教學任務(wù)：創(chuàng)設(shè)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。現(xiàn)在就讓我們踏著科學家的足跡去研究電荷之間的相互力。


演示實驗：


首先轉(zhuǎn)動感應(yīng)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(yīng)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(guān)？


可能因素：距離、電荷量及其他因素。


[事件2]


教學任務(wù)：設(shè)計方案 定性探究


師生活動：


Ⅰ：定性探究一：探究F與r之間的定性關(guān)系 (學生討論設(shè)計實驗方案)


為了探究F與r之間的定性關(guān)系，對其他因素(如：電荷量、帶電體的形狀)我們應(yīng)該如何處理？


只改變r的大小，保持其他條件不變。(讓學生回憶起控制變量法)


[實驗設(shè)計方案]





實驗器材：如圖所示。其中A、B是兩個直徑為1.5 cm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60 cm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A球越近，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所受的庫侖力F大小的變化的？


(通過偏離豎直方向的角度θ的大小，角度θ越大A所受的庫侖力就越大。)


偏轉(zhuǎn)角θ與小球A所受的庫侖力F的大小關(guān)系如何？(F＝mgtanθ)


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(zhuǎn)角θ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(jié)論：電荷量不變時，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。


Ⅱ：定性探究二：F與q之間的定性關(guān)系 (學生討論設(shè)計實驗方案)


只改變q的大小，保持其他條件不變。


[實驗設(shè)計方案]


實驗器材：將兩個直徑為1.5 cm、外層均勻涂有墨水的泡沫小球，用長為60 cm左右的細導線連起來，然后用絕緣棉線懸掛于鐵架臺上。再將導線接到手搖靜電感應(yīng)器的一個小球上。


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)手搖得越快，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(guān)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(zhuǎn)得越快說明什么？(轉(zhuǎn)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。)


實驗結(jié)論：若距離不變，改變電荷量，兩電荷間的作用力F隨電荷量q的增大而增大。


[事件3]


教學任務(wù)：簡要介紹物理學史，初步感受平方反比規(guī)律的得出


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(guān)，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(yīng)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(yīng)遵從平方反比定律。


[事件4]


教學任務(wù)：庫侖定律的內(nèi)容


師生活動：


1．定律內(nèi)容：真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，與它們電荷量的乘積成正比，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。


2．公式：F＝keq \f(q1q2,r2)，其中k為靜電力常量，k＝9.0×10－9 N·m2/C2。


3．特別說明：


(1)關(guān)于“點電荷”，應(yīng)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(yīng)結(jié)合實例予以糾正。


(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?qū)W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是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。利用微積分計算得：帶電小球可等效看成電荷量都集中在球心上的點電荷。靜電力同樣具有力的共性，遵循牛頓第三定律，遵循力的平行四邊形定則。


[事件5]


教學任務(wù)：介紹庫侖扭秤實驗


師生活動：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。


片段一：1767年，英國物理學家普利斯特利通過實驗發(fā)現(xiàn)靜電力與萬有引力的情況非常相似，為此他首先提出了靜電力平方成反比定律猜測。


片段二：1772年，英國物理學家卡文迪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(shè)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(jié)構(gòu)簡介(利用投影顯示)。


(2)如何解決力的準確測量？


①操作方法，力矩平衡：靜電力力矩＝金屬細絲扭轉(zhuǎn)力矩，F(xiàn)∶θ


②思想方法：放大、轉(zhuǎn)化


(3)F與r2關(guān)系的驗證。


①設(shè)計思想：控制變量法——控制Q不變


②結(jié)果：庫侖精確地用他的扭秤實驗測量了兩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(guān)系。


(4)如何解決電荷量測量問題，驗證F與Q的關(guān)系？


①庫侖將兩個完全相同的金屬小球，一個帶電、一個不帶電，兩者相互接觸后電荷量被兩球等分，各自帶有原有總電荷量的一半。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荷量的1/2、1/4、1/16等的電荷，從而順利地驗證得出F∝Q1Q2


②思想方法：守恒、對稱。


[事件6]


教學任務(wù)：庫侖定律的應(yīng)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m1＝9.10×10－31 kg，質(zhì)子的質(zhì)量m2＝1.67×10－27 kg。電子和質(zhì)子的電荷量都是1.60×10－19 C。


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


F1＝keq \f(Q1Q2,r2)，F(xiàn)2＝Geq \f(m1m2,r2)，eq \f(F1,F2)＝eq \f(kQ1Q2,Gm1·m2)


eq \f(F1,F2)＝eq \f(9.0×109×1.60×10－19×1.60×10－19,6.67×10－11×9.10×10－31×1.67×10－27)＝2.3×1039


可以看出，萬有引力公式和庫侖定律公式在表面上很相似，表述的都是力，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能是相互吸引的力，絕沒有相排斥的力。其次，由計算結(jié)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很多，因此在研究微觀帶電粒子間的相互作用時，主要考慮靜電力，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(wù)：鞏固練習


復習本節(jié)課文及閱讀科學漫步


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，帶電荷量分別為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/64 B．0 C．3F/82 D．3F/16


2．如圖所示，A、B、C三點在一條直線上，各點都有一個點電荷，它們所帶電荷量相等。A、B兩處為正電荷，C處為負電荷，且BC＝2AB。那么A、B、C三個點電荷所受庫侖力的大小之比為______。





3．真空中有兩個點電荷，分別帶電q1＝5×10－3C，q2＝－2×10－2 C，它們相距15 cm，現(xiàn)引入第三個點電荷，它應(yīng)帶電荷量為______，放在______位置才能使三個點電荷都處于靜止狀態(tài)。


4．把一電荷Q分為電荷量為q和(Q－q)的兩部分，使它們相距一定距離，若想使它們有最大的斥力，則q和Q的關(guān)系是______。


答案


1．解析：若A、B同號，F(xiàn)＝keq \f(2q2,r2)，F(xiàn)′＝keq \f(\f(1,2)q2·\f(5,4)q,?2r?2)＝eq \f(5,64)F；若A、B異號，F(xiàn)′＝keq \f(\f(1,2)q·\f(3,4)q,?2r?2)＝eq \f(3,64)F。A正確。


2．解析：FA＝keq \f(q2,r2)－keq \f(q2,?3r?2)＝eq \f(8,9)keq \f(q2,r2)，F(xiàn)B＝keq \f(q2,r2)＋keq \f(q2,?2r?2)＝eq \f(5,4)keq \f(q2,r2)，F(xiàn)C＝keq \f(q2,?2r?2)－keq \f(q2,?3r?2)＝eq \f(5,36)keq \f(q2,r2)，


FA∶FB∶FC＝32∶45∶5


3．－2×10－2 C，q1q2連線上與q2關(guān)于q1對稱


4．q＝eq \f(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(yīng)該使學生有明確的認識。


2．通過本書的例題，應(yīng)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學生，可利用模型或掛圖來介紹。


eq \(\s\up7(),\s\d5(板書設(shè)計))








2 庫侖定律


演示實驗―→猜想―→實驗eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(定性研究,定量研究))庫侖定律―→應(yīng)用





eq \(\s\up7(),\s\d5(備課資料))


庫侖定律的定量研究


1．實驗儀器介紹：J2367庫侖扭秤(投影式)、感應(yīng)起電機


2．實驗采取的研究方法？控制變量法。


3．如何設(shè)計實驗？


(1)電荷量一定時，F(xiàn)與r的關(guān)系。


(2)r一定時，F(xiàn)與Q1·Q2的關(guān)系。


4．實驗原理及步驟


本裝置采用投影儀進行放大觀測，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作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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)及技術(shù)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。





1．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；16.A球底座；17.拉板；18.A、B：帶電球


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)


將止動旋鈕11旋出，使旋鈕前端與指針8相離約5 mm，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)零旋鈕12松開，輕輕移動標尺，使指針準確指零之后，再輕輕擰緊旋鈕。


(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(guān)上拉板，再用熱風機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


演示1 電荷量一定時，F(xiàn)與r的關(guān)系。


(1)將移動旋鈕15松開，向右推動旋鈕，使A球與B球相靠。


(2)使有機玻璃棒與絲綢摩擦帶電。


(3)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(cè)壁1～2 cm時，使棒接觸兩球，向外邊拉邊轉(zhuǎn)，給球帶電。因兩球靠在一起同時帶等量電荷。兩球帶電后，關(guān)閉拉板。注意：兩球所帶電荷量不易過大或過小，大約在r為5～6 cm時，F(xiàn)為12～20 mm(F)為宜。


(4)成倍數(shù)的改變r，分別測出對應(yīng)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(jié)果表明，電荷量一定時，F(xiàn)與r2成反比。


演示2 r一定時，F(xiàn)與Q1、Q2的關(guān)系。


(1)A、B球帶等量同種電荷，帶電方法同前。移動A球，調(diào)節(jié)r的大小，使F為被4整除的一個整數(shù)值，如：F為12、16、20 mm(F)。F值確定后，記錄下r值的大小。


(2)用不帶電的放電球接觸A球，A球電荷量為Q/2。移動A球底座，使r的大小保持不變(恢復到記錄r值的大小)。觀測并記錄F2的大小。


(3)用手觸摸A球，然后移動A球與B球相碰，兩球各帶原來的1/2電荷量，使r的大小不變，測得F3。


從實驗中可以看出，r一定時，F(xiàn)與Q1·Q2成正比。


實驗完畢后，使兩球消電，擺球靜止時擰入止動旋鈕和擰緊移動旋鈕。


注：本次實驗采用東北師范大學生產(chǎn)的“J2367庫侖扭秤(投影式)”，它的優(yōu)點在于方便地讀取兩球間距離r和作用力F的大小。


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