电场.docx

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电场

专题讲座

高中物理“电场”教学研究

方习鹏（北京市十一学校，中学高级）

第一部分该主题的学科知识的深层次理解

　　一、本主题的课标要求

　　1．内容标准

（1）了解静电现象及其在生活和生产中的应用。

用原子结构和电荷守恒的知识分析静电现象。

（2）知道点电荷，体会科学研究中的理想模型方法。

知道两个点电荷间相互作用的规律。

通过静电力与万有引力的对比，体会自然规律的多样性与统一性。

（3）了解静电场，初步了解场是物质存在的形式之一。

理解电场强度。

会用电场线描述电场。

（4）知道电势能、电势，理解电势差。

了解电势差与电场强度的关系。

（5）观察常见电容器的构造，了解电容器的电容。

举例说明电容器在技术中的应用。

　　2．活动建议

（1）通过查阅资料、阅读说明书、观察实物等方式，了解避雷针、静电除尘器、静电复印机、激光打印机等设施的基本原理，撰写一篇科学报告。

（2）收集资料，综述静电的危害和预防方法。

　　二、本主题的知识在整个高中物理教学中的地位及相互关系

在初中的基础上，从物质微观结构的角度认识物体带电的本质、电荷相互作用的基本规律，以及与静止电荷相联系的静电场的基本性质。

它是高中阶段电学内容的开始，既是电磁学知识的基础，又是光学、原子物理学等其他物理学知识的重要基础。

从直观到抽象，从宏观到微观。

本主题处于承上（力学）启下（电磁学）的重要位置。

研究静电荷产生的静电场的性质，就是从电荷在电场中受力和电荷在电场中具有能量两个角度出发，有效地描述电场的基本特性。

力学中的一些基本概念（如力、能量）和规律，对人们认识电现象起到了非常重要的作用。

因此，教学中应注意循序渐进，注意新旧知识的联系。

一是多做实验，通过实验增加学生的感性认识，帮助学生建立电场、电场线、电场力、电容等物理概念；二是注意类比，如类比引力场建立电场、电场强度、电势能等概念，类比电场强度和等高线建立电势概念等，有效地降低难度。

　　1.本主题内容的知识结构

本章知识内容就是两条主线，一条是描述电场的力的性质，从电荷到电场，到电场力，到电场强度；另一条是描述电场的能的性质，从电荷到电场，到电场能，到电势。

而功是能量转化的量度，力通过做功跟能建立联系。

所以，电场强度和电势的联系，是通过电场力做功建立起来的，得到场强和电势差的关系。

最后是电场的知识在生产、生活及科技中的应用，如静电现象的应用与防治，电容器的电容，示波器原理及其应用等。

　　2.本主题的主要知识内容与有关物理量间的关系

　　三、从三个维度认识教学内容

　　1.从知识与技能层面来看

（1）了解静电现象及其在生活和生产中的应用。

用原子结构和电荷守恒的知识分析静电现象。

（2）知道点电荷，体会科学研究中的理想模型方法。

知道两个点电荷间相互作用的规律。

通过静电力与万有引力的对比，体会自然规律的多样性与统一性。

（3）了解静电场，初步了解场是物质存在的形式之一。

理解电场强度。

会用电场线描述电场。

（4）知道电势能、电势，理解电势差。

了解电势差与电场强度的关系。

（5）观察常见电容器的构造，了解电容器的电容。

举例说明电容器在技术中的应用。

　　2.从过程与方法层面来看

（1）通过回顾人类对静电现象的认识过程，了解研究物理问题的过程与方法。

（2）通过建立“点电荷”的物理模型，体会理想化模型的研究方法。

（3）通过电场强度、电势、电容的定义，知道比值定义的方法。

（4）通过学习电场线和等势面，学习用虚拟的图形描述抽象的物理概念的方法。

（5）通过联系熟悉的“重力场”来认识抽象的电场，体会类比的研究方法。

（6）通过做实验研究影响平行板电容器电容的因素，体会控制变量的实验研究方法。

　　3.从情感、态度和价值观层面来看

（1）通过把静电力与万有引力对比，体会自然规律的多样性和统一性。

（2）通过认识电场对电荷的作用来体会电场的存在，从而理解电场是物质存在的形式之一，这既是研究电场的方法，也能从中领略自然界的奇妙。

（3）通过了解示波管、电容器、静电复印、静电加速器等，把物理知识与科技、生活联系起来，体会物理学与科技、社会的联系。

　　四、本主题内容在整个高中物理学科能力方面的地位价值

1.从学科能力方面

（1）空间想象能力。

电场概念比较抽象，需要有较强的抽象思维能力和空间想象能力，才能形成正确的物理图景。

（2）矢量运算。

电场强度的叠加,二维矢量的运算。

（3）深刻的物理科学思想。

如理想模型法、比值定义法、类比的思想和方法等。

（4）能有效地培养综合运用运动和力的观点、功和能的观点解决实际问题的能力。

电容器、示波管等是很好的问题载体，通过解决相关的实际问题，学习运用物理学基本原理。

2.分析、解决问题的习惯与能力

（1）过程草图在分析多过程中的应用，每一个运动阶段的受力方向和运动方向的正确标注；

（2）复杂运动过程的拆分。

能够对带电粒子在电场中的运动、示波管原理等较为复杂的问题，拆分为几个简单的问题模型，分别运用物理原理相应解决，这是一种较高的能力。

（3）符号系统的使用。

电场力做功电势能等运算中电荷量、电势差的正负需要带入计算。

第二部分本主题的教学策略

　　一、本主题的重点难点及对课标对本主题教学要求

（一）本主题的重点与难点

1.教学重点：

（1）电场强度、电势和电势差、静电力做功跟电势能变化的关系、电势差和电场强度的关系等关于电场强度和电势概念的具体讨论，是本主题的核心内容。

（2）电容器的电容、带电粒子在电场中的运动（示波管）等内容是对核心内容的拓展和应用，对学生综合运用物理知识的能力有较高的要求。

2.教学难点：

（1）电场概念的建立及其相关特性。

（2）电势的高低及电势能大小的判定。

（3）综合运动物理规律分析电荷在电场的运动问题。

3．具体知识内容的分析

（1）电荷及电荷守恒定律、元电荷、点电荷。

（2）库仑定律，静电力与万有引力的对比，体会自然规律的多样性与统一性。

（3）电场，电场强度及场叠加原理，矢量概念及其运算法则。

（4）电场力做功、电势能和电势，内容的要求较高，是本章的重点，同时也是一个难点。

（5）电势差与电场强度的关系，将电场的力的性质和能的性质有机地结合。

（6）电场中的导体，静电感应及应用。

（7）电容器的电容，解决电容器的一些列问题，深层理解电场的基本物理量。

（8）带电粒子在电场中的运动（加速与偏转规律），综合应用。

（二）对课标要求的理解

1．学习内容与学习过程并重

从新课程标准和新教材的设计来看，学生围绕“知识链”不间断地认知电场，知识的递进关系，确保了学生的学习循序渐进。

2．掌握知识的要求与领悟思想方法的要求并重

3．明确落实情感、态度与价值观的载体

新教材重视“过程”目标的落实，重视“情感”目标的体现，重视联系学生生活、社会实践和现代科技。

　　二、本主题的教学策略

　　1电荷及其守恒定律

1.1三种起电方式：

接触、摩擦、感应

1．摩擦起电，引入电荷概念

（1）演示实验：

①用丝绸摩擦过的玻璃棒接触小球A和B，观察两小球排斥。

②用毛皮摩擦过的橡胶棒接触小球A和B，观察两小球排斥。

③用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒分别接触小球A和B，观察两小球吸引。

（2）观察实验得出：

①自然界只存在两种电荷，把用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫做正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷叫做负电荷。

②同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

（3）思考与讨论：

①为什么玻璃棒带正电，橡胶棒带负电?

②摩擦起电的实质是什么?

③为什么原子核是稳定的?

（核力）

得出结论：

摩擦起电的实质是电荷的转移，电荷总量不变。

2．接触起电

（1）演示实验

①将带电球C接触A、B导体，金属箔张开；

②拿开带电球C,金属箔张开；

③将导体A、B分开,金属箔张开。

（2）观察实验现象得出结论：

接触起电的实质是电荷的转移，电荷总量不变。

3．感应起电

（1）演示实验

①将带电球C靠近A、B导体，金属箔张开。

为什么？

②移开C，金属箔又闭合。

为什么？

③将C靠近A、B，先将A、B分开，然后移开C，金属箔张开。

为什么？

④再将A、B接触，金属箔再闭合。

为什么？

⑤把带正电荷的球C移近导体AB，用手接触导体的A端，然后再移走C。

问A、B带不带电，带什么电?

⑥把带正电荷的球C移近导体AB，用手接触导体的B端，然后再移走C。

问A、B带不带电，带什么电?

用实验现象打破学生的直观感觉，让学生的潜意识跟事实交锋。

（2）归纳结论：

①静电感应：

当一个带电体靠近导体时，由于电荷间的相互吸引或排斥，导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带异号电荷，远离的一端带同号电荷，这种现象叫做静电感应。

②感应起电：

利用静电感应使物体带电的过程，叫做感应起电。

③感应起电的实质是电荷的转移，电荷总量不变。

1.2电荷守恒定律

表述1：

电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移的过程中,电荷的总量不变。

表述2：

一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和总是保持不变。

渗透“守恒”的思想：

机械能守恒、能量守恒、动量守恒、电荷守恒。

从宏观现象认识微观本质。

1.3元电荷

归纳要点：

（1）迄今为止，科学实验发现的最小的电荷量就是电子所带的电荷量。

（2）实验还指出，所有带电体的电荷量或者等于e，或者是e的整数倍。

这就是说，电荷量是不能连续变化的物理量。

e=1.60×10-19C

q=ne（n∈Z）

（3）20世纪60年代，一些物理学家提出质子、中子等参与强相互作用的粒子是由更基本的粒子——“夸克”组成的，而夸克的电量可分别是±e/3、±2e/3。

确有一些重要实验显示了夸克存在的证据，但却未能找到单独存在的夸克粒子，因而也有人认为夸克只能“集体”存在，其总电量可以为零或e。

2库仑定律

2.1演示：

探究影响电荷间相互作用力的因素

（1）用起电机使金属球A带足够多的电荷；

（2）将静电摆跟A接触，使它带同种电荷受到排斥力。

移动静电摆到适当位置，观察偏角的大小；

（3）增大A与静电摆的距离，观察到偏角减小；

（4）将不带电的小导体跟静电摆接触，使它的电荷量减小，观察到偏角减小。

实验表明：

电荷间的作用力随着电荷量的增大而增大，随着距离的增大而减小。

猜想：

电荷间的作用力会不会与万有引力具有相似的形式呢？

2.2科学猜想：

平方反比规律

（1）17世纪末（1687年），牛顿发现了万有引力所遵循的规律（平方反比定律），促使18世纪的物理学家进行类比研究。

F=Gm1m2∕r2

（2）万有引力是有质量的物体之间非接触力，电力是带电物体间的非接触力。

通过实验研究，卡文迪许、库仑等人用类比的方法将静电力跟万有引力类比猜想电斥力遵守平方反比规律。

（3）法国工程学天才库仑，1777年，设计了能测微弱作用力的扭秤，通过实验研究确认：

电斥力F跟电荷间距离的平方成反比。

说明：

库仑成功地运用了类比思维，一是平方反比，二是电量乘积。

对后者，他断定无需证明。

另据考证，他用相同的金属球做过实验，巧妙地得到了成比例的电量，证实了与电量乘积的正比关系。

2.3库仑扭秤实验

教学中注意以下几点：

（1）结构

（2）原理：

力矩平衡

（3）特点：

小量放大

（4）误差

（5）怎样得到物体所带的电荷量？

（6）播放视频：

库仑扭秤实验

说明：

早在库仑定律建立前13年，1772年，卡文迪许用两个导通的金属壳做实验，通过计算得出了比库仑实验（2±0.04）还要精确的电力平方反比定律（2±0.02）。

直到1879年才由麦克斯韦整理出版。

2.4库仑定律

（1）真空中两个静止点电荷之间的作用力,与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比。

作用力的方向在它们的连线上。

F=kq1q2/r2

（2）静电力常量k=9.0?

109N?

m2/C2

（3）点电荷：

理想模型。

实际带电体,在它们的线度l<

说明：

“真空”条件：

电力遵循的平方反比律不受“真空”条件的限制。

不过，当电荷处在介质中时，介质要极化，出现极化电荷，就不能只考虑用库仑定律去求这两个电荷受的了。

所谓“介质中的库仑定律”，实际上求的是一个电荷受到的另一个电荷与极化电荷的作用力的合力。

3电场强度

3.1引入电场的概念

1．思考与讨论：

力是物体对物体的作用,下列物体间力的作用以什么物质为媒介？

（1）马拉车前进马对车的拉力；

（2）两块磁铁之间的磁力；

（3）空中物体受到的重力；

（4）两个电荷之间的库仑力是怎样发生的？

2．建立电场概念

（1）电荷产生电场，电场是客观存在的一种特殊物质形态,具有物质的一般通性：

运动、有能量和动量、有力的作用。

（2）电场的基本特性：

对放入其中的电荷有力的作用.

3.2引入电场强度概念

1．介绍试探电荷和场源电荷.

2．问题：

源电荷+Q的电场中有A、B两点,到Q的距离分别为rA、rB,且rA

（1）比较+q在A、B两点受到的静电力的大小和方向；

（2）比较A、B两点的电场的强弱和电场的方向。

得出结论：

同一电荷在电场中不同点受到的电场力的大小和方向一般不同，电场的强弱和方向与位置有关。

3．能否用电场力表示电场强弱?

（1）在A点分别放入试探电荷+q、+2q,电荷受到的静电力怎样变化?

（F2=2F1）

（2）在A、B两点分别放入试探电荷qA、qB,且qA

得出结论：

不同电荷在电场中同一点受到的电场力的大小不同，电场力与试探电荷的电荷量有关。

4．怎样比较电场的强弱?

FA/q=2FA/2q=...=kQ/rA2

FB/q=2FB/2q=...=kQ/rB2

→A点电场较强，FA/q﹥FB/q

比值F/q与试探电荷q无关；比值F/q越大，电场越强。

5．在点电荷-Q的电场中有A、B两点，分别放入试探电荷+q和-q，画出试探电荷。

（1）在A、B两点受到的电场力的方向；

（2）A、B两点的电场强度方向。

得出结论：

规定正电荷收到的电场力的方向为场强的方向。

6．电场强度

（1）定义：

放入电场中某点的试探电荷受到的电场力跟它的电荷量的比值。

E=F/q（国际单位:

N/C）

（2）矢量：

规定电场中某点的场强方向就是正电荷在该点所受的电场力的方向。

（3）场强的大小表示电场的强弱,方向表示电场的方向。

7．比较电场强度和引力场强度

设在引力场中可以把重物受到的万有引力与它的质量的比值定义为“引力场强度”，试比较电场强度和“引力场强度”。

（1）引力场强度EG=F/m=GM/r2，与重物无关。

（2）电场强度E=F/q=kQ/r2，与试探电荷无关。

3.3点电荷的场强公式

1．问题：

已知正点电荷电荷量Q,p点到Q的距离为r,求电荷+Q产生的电场在p点场强的大小和方向。

2．说明：

对于均匀带电球体（或球壳）在球外的电场，可以认为全部电荷集中在球心。

3．比较：

电场强度的定义式和决定式

场强的定义式（任意电场）

E=F/q—q是试探电荷

场强的决定式（真空中点电荷）

E=kQ/r2—Q是场源电荷

3.4场强的叠加

1．问题：

在真空中有两点电荷,Q1=+3.0?

10-8C，Q2=-3.0?

10-8C，它们相距r=0.1m.

（1）求在两电荷连线的中点的电场强度；

（2）在电场中有一点A，A点与两个电荷的距离都等于r=0.1m，求A点的电场强度。

2．归纳：

电场中某点的电场强度为各个点电荷单独在该点产生的电场强度的矢量和，适用于平行四边形定则。

3.5引入电场线概念

1.理论推理：

孤立的点电荷、等量的两个点电荷；

（1）画出点电荷电场中各点的电场强度矢量，比较a、b两点场强E的大小。

（2）真空中有两个等量异种电荷和等量同种电荷A、B，分别作出两电荷连线中点O处的场强和连线中垂线上P点的场强。

2．实验模拟：

范氏起电机+人头；感应起电机+丝线；感应起电机+电极+悬浮在蓖麻油中的微粒（或视频）。

3．计算机立体模拟。

4．默画：

典型电场的电场线。

5．归纳：

静电场线

（1）为形象地描述电场而引入的假想的线。

（2）起始于正电荷（或无限远处），终止于负电荷（或无限远处）。

（3）疏密表示电场的强弱（E大小）,沿电场线的切线方向表示电场的方向（E方向）。

（4）电场线不相交。

（为什么?

）

4电势能和电势

4.1引入电势能概念

1．类比：

重力做功与静电力做功，引入电势能概念。

将电荷+q从A点移到B点，电场力做的功WAB为多大？

将电荷+q从A点移到C点再移到B点，电场力做的功WAB为多大？

将电荷+q从A点移到D点再移到B点，电场力做的功WAB为多大？

得出结论：

重力做功与路径无关，WAB=mgh=mgh1-mgh2，物体在重力场具有重力势能；

静电力做功与路径无关，WAB=qEd=qEd1-qEd2，电荷在静电场中具有电势能。

2．问题：

电荷+q在静电力作用下从A点移动到B点，静电力做什么功?

动能怎样变化？

电势能怎样变化？

电荷+q在静电力作用下从B点移动到A点,静电力做什么功?

动能怎样变化?

电势能怎样变化?

得出结论：

静电力所做的功等于电势能的减少量。

静电力做正功，电势能减少；静电力做负功,电势能增加。

3.问题：

在场强为E的匀强电场中，有A、B两点,距离为d.将电荷+q从位置A移到位置B，若规定电荷在B点的电势能为零。

则

（1）静电力做的功为多少?

（2）电荷在A点的电势能为多大?

得出结论：

电荷在电场中具有的与电荷相对位置有关的能，电荷在某点的电势能,等于把它从该点移到零势能位置时静电力所做的功。

说明：

可以证明对非匀强电场同样成立。

4.2引入电势概念

1．类比电场强度比值定义电势

问题：

如上图所示，在场强为E的匀强电场中，有A、B两点，距离为d。

若规定电荷在B点的电势能为零，则

（1）电荷+q在A点的电势能EPA=_____，电势能跟电荷量的比值EPA/q=_____.

（2）电荷+nq在A点的电势能EPA=_____，电势能跟电荷量的比值EPA/nq=_____.

得出结论：

电荷在电场中某点的电势能与试探电荷有关，电荷的电势能与其电荷量的比值跟电荷无关。

电荷在电场中某一点的电势能EP与它的电荷量q的比值，定义为电势。

2.类比引力势和电势（课本P20-4）

在重力场中可以把重力势能与它的质量的比值定义为“重力势”。

如果以物体在地面上的重力势能为零，试比较“重力势”和电势。

（1）重力势，由重力场某点的位置决定，与试探电荷无关。

（2）电势由电场某点的位置决定，与试探电荷无关。

3．思考与讨论：

图为某电场中的一条电场线,在电场线上有A、B两点。

（1）将+q从A→B：

EPA＿EPB,

（2）将-q从A→B：

EPA＿EPB,

得出结论：

电场力做功和电势能的变化与电荷有关，但电势的变化与电荷无关。

沿着电场线的方向电势降低。

4．问题与讨论

4.3引入等势面概念

1．问题：

在匀强电场中，在垂直电场线的一个平面上有任意两点A、B，将电荷q沿直线从A点移到B点。

（1）证明：

A、B两点的电势

（2）将电荷q沿ACB从A移到B，电场力做多少功?

2．问题：

在一个点电荷Q的电场中，虚线表示以Q为球心的一个球面。

（1）在这个球面上任意两点A、B之间沿球面移动电荷q，电场力所做的功等于多少?

为什么?

（2）如果在A、B两点之间沿任意路径移动电荷q,电场力所做的功等于多少?

为什么?

3．归纳：

等势面

（1）电场中电势相同的各点构成的面。

（2）在同一等势面上任何两点间移动电荷时静电力做功为零。

（3）电场线跟等势面垂直，并且由电势高的等势面指向电势低的等势面。

（4）两个等势面不会相交。

（5）典型电场的等势面。

5电势差

1.问题：

在静电场中，规定C点电势为零，，则

（1）A、B两点两点的电势差_____

B、A两点两点的电势差

（2）若规定B点电势为零,则

（3