静电场电荷的相互作用教案教学目标在物理知识方面的要求.docx

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静电场电荷的相互作用教案教学目标在物理知识方面的要求

静电场·电荷的相互作用·教案

一、教学目标

1．在物理知识方面的要求：

（1）掌握两种电荷；

（2）定性了解两种电荷间的作用规律；

（3）掌握库仑定律的内容及其应用。

2．通过观察演示实验，概括出两种电荷间的作用规律。

培养学生观察、概括能力。

3．渗透物理学方法的教育，运用理想化模型方法，突出主要因素，忽略次要因素，抽象出物理模型——点电荷，研究真空中静止点电荷间互相作用力问题——库仑定律。

二、重点、难点分析

1．重点是使学生掌握真空中点电荷间作用力大小的计算及方向的判定——库仑定律。

2．真空中点电荷间作用力为一对相互作用力，遵从牛顿第三定律，是难点。

三、教具

1．演示两种电荷间相互作用

有机玻璃棒、丝绸、碎纸片、毛皮、橡胶棒（2支）

2．定性演示相关物理量间关系

铝箔包好的草球、表面光滑洁净的绝缘导体、绝缘性好的丝线、绝缘性好的支架、铁架台。

四、主要教学过程

1．新课引入

人类从很早就认识了磁现象和电现象，例如我国在战国末期就发现了磁铁矿有吸引铁的现象。

在东汉初年就有带电的琥珀吸引轻小物体的文字记载，但是人类对电磁现象的系统研究却是在欧洲文艺复兴之后才逐渐开展起来的，到十九世纪才建立了完整的电磁理论。

电磁学及其应用对人类的影响十分巨大，在电磁学研究基础上发展起来的电能生产和利用，是历史上的一次技术革命，是人类改造世界能力的飞跃，打开了电气化时代的大门。

工农业生产、交通、通讯、国防、科学研究和日常生活都离不开电。

在当前出现的新技术中，起带头作用的是在电磁学研究基础上发展起来的微电子技术和电子计算机。

它们被广泛应用于各种新技术领域，给人们的生产和生活带来了深刻的变化。

为了正确地利用电，就必须懂得电的知识。

在初中我们学过一些电的知识，现在再进一步较深入地学习。

2．教学过程设计

（1）研究两种电荷及电荷间的相互作用

实验一：

用橡胶棒与毛皮摩擦后，放于碎纸片附近观察橡胶棒吸引碎纸片情况。

提问一：

为什么橡胶棒会吸引碎纸片？

答：

橡胶棒与丝绸摩擦后就带电了，带电物体会吸引轻小物体。

提问二：

注意观察带电橡胶棒吸引碎纸片情况，会发现被橡胶棒吸起的纸片中，较大的纸片先落下来，这是为什么？

答：

带电体在空气中不断放电，使它带电量不断减少，因而吸引轻小物体的力也相应减小，所以较大纸片先落下来。

教师总结：

在初中的学习中，我们已经知道，自然界存在两种电荷，叫做正电荷与负电荷。

用毛皮摩擦橡胶棒，用丝绸摩擦有机玻璃棒后，橡胶棒带负电，毛皮带正电，有机玻璃棒带正电，丝绸带负电。

物体带电后，能吸引轻小物体，而且带电越多，吸引力就越大，电荷的多少叫电量，电量的单位是库仑。

电子带有最小的负电荷，质子带有最小的正电荷，它们电量的绝对值相等，一个电子电量e=1.6×10-19C。

任何带电物体所带电量要么等于电子（或质子）电量，要么是它们的整数倍，因此，把1.6×10－19C称为基元电荷。

提问三：

若将橡胶棒摩擦过的毛皮靠近碎纸片，会出现什么现象？

答：

毛皮带上正电，也会吸引轻小物体。

教师用实验验证学生的判断。

实验二：

用云台支起一根橡胶棒，如图1所示，再将它与另一根橡胶棒并在一起，用毛皮摩擦它们的一端，使之带上同种电荷，再观察两端相互作用的情况，发现它们相斥，而且它们的距离越小斥力越大，过一会儿，它们间的作用力会明显减弱。

提问四：

被毛皮摩擦过的橡胶棒的两端为什么会相斥？

斥力的大小与什么因素有关？

答：

因为它们带上了同种电荷，而电荷间作用的规律是同种电荷相斥，异种电荷相吸，斥力的大小与电荷间的距离有关，距离越小，斥力越大，反之，距离越大，斥力越小；斥力的大小还与电量有关，电量越大，斥力越大。

由于放电的原因，棒上的电量不断减小，而斥力也随时间的增大而明显减小。

提问五：

若将与橡胶棒摩擦过的毛皮与支起的橡胶棒带电的一端靠近，或用丝绸摩擦过的有机玻璃棒与支起的橡胶棒带电的一端靠近，会出现什么现象？

答：

会吸引，异种电荷相吸。

教师用实验验证学生的判断。

提问六：

若将与有机玻璃棒摩擦过的丝绸与支起的橡胶棒带电的一端靠近，会出现什么现象？

答：

会相斥，同种电荷相斥。

教师用实验验证学生的判断。

实验三：

如图2，先把表面光滑洁净的绝缘导体放在A处，然后把铝箔包好的草球系在丝线下，分别用丝绸摩擦过的玻璃棒给导体和草球带上正电，把草球先后挂在P1、P2、P3的位置，带电小球受到A的作用力的大小可以通过丝线对竖直方向的偏角大小显示出来。

观察实验发现带电小球在P1、P2、P3各点受到的A的作用力依次减小；再增大丝线下端带电小球的电量，观察实验发现，在同一位置小球受到的A的作用力增大了。

提问七：

电荷间作用力大小跟什么有关？

答：

与电荷间距离及电量多少有关，电荷的作用力随着距离的增大而减小，随着电量的增大而增大。

教师总结：

电荷之间存在着相互作用力，力的大小与电量的大小、电荷间距离的大小有关，电量越大，距离越近，作用力就越大；反之电量越小，距离越远，作用力就越小。

作用力的方向，可用同种电荷相斥，异种电荷相吸的规律确定。

（2）库仑定律

我国东汉时期就发现了电荷，并已定性掌握了电荷间的相互作用的规律。

而进一步将电荷间作用的规律具体化、数量化的工作，则是两千年之后的法国物理学家库仑，他用精确实验研究了静止的点电荷间的相互作用力，于1785年发现了后来用他的名字命名的库仑定律。

正像牛顿在研究物体运动时引入质点一样，库仑在研究电荷间的作用时引入了点电荷，无疑这是人类思维方法的一大进步。

什么是点电荷？

简而言之，带电的质点就是点电荷。

点电荷的电量、位置可以准确地确定下来。

正像质点是理想的模型一样，点电荷也是理想化模型。

真正的点电荷是不存在的，但是，如果带电体间的距离比它们的大小大得多，以致带电体的形状和大小对相互作用力的影响可以忽略不计时，这样的带电体就可以看成点电荷。

均匀带电球体或均匀带电球壳也可看成一个处于该球球心，带电量与该球相同的点电荷。

库仑实验的结果是：

在真空中两个电荷间作用力跟它们的电量的乘积成正比，跟它们间的距离的平方成反比，作用力的方向在它们的连线上，这就是库仑定律。

若两个点电荷q1，q2静止于真空中，距离为r，如图3所示，则q1受到q2的作用力F12为

式中F12、q1、q2、r诸量单位都已确定，分别为牛（N）、库（C）、

q2受到q1的作用力F21与F12互为作用力与反作用力，它们大小相等，方向相反，统称静电力，又叫库仑力。

若点电荷不是静止的，而是存在相对运动，那么它们之间的作用力除了仍存在静电力之外，还存在相互作用的磁场力。

关于磁场力的知识，今后将会学到。

（3）库仑定律的应用

例1 两个点电荷q1=1C、q2=1C相距r=1m，且静止于真空中，求它们间的相互作用力。

这时F在数值上与k相等，这就是k的物理意义：

k在数值上等于两个1C的点电荷在真空中相距1m时的相互作用力。

例2 真空中有A、B两个点电荷，相距10厘米，B的带电量是A的5倍。

如果A电荷受到的静电力是10－4N，那么B电荷受到的静电力应是下列答案中的哪一个？

                          [   ]

A．5×10-4N                                B．0.2×10-4N

C．10－4N                                    D．0.1×10-4N

例3 两个完全相同的均匀带电小球，分别带电量q1=2C正电荷，q2=4C负电荷，在真空中相距为r且静止，相互作用的静电力为F。

（1）今将q1、q2、r都加倍，相互作用力如何变？

（2）只改变两电荷电性，相互作用力如何变？

（3）只将r增大4倍，相互作用力如何变？

（4）将两个小球接触一下后，仍放回原处，相互作用力如何变？

（5）接上题，为使接触后，静电力大小不变应如何放置两球？

答

（1）作用力不变。

（2）作用力不变。

（3）作用力变为F/25，方向不变。

（4）作用力大小变为F/8，方向由原来的吸引变为推斥（接触后电量先中和，后多余电量等分）。

例4 两个正电荷q1与q2电量都是3C，静止于真空中，相距r=2m。

（1）在它们的连线AB的中点O放入正电荷Q，求Q受的静电力。

（2）在O点放入负电荷Q，求Q受的静电力。

（3）在连线上A点的左侧C点放上负点电荷q3，q3=1C且AC=1m，求q3所受静电力。

解 当一个点电荷受到几个点电荷的静电力作用时，可用力的独立性原理求解，即用库仑定律计算每一个电荷的作用力，就像其他电荷不存在一样，再求各力的矢量和。

（1）

（2）题电荷Q受力为零。

（3）q3受引力F31与引力F32，方向均向右，合力为：

3．课堂小结

（1）电荷间相互作用规律：

同性相斥，异性相吸，大小用库仑定

（2）电荷间作用力为一对相互作用力，遵循牛顿第三定律。

（3）库仑定律适用条件：

真空中静止点电荷间的相互作用力（均匀带电球体间、均匀带电球壳间也可）。

五、说明

本节中实验较多，做好静电实验关键是绝缘性能要好

静电场·电场 电场强度·教案

一、教学目标

1．了解电场的概念。

2．理解电场强度的概念。

3．掌握电场强度的计算方法。

二、重点、难点分析

1．重点是使学生理解电场强度的概念及掌握电场强度的计算方法。

2．电场强度是描述电场性质的物理量之一，这是难点。

初学者容易把电场强度跟电场力混同起来。

三、主要教学过程

1．复习库仑定律

在真空中两个点电荷的作用力跟它们的电量乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比，作用力的方向在它们的连线上，这就是库仑定律。

2．新课引入

任何力的作用都离不开物质，脚踢球，脚对球的力直接作用在球上；狗拉雪橇，狗对雪橇的拉力是通过绳子作用的；地球对地表附近物质的作用力是通过重力场——物质，作用的；地球与月亮间有万有引力作用力也是因有万有引力场——物质；两电荷间相互作用时不直接接触，它们之间的相互作用也是通过别的物质作用的，这就是电场。

3．教学过程设计

（1）电场

a．电荷周围存在一种特殊物质

提问：

既然场是物质，为什么我们看不到呢？

为转移的客观存在。

例如可见光波长由7000

～4000

，但还有很多波长的光线我们看不到，但不等于它们不存在。

不能以人类感官为标准判定存在与否。

场客观存在的证明是它有力、能的特性。

例如重力场对有质量的物体有力的作用，且可对物体做功，说明其能量。

电场对放入其中的电荷Q也有力的作用，可对Q做功，说明其有能量。

b．电场的基本性质：

电场对放入其中的电荷有力的作用，此力称电场力。

c．静电场：

静止电荷的电场。

场有能和力的特性，我们先看电场中力的性质，它是本章的重要内容，先以点电荷为例。

如图1所示，在+Q电场中A点分别放入电荷q1、q2、q3则它们分别受电场力为：

看看上式，我们可发现场电荷Q对不同的检验电荷q有不同的电场力，但只要A点位置不变，F与q的比值就不变。

从上面分析看出：

Q固定则电场的空间分布固定，对于场中某固定

反映的是电场的强弱，称场强。

（2）电场强度

a．定义：

放入电场中某一点的电荷受到的电场力跟它的电量的比值叫该点的电场强度，简称场强。

b．定义式：

F——电场力国际单位：

牛（N）

q——电量国际单位：

库（C）

E——电场强度国际单位：

牛/库（N/C）

C．物理意义：

电场中某点的电场强度数值上等于单位正电荷在那里所受的电场力。

d．电场强度是矢量，规定场强方向为正电荷在该点所受电场力方向。

电场中同一点，＋q、-q受力方向不同，场强只能有一个方向，规定以+q的受力方向为正。

例 在图2中标出A、B、C、D四点的电场强度的方向。

正点电荷电场中某点电场强度方向沿连线背离+Q；负点电荷电场中某点电场强度方向沿连线指向-Q。

e．单位：

牛/库N/C

（3）一个点电荷电场的场强

b．方向：

正电荷在该点受电场力方向（以后还会遇到各点场强大小，方向均相同的匀强电场）

（4）两个点电荷产生的电场的叠加原理

如图3所示，在正点电荷Q1与负点电荷Q2产生的电场中有一点A，求A点的电场强度EA，由电场强度的定义可知，EA在数值上为+1C点电荷在A点所受的电场力。

今在A点放q=+C，q将同时受到Q1和Q2的作用，每个作用力都能单独用库仑定律求出，就像另一个电荷不存在一样，而q受的合力为各分力的矢量和，又因q是1C正电荷，所以它受的电场力在数值上等于场强，也就是说A点的合场强为Q1与Q2单独在A点产生的场强的矢量和，这就是电场强度的叠加原理。

用电场强度的叠加原理可以求得任意多个点电荷产生的电场强度，任何一个带电体不管其电荷分布多么复杂，都可以视为由许多点电荷组成，因而可以用场强叠加原理求出它的场强。

可以看出，真空中任意多个点电荷产生的电场强度，仅由场电荷、电场中的位置两个因素决定，而与检验电荷无关。

（6）电场强度小结

a．电场中某点场强大小和方向，均与该点放不放检验电荷、放那种电荷、放多大检验电荷无关，是电场自身的性质，与外界因素无关。

对确定的电场来说，在某点放单位正电荷时，它受电场力的大小和方向是确定的。

（7）例题

例1 场电荷Q=2×10－4C，是正点电荷；检验电荷q=2×10－5C，是负电荷，它们相距r=2m而静止且都在真空中，如图4所示。

求：

（1）q受的电场力。

（2）q所在的B点的场强EB。

（3）只将q换为q＇=4×10－5C的正点电荷，再求q＇受力及B点的场强。

（4）将受力电荷拿去后再求B点场强。

在A与B的连线上，且指向A。

=4.5×105N/C方向由A指向B。

（4）因E与q无关，自然q=0也不会影响E的大小与方向，所以拿走q后场强不变。

例2 如图5（a）所示，点电荷q与9q静止于真空中，相距r，它们均为正电荷，求：

（1）连线中点A的场强EA；

（2）求场强为0的点位置。

解 

（1）在A点放q＇=1C，它受力情况如图5（c）所示，F为q对q＇的作用力，9F为9q对q＇的作用力，而合力为8F方向指向q，所以

（2）先分析E=0的点可能的位置范围，因在该点放+1C时，它受力为零，所以q与9q对+1C作用力一定等大反向，因而两力共线，由此可以断定E=0的点在q与9q的连线上，当+1C放于q以左及9q以右的连线上时，它受的两个力都同向，因而不可能抵消，所以E=0的点一定在两点电荷中间的连线上。

令E=0的点O距q为x，如图（b）所示，＋1C电荷在O点受力为零，所以有

（2）E=0的点在q与9q之间，距q为r/4。

四、说明

1．对于电场强度概念的理解注意：

无论放正、负检验电荷，E的方向定义为+q受力方向，类似于电流方向定义为正电荷移动方向，无论是谁移动形成电流。

（2）电场强度为自身性质，与检验电荷无关。

2．我们研究的电荷均处于真空中，如处于空气中也可近似认为是在真空中。

静电场·电场 电场强度·教案（2课时）

一、教学目标

1．在物理知识方面的要求：

（1）通过对电场概念的学习，使学生明确场的特点，描写场的方法，并能在头脑中建立起场的模型和图象。

（2）理解场电荷、检验电荷的概念，理解和掌握电场强度的概念。

（3）掌握点电荷的电场强度公式。

（4）理解和掌握电场的叠加原理，会计算简单的点电荷组产生的电场。

2．在物理研究方法上要求：

（1）树立“场”在空间上有分布的观念，并培养学生的空间想象力。

（2）通过“检验电荷”的概念，使学生明确物理测量的有效性的观念。

（3）对点电荷场强公式的分析，使学生明确理想模型建立的条件。

二、重点、难点分析

1．“场”是物理学中的重要概念，“场”的概念比较抽象，在中学物理中，本章又是初次较深入地研究“场”，所以“场”概念的引入，“场”观念的建立，既是本节的重点也是本节的难点。

2．电场强度的概念、场的叠加原理也是本节的重点。

三、教学过程设计

（一）复习提问

两个点电荷电量分别为+4Q、-Q，固定在相距为L的两点，在何处放一个什么样的第三点电荷可使第三点电荷保持静止？

在两点电连线延长线上，-Q的一侧距-Qx=L处（复习库仑定律）。

与第三个电荷电量无关（为建立场强与检验电荷无关，及由力的合成向场的叠加过渡做铺垫）。

（二）引入新课

两个电荷间存在着相互作用力，上一节我们定量地研究了两个点电荷之间的相互作用力的规律——库仑定律。

提出问题：

在力学中，我们所学过的弹力、摩擦力均是接触力，只有相互接触的两个物体之间才有可能产生弹力、摩擦力。

两个电荷之间并不接触，它们之间的相互作用力是如何实现的呢？

（三）主要教学过程设计

1．在同学回答的基础上总结出：

两个电荷之间的相互作用力是通过电场实现的。

任何一个电荷在其周围空间产生电场，另一个电荷处在它产生的电场中，另一个电荷受到电场对它的作用力——称为电场力。

（如同学提出重力、引力，顺便提出重力场、引力场的概念，如无人提出暂不引入重力场、引力场。

）

电荷在其周围空间产生电场，静止的电荷产生的电场是静电场。

电场对处在场中的其他电荷有力的作用。

2．对任何事物的认识和理解，都要从它与其他事物的相互关系（相互作用）入手，从中找出它的基本性质，对电场的认识也应如此。

为了认识电场，找到描写电场性质的物理量，我们先引入两个基本概念：

场电荷和检验电荷。

场电荷：

产生电场的电荷。

提出问题：

什么样的电荷能产生电场？

什么样的电荷不能产生电场？

！

为什么还要提出场电荷呢？

在总结同学的回答时，强调指出这与以前在力学、热学中研究问题时一样，是研究对象的选取的问题。

检验电荷：

放在我们所研究的电场中，用来检验该电场的性质的电荷。

检验电荷必须具备的条件：

（1）点电荷；

（2）电量足够小，使得当将检验电荷引入电场中时不改变场电荷的分布。

提出问题：

为什么检验电荷必须具备以上两个条件？

先总结必须满足第二个条件的原因，强调对于任何物理测量，只有当测量工具（仪器）的引入不改变被测对象的性质时，或对被测对象的影响小到可以忽略不计时，这种测量才有意义，否则这种测量是无意义的。

对于必须满足第一个条件的原因，留在以后解决。

3．引入电场强度的概念

（1）将同一个检验电荷q，分别放在电场中的不同点，它所受的电场力的大小和方向一般说来是不同的。

提问：

这一实验结果，说明了什么问题？

总结同学回答的情况，强调：

同一电场中不同点的性质是不同的，研究电场必须一点一点地研究，即电场在空间有分布。

同时回答检验电荷必须是点电荷的原因。

（2）集中研究电场中的某一点P。

将电量为q1的检验电荷放在P点，测得它所受的电场力大小为F1；将电量为q2的检验电荷放在P点，测得它所受的电场力大小为F2；……将电量为qn的检验电荷放在P点，测得它所受的电场力的大小为Fn。

实验发现：

在电场中的同一点，检验电荷的电量q发生变化，它所受的电场力的大小F也随之变化（成正比的变化），而电场力的大小F与检验电荷电量q的比值不变，即

这个比值不随检验电荷电量变化，说明它与检验电荷无关，它只与电场中这点（P）有关，它只由电场中这一点决定，所以这个比值可以用来描写电场中该点的性质，将它叫做电场中该点的电场强度的大小。

4．电场强度的定义

电场强度（简称场强）是描写电场有关力的性质的物理量，它是矢量。

检验电荷在电场中某点所受电场力的大小F与检验电荷的电量q的比值F/q，叫做电场中该点的电场强度的大小，即

在国际单位制中，电场强度的单位是牛/库。

5．请同学根据库仑定律和电场强度的定义，推导场电荷为点电荷的电场强度的表达式。

（1）先求距场电荷Q为r的一定点P的场强大小和方向。

（2）再将r看成是变量（P点为动点），可得出点电荷Q的电场中任意一点的电场强度的表达式。

大小和方向与检验电荷无关，完全由场电荷Q和该点的设置所决定。

（4）正的点电荷与负的点电荷在空间各点产生的电场强度的方向（为以后引入电场线做准备）。

6．研究点电荷所产生的电场强度，从力的叠加（力的合成）引出场的叠加。

（1）两个等值异号的点电荷+Q、-Q，相距为L，求连线中点的场强；连线延长线距-Qx点处的场强；连成的垂直平分线上距中点为x处点的场强；当x

L时，后两点的场强。

（2）在正方形（边长为a）的四个顶点处各固定一电量为+Q的点电荷，在过四边形对角线中心O垂直于平面的轴线上距O点x处的场强。

对顶的两个点电荷在该点产生的场，在垂直于x轴上的分量相互抵消。

（3）半径为r的均匀带电圆环，电量为q，在其轴线上距环心O距离为x的一点的场强方向沿轴线，其指向由电荷种类确定。

小结：

有了点电荷的场强公式和场的叠加原理，原则上可求任意电荷分布的电场各点的电场强度。

强调点电荷的场强公式的重要性。

思考题：

1．场强E是描写电场有关力的性质的物理量。

为什么不直接用检验电荷所受的电场力F来描写，而要引入电场强度这个物理量？

目的：

进一步巩固场强的概念，明确场强E与电场力F的联系与区别。

0）的场强？

结果如何？

为什么？

目的：

进一步使学生明确，点电荷（理想模型）建立的条件。

〔如时间富裕，在课堂上讨论，如时间不够，请学生在下面思考、讨论，下节课再做总结〕

（四）课堂小结

1．电场的性质：

电荷在其周围空间产生电场，电场对处在场中的其他电荷有力的作用。

2．“场”的特点：

在空间有分布，同一电场中的不同点，电场强度的大小和方向不同。

3．电场强度的定义

4．点电荷的场强公式

5．叠加原理

（五）布置作业

四、说明

如学生基础较好，场的叠加全讲；如不好，只讲第一个问题即可。