《库仑定律》教学设计1【高中物理选修3-1.人教版】.pdf

1 库仑定律 教学设计 1 一 学习任务分析 1 认知目标要求分析 知道点电荷的概念 理解库仑定律 会计算真空中两个点电荷间的 库仑力 初步了解人类对电荷间相互作用的探究过程 2 学习能力要求分析 通过实验演示培养学生的实验 观察 分析和总结能力 通过对实 验方案的制定和操作 加深对研究物理问题的一些常用的方法如 控制变量 法 放大法 测量变换法等实验方法的理解 3 情感态度要求分析 通过对库仑定律建立的回顾 以及相关物理史实的介绍 培养学生 的科学素养 培养学生勇于探索未知世界的精神 二 教材分析 1 教材内容分析 本节内容的核心是库仑定律 它是静电学的第一个实验定律 是学习电 场强度的基础 本节的教学内容的主线有两条 第一条为知识层面上的 掌 握真空中点电荷之间相互作用的规律即库仑定律 第二条为方法层面上的 即如何研究多个变量之间关系的方法 如何间接测量一些不易测量物理量 如何研究物理问题的基本方法 2 教学重点 学生会用库仑定律计算真空中点电荷间的相互作用力 让学生初步掌握研究物理问题的一些常用的基本方法 3 教学难点 静电实验的操作和对实验现象的分析归纳 4 教材的处理 本单元内容可分两节可来处理 本节为第一课时 主要是库仑定律的建立 和库仑定律的简单运用 侧重点为体会研究物理的方法和物理规律建立的一 般过程 第二课时为库仑定律的加深理解与运用 三 学生特征分析 1 知识基础分析 掌握了电荷之间存在相互作用力 且同性相斥 异性相吸 掌握了电荷守恒定律 并会简单的运用 会处理共点力作用下物体的平衡 并会通过偏转角度的变化判断受 力的变化 初步掌握了研究多个变量之间关系的常用方法 控制变量法 2 学习能力分析 学生的观察水平不断的提高 能够初步地 独立发现事物的本质及 各个主要细节 发现事物的因果关系 具有初步的归纳重点 抓住问题本质的能力 已经初步具备了基本地实验操作和实验观察能力 四 教学目标的制定 1 知识与技能目标 明确点电荷是个理想模型 知道带电体简化为点电荷的条件 会用文字描述库仑定律的内容与公式表达 能用库仑定律计算真空中两个点电荷之间 的作用力 2 了解库仑扭秤实验和库仑对电荷间相互作用的探究 初步了解人类对电荷间相互作用的探究过程 2 过程与方法目标 通过对库仑定律建立过程的探究与学习 初步了解研究物理问题的一般程序 认识物 理实验在物理学发展过程中的作用与地位 体会研究物理问题的一些常用的方法如 控制变量法 理想模型法 测量变换法等 3 情感态度与价值观 体验探究自然规律的艰辛与喜悦 培养学生热爱科学的 探究物理的兴趣 培养学生 发现问题 提出假设 并用实验来验证 的探究物理规律的科学方法与 思路 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 五 教学准备 多媒体课件 静电力演示器材 有关库仑定律建立的历史背景资料 六 教学过程 教学模式的选择 本节作为一堂物理规律课的教学 重点是对概念和规律的建立与理解 为了使学生的 感性认识真正上升到理性认识 必须使学生参与科学的抽象过程 使他们在这个过程 中区别和辨别本质的东西与非本质的东西 在此基础上让他们试作概括 并由他们自 己得出结论 为此本课采用教师的演示实验 学生在老师的启发和帮助下通过实验操 作来发现问题 解决问题来获取新的知识 利用实验来验证结论的探究发展的课堂教 学模式 在教学过程中 通过抓住知识的产生过程 积极引导学生主动探究 突出学 生的课堂教学的主体地位 教学程序 总体思路 1 利用多媒体动画显示闪电现象和手摇静电感应器演示放电现象引入新课 同时为课 堂实验做好必要的准备 2 让学生通过演示实验现象的观察在教师的引导下猜想影响带电体间的相互作用力的 因素有哪些 3 让学生在教师的帮助下参与制定定性探究 F 与 r F 与 q 的实验方案 4 利用演示实验定性探究 F 与 r F 与 q 的关系 5 回顾历史上人类对电荷间相互作用力的探究 进行适当的人文教育 6 重点介绍库仑扭秤实验和库仑对电荷间相互作用力的探究 得出库仑定律 7 利用已有的实验器材 让学生参与制定验证F 与 R 2 成反比的实验 并进行实验验 证 8 课堂练习反馈 9 课堂回顾进行反思评价 10 作业布置 3 教学主要环节 1 创设情景 引入新课 1 利用多媒体动画显示闪电现象 让学生从最常见的生活现象着手 说明电荷之间 是存在相互作用力的 2 演示实验 1 利用手摇静电感应器演示放电现象 教师说明 这个原理与闪电 一样的 将生活中的物理现象拉回到课堂上的物理实验增加学生的学习兴趣 转的越快 放电现象越明显 说明摇的越快小球的所带的电荷量越多 3 演示实验 2 将两个大小相同的泡沫导电小球通过很细的导线分别接到手摇静 电感应器的两个小球上 使得小球的电荷能传到两个导电小球上 手摇的越快 细线偏离竖直方向的夹角越大 若将两球靠的越近 则偏角也越大 4 引出本课教学目标 通过实验现象的观察 提出本节课的主题是探究电荷间的相 互作用力与哪些因素有关 是什么样的关系 2 猜想与假设 教师引导 通过前面的实验我们发现 电荷间的相互作用力在不同的情况下大小是 不同的 你认为带电体间的相互作用力会与哪些因素有关呢 学生猜想小结 与两带电体的电荷量 距离 形状 体积 质量等有关 3 设计方案 定性探究 定性探究一 探究 F与r 之间的定性关系 教师引导 为了探究F 与r 之间的定性关系 对其他因素 如 电荷量 带电体的形 状 我们应该如何处理 目的让学生回忆起控制变量法 学生回答 可以只改变r的大小 保持其他条件不变 教师小结 将学生的回答进行提炼 说明这就是我们在 研究物理问题常用的方法 控制变量法 实验器材 实验器材如图 1 所示 其中 A B 是两个直径 为 1 5cm 泡沫小球 小球的外层均匀涂有墨水 使之可以通过接触带电 A 球用长为 60cm 左右 的绝缘棉线悬挂于铁架台上 实验操作 使 A B 两球带上同种电荷 发现 B 球离 A 球越近 A 球偏离竖直方向 就越大 实验中最好保持两球在同一水平面上 现象说明 师 大家是如何判断小球 A 所受的库仑力 F 大小的变化的 生 通过偏离竖直方向的角度的大小 角度越大 A 所受的库仑力就越大 师 偏转角 与小球 A 所受的库仑力 F 的大小关系如何 生 tan F 师 由于在这里我们没法直接测量出力 F 的大小 而是通过偏转角 的 变化来判断 F 的变化 这种方法就是测量变换法 间接测量法 实验结论 电量不变时 改变带电体间距离 r 两电荷间的作用力 F 随距离 r 的减 图 1 4 小而增大 定性探究二 F 与 q 之间的定性关系 实验器材 将两个直径为 1 5cm 外层均匀涂有墨水的泡沫小球 用长为 60cm 左右的细导线连起来 然后用绝缘棉线悬 挂与铁架台上 再将导线接到手摇静电感应器的一个 小球上 实验操作 摇动手柄 使 A B 两球带上等量的同种电荷 发现手摇的越快 两 球间的距离越大 即偏角越大 说明 由于要保持距离不变 通过改变 电荷量的大小比较困难 而前面已经得出了 F 与 R 的定性关系 这里学 生一般能够看出 q 越大 F 就越大 现象说明 师 转的越快说明什么 生 转的越快 说明两小球的带电量越多 师 两球距离 偏角 越大说明什么 生 两球距离 偏角 越大说明两球间的相互作用力越大 实验结论 若距离不变 改变电荷量 两电荷间的作用力随电量的减小而减小 4 历史回顾 定量探究 利用图片加文字说明的形式展现人类对静电力的探究过程 通过此可以进行适当的物理史实教育 培养学生热爱科学的兴趣 片段一 1767 年 英国物理学家普利斯特利通过实验发现静电力与万有引力的 情况非常相似 为此他首先提出了静电力平方成反比定律猜测 片段二 1772 年 英国物理学家卡文笛许遵循普利斯特利的思想以实验验证了 电力平方反比定律 片段三 1785 年法国物理学家库仑设计制作了一台精确的扭秤 用扭秤实验证 明了同号电荷的斥力遵从平方反比律 用振荡法证明异号电荷的吸引 力也遵从平方反比定律 5 库仑扭秤实验的验证过程 投影加解说 1 结构简介 利用投影显示 2 如何解决力的准确测量 操作方法 力矩平衡 静电力力矩 金属细丝扭转力矩 F 思想方法 放大 转化 3 F 与 r2关系的验证 设计思想 控制变量法 控制 Q 不变 结果 库仑精确地用他的扭称实验测量了两个带电小球在不同距离下的静电 力 证实了自己的猜测 基本上验证了 F 与 r 之间的平方反比关系 4 如何解决电量测量问题 验证 F 与 Q 的关系 库仑将两个完全相同的金属小球 一个带电 一个不带电 两者相互接触后 电量被两球等分 各自带有原有总电量的一半 这样库仑就巧妙地解决了这个 图 2 5 问题 用这个方法依次得到了原来电量的16 18 14 12 1 等的电荷 从而顺利 的验证得出 21 QQF 思想方法 守恒 对称 6 探究结论 库仑定律 学生活动 阅读教材内容 教师活动 点拨归纳 然后投影库仑扭秤实验得到的结论 库仑定律 板书 库仑定律 内容 在真空中两个点电荷间的作用力跟它们的电量的乘积成正比 跟它们间距 离的平方成反比 作用力的方向在它们的连线上 公式 2 21 rQkQF 适用条件 真空 点电荷 点电荷的概念 点电荷同质点一样也是一个理想化模型 带电的几何点 若带电体间的距离比它们自身的尺寸大得多 以至带电体的形状和大小对 库仑力的影响可以忽略不计 这样带电体就可以看作点电荷 7 结论验证 师 展示刚才探究一时所用的实验器材 让大家利用这些器材设 计一个方案验证验证 F 与 R 2的反比关系 提示 1 为了验证F 与 R 2 之间的关系 对其他因素我们应该怎样 生 保持其他变量不变 提示 2 如何测定两球间距 生 读出两球球心的坐标位置 xA xB 提示 3 如何用其他物理量表示 F 的大小 提示利用 F 与摆角的关系 生 利用小球 A 偏离原来平衡位置的距离 x 来表示 L x mgmgF tan 在 x 较 小的情况下 F与 x 成正比 提示 4 所需验证的关系式如何 实验中须测量哪些物理量 生 根据 2 0 BA BAA xx QQ k L xx mgF 即 2 0 BA BAA xx QQ k L xx mg 实验中 须测量 A 球在平衡位置时的坐标 x0 A 球受到作用力时的坐标 xA B 球的坐标 xB 8 课堂巩固与应用分析 例 1 两个带电小球的半径均为 R 当两球心间距为 50R 时 相互间的作用力为 F 则 当两球心间距为 100R 时 相互间的作用力为多少 A 4F B F 2 C F 4 D 不能确定 当两球心间距为 5R 时 相互间的作用力为多少 A 100F B 10F C F 1000 D 不能确定 6 设计说明 目的是为了巩固对库仑定律的理解和对点电荷概念的理解 例 2 见课本例题 试比较电子和质子间的静电力和万有引力 设计说明 正因为例题告诉我们的原因 在研究微观带电粒子相互作用时 经常 可以忽略万有引力 但对宇宙天体万有引力却是决定性的 决定了它的运动与演 化规律 同时让学生体会到大自然的和谐与统一 9 课堂回顾 用多媒体显示 一 知识小结 1 库仑定律 表达式 2 21 rQkQF 适用条件 真空中 点电荷 2 点电荷 二 物理方法小结 1 研究 Q R 与 F 的关系时采用控制变量法 2 判断力 F 时 不易测量的物理量时 可以通过判断偏角来实现 运用的是测量 变换的思想 10 作业布置 八 教学设计说明 高中物理是普通高中科学学习领域的一门基础课程 旨在进一步提高学生的科学素 养 高中物理课程有助于学生继续学习基本的物理知识与技能 体验科学的探究过程 了解科学的研究方法 增强创新意识和实践能力 发展探索自然 理解自然的兴趣与热 情 就此对本课设计作如下说明 1 通过闪电现象的重现与静电放电实验有机的将生活中的物理现象与课堂实验中 的物理现象结合起来 这样的过度比较自然 让学生体会到物理研究的问题来自与现实 生活 2 由于库仑定律定量的实验在中学物理课堂中几乎无法操作 因此本人在此是先 通过定量的实验探究 让学生有一个初步的结论 再通过历史回顾得出定量的关系 最 后再通过实验粗略的验证得出的结论 3 泡沫导电小球的制作 可以用泡沫削成一个直径为 1 5cm 左右的小球 然后将 其浸入碳素墨水中 再将其在太阳下晒干 多重复几次即可 4 如果天气潮湿 小球所带电荷容易跑掉 我们可以用一台冬天取暖用的红外取 暖器进行去湿 附件 人类对静电的认识 2500 年前左右 古希腊哲学家塔勒斯 Thales 640 546 B C 在研究天然磁石的磁性时发现用丝绸 法兰绒摩擦琥珀 Amber 之后也有类似于磁石能吸引轻小物体的性质 所以 塔勒斯成为有历史记载的第 一个静电实验者 阅 读 材 料 7 电学之父 Willian Glbert 英国人 1540 1603 重复了塔勒斯的实验 他用其它的珠宝作实验 结果发 现它们摩擦之后也能吸引其它轻小物体的性质 但不像磁石样具有指南北方向的性质 他把这些用摩擦能 带电的物质叫为 摩擦起电物体 Electrics 为了进一步研究这些物体的吸引能力 Gilbert 还发明了第 一个验电器 versorium 用来检验带电物体 Gilbert 被称为是电学之父 不久 Otto Von Guericke 1602 1686 德国人 发现电的排斥现象 如果把带电棒接近金属屑时 它 们开始吸引 然后排斥 1678 年 Guericke 制造了第一个摩擦静电起电机 富兰克林 Benjamin Franklin 1706 1790 做了许多实验后认为有两种电荷存在 即正电荷和负电 荷 他的一个有名的实验是两个人站在用腊做成的平台上 第三个人站在地面上 用布摩擦玻璃棒后使 站在绝缘台上的一个人带上玻璃棒的电 另一个站在绝缘台上的人带上布的电 若这两个人的手指接触 时会感到电击 若他们两个人的任何一个与站在地面上的人接触后再用手指互相接触 电击就弱些 Ewald 1700 1746 德国人 于 1745 年把玻璃瓶灌入半瓶水 上面塞上塞子 然后从塞子中穿入一 钉子直到钉子恰好触及水面 然后他把钉子的一头连到静电起电机上 使电能通过钉子传到水里 他发 现这瓶能贮电 贮存到一定程度之后它能吸引小物体或产生火花 这种能贮电的瓶就是第一个电容器 莱顿大学教授 Pieter von Musschenbroek 1672 1761 荷兰人 重复了 Ewald 的实验后 他把瓶的内外用金 属箔衬托 从瓶口的塞子中插入金属线直到它触及瓶内的金属箔而发明了莱顿瓶 Leyden Jar 莱顿瓶的 发明为电的进一步研究提供了条件 它对于电学知识的传播起了重要作用 最早提出电力平方反比定律的是普利斯特利 Priestley 1737 1804 英国人 普利斯特利在友好富 兰克林建议下在 1766 年 普利斯特利做了一个实验 他使空腔金属容器带电 发现其内表面没有电荷 而 且金属容器对放于其内部的电荷明显地没有作用力 他立刻想到这一现象与万有引力的情况非常相似 因 此他猜想电力与万有引力有相同的规律 即两个电荷间的作用力应与他们之间距离的平方成反