《库仑定律》教学设计

《库仑定律》教学设计一、教学内容分析《库仑定律》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修3模块中“静电场”主题下的内容，课程标准要求为：“知道点电荷模型。知道两个点电荷间相互作用的规律。体会探究库仑定律过程中的科学思想和方法。”本节内容的核心是库仑定律，它阐明了带电体相互作用的规律，为整个电磁学奠定了基础。因此整节课的教学围绕库伦定律展开。从定性探究到定量探究。由于中学阶段完成库仑定律的实验探究比较有难度，在教学中采用视频和实物定性研究向结合的方式，尽量让学生了解和经历实验的过程，使得到的结果更具有说服力。二、学情分析学生已经学习过万有引力定律，知道引力与距离平方成反比，与质量成绩成正比。根据学生的生活经验，学生容易猜测得到电荷间的作用力与距离为负相关，即距离越大，电荷间的作用力越小，而电荷量越大，距离不变时，作用力越大，容易形成定性的认识。为将这种定性认识建立在严密的实验基础上，要做好演示实验教学，根据悬挂电荷的细线偏离竖直方向夹角得到静电力与距离、电荷量的关系。三、教学目标理解点电荷的概念，知道构建理想化物理模型的作用；通过对演示实验的观察，了解影响静电力的因素，提高科学探究意识；掌握库仑定律的内容及其应用，体会探究库仑定律过程中的科学思想和方法；了解库仑定律的探索历程，体会库仑扭秤实验设计的实验思想和方法。四、教学重难点教学重点：知道点电荷模型的物理意义及建立点电荷模型的条件；理解库仑定律的内涵。和适用条件。教学难点：探究库仑定律的科学思想和方法。五、教学方法通过实验，引导学生分别定性和定量探究静电力的规律，开展探究式教学活动。六、教学过程教学环节教学内容及教师活动学生活动基于核心素养的设计意图新课引入从同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引说明电荷之间存在着相互作用力，再提出疑问：电荷之间的作用力会与什么因素有关？利用“神奇的橡胶棒”在不同位置对水流的吸引作用，提出猜想。学生从橡胶棒对水流作用猜想电荷之间的作用力会与什么因素有关。通过情境教学，激起学生的求知欲，调动学生的积极性，活跃了课堂气氛，设置悬念，将学生引人新课环节新课教学（构建理想化模型点电荷）研究表明，带电体之间是相互作用力除了与他们所带电荷量和距离有关。还与他们的形状和大小有关，引导学生思考怎样可以突出研究的主要因素，方便进行实验探究。类比“质点”构建理想化模型“点电荷”。当一个带电体本身的大小比它与其他带电体的距离小得多，那么我们在研究它与其他带电体的相互作用时，就可以把带电体抽象成一个点，忽略其形状与大小。学生思考影响电荷间相互作用力的因素。类比“质点”这个理想化模型类比点电荷，理解点电荷理想化模型。理解点电荷的概念，知道构建理想化物理模型的作用，逐步形成物理观念。新课教学（定性实验）简化探究因素后，定性研究静电力大小与电荷量（q1和q2）距离r的关系。根据实验装置提出问题：进行该实验需要用到什么物理思想？如何通过该装置判断静电力的大小？如何该改变带电体的电荷量？进行实验：用接触起电的方法分别让球形导体A和通草球B带同种电荷，并使球形导体A与通草球B处在同一水平面上。（1）保持电荷量不变，改变r，观察摆线偏角的变化。（2）保持距离r不变，改变电荷量，观察摆线偏角的变化。得出实验结论，当两点电荷电荷量一定时，距离越小，静电力越大；当两点电荷距离一定时，电量增加，静电力越大。学生在老师的引导下完成问答。并根据控制变量法设计实验过程。学生通过实验得出实验结论。学生在完成老师抛出的问题后对该实验过程有更深的认识，设计实验过程，猜想实验结果。新课教学（库仑扭秤）根据我们的定量实验，电荷之间的作用力随着电量的增大而增大，随着距离的增大而减小，这使我们猜想到，电荷之间的作用力是否与万有引力具有相似的形式呢？引入物理学史，事实上，在很早以前，一些学者也是这样猜想的，卡文迪许和普里斯特利等人都确信“二次方成反比”规律适用于电荷间的作用力.但是仅靠一些定性的实验，不能证明这种结论而这一猜想被库仑所证实，库仑在探究三者之间的定量关系时，遇到了三大困难：①带电体间作用力小，没有足够精密的测量仪器。②没有电量的单位，无法比较电荷的多少。③带电体上电荷分布不清楚，难以测量电荷间距离。同学们，如果是你，你能想到用什么方法来解决这些困难?引导学生用类比的方法得出三大困难的解决对策：卡文迪许扭秤实验——库仑扭秤实验①放大思想：力很小，但力的作用效果(使悬丝扭转)可以比较明显②转化思想：力的大小正比于悬丝扭转角，通过测定悬丝扭转角度倍数关系即可得到力的倍数关系；引进理想化模型点电荷；电荷的均分思想。聆听教师介绍库仑的研究历程，针对定量实验中遇到的三大困难问题，结合自己已有知识，思考解决办法。学生积极参与讨论、思考，大胆提出实验的设计构想：悬丝扭转、利用完全相同的带电体平分电量、利用刻度尺间接测量距离等在理论教学中增添物理学史的知识，一方面增强了课程的丰富性和趣味性，另一方面让学生真正走进科学，了解和体会科学探索的艰辛历程，培养科学素养，培养勇于科学探索的精神利用已有的知识进行类比和巧妙迁移，帮助学生迅速接受并掌握新知识不断渗透物理学的科学研究办法，使学生在对比理解中巩固科学思想，加深认识，有利于真正认识到物理研究的内涵学生在完成探究的过程中，不但能学到知识和探索的方法，体验到探索的乐趣，还能认识到探索自然科学规律必须采取认真细致严谨的科学态度新课教学（定量实验）观察与思考：如图所示，在干燥的环境中，高精度电子秤上有两块金属圆片A、B固定在两个轻质绝缘支架上，下支架放在电子秤检测台面上，上支架等距贴上红色纸圈，再穿过固定支架的小孔。下支架放在电子秤检测台面上，将电子秤的示数归零。将A、B两块金属圆片正对距离调为d，然后用起电机让两块金属圆片带上相同的电量（设为q），通过读出电子秤的示数经过单位换算便可得到B对A的静电力的大小。实验一：保持电量不变，把A、B两块金属圆片的距离定量增大，通过读取电子秤示数，经过单位换算便可得到B对A的静电力的大小；探究变量距离实验二：保持A、B两块金属圆片的距离为d，逐次用另一相同且不带电的金属圆片C与A接触，使A的电量依次减半，通过读取电子秤的示数，经过单位换算便可得到B每次对A的静电力的大小；静电力电量实验三：保持A、B两块金属圆片的距离为d，逐次用另一相同且不带电的金属圆片D与B接触，使B的电量依次减半，通过读取电子秤的示数，经过单位换算便可得到B每次对A的静电力的大小；静电力电量学生将实验数据记录到表格中，学生通过观察表格数据，进行描点作图。运用自己的数学知识分析，自行推导拟合出电荷间相互作用的静电力与电量之间和距离之间的定量关系本实验的设计亮点：①精度高、由于电量的限制，库仑力一般十分微弱，利用精度为0.0001g的电子分析天平可精确测量.②反应快.静电实验过程中，电量会逐渐减少，快速得到数据非常重要.该方案不需要调节待测物体的平衡，五组实验数据在40s内即可完成.得出结论（库仑定律）库仑定律：在真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，其大小与它们的电量、的乘积成正比，与它们之间距离的二次方成反比。作用力的方向在它们的连线上。大小：静电力常量：N·m2/C24、理解：（1）适用条件：适用于计算真空中两个静止点电荷间的相互作用力。如果两电荷间的距离趋于零，则电荷不能视为点电荷，因此不能根据库仑定律得到库仑力无穷大的结论。（2）点电荷的电性有正负之分，但在计算静电力的大小时，可用所带电量的绝对值进行计算。静电力的方向在两点电荷的连线上，再根据电荷的电性来判断是吸引力还是斥力。（3）当一个点电荷受到多个点电荷的作用时，可以根据力的独立作用原理并通过力的合成求出合力。跟读理解，结合前面实验得到的结论，进一步根据定律描述记忆库仑力的表达形式学习理解点电荷概念。培养学生的总结归纳能力，抓住定律的要点内涵应用量纲法解决问题突出本节的易错点：适用条件在将数学知识应用在解决物理问题时，不能简单进行数学推导，还要结合物理量实际的物理意义分析结论。总结与提升本节课我们猜想了影响电荷间相互作用力的因素，通过构建理想化模型点电荷简化了探究实验，领略了科学先驱探索和发现库仑定律的曲折历程，学习了库仑在定量探究中的类比思想、放大思想和均分思想，并通过实验探究了电荷间相互作用力与电量和距离间的关系，得到了库仑定律。学生在老师的引领下迅速回顾本节课的知识内容，强化记忆重点和难点通过总结让学生达到巩固知识，提升课堂效果的目的课后习题：例题：．氢原子由一个质子和一个电子组成，根据经典模型，电子绕核做圆周运动，轨道半径让是．已知质子的质量为，电子的质量为，万有引力常量为．（1）电子受到质子的静电力和万有引力的大小。（2）在研究微观物质的相互作用力时，在库仑定律和万有引力定律中，哪一种力可以被忽略呢？请说明理由。（1）电子受到质子的静电力：；电子受到质子的万有引力：；（2）电子受到质子的静电力与万有引力之比：；答疑习题：1、两个半径为R的金属球，球心间距离为r＝3R，带电荷量均为q，它们之间的库仑力F＝keq\f(q2,r2)，对吗？答案两个规则的带电球体相距比较近时，不能被看作点电荷，此时必须考虑电荷在球上的实际分布．若带同种电荷时，如图(a)，由于排斥，电荷分布于最远的两侧，电荷中心距离大于r，此时F<keq\f(q1q2,r2)；若带异种电荷时，如图(b)，由于吸引，电荷分布于最近的两侧，电荷中心距离小于r，此时F>keq\f(q1q2,r2).2、关于元电荷和点电荷的说法正确的是()A．元电荷就是点电荷B．质子就是元电荷C．点电荷一定是电荷量很小的电荷D．两个带电的金属小球，不一定能将它们作为电荷集中在球心的点电荷处理答案D解析元电荷是最小的电荷量，而点电荷是一种理想化的物理模型，二者不是同一物理概念，故A错误；元电荷是最小的电荷量，不是质子，故B错误；点电荷是将带电物体简化为一个带电的点，带电体能不能看作点电荷，不是看带电体的体积大小和电荷量大小，而是看带电体的大小相对于带电体间的距离能不能忽略不计，即两个带电体的大小和形状对它们之间相互作用力的影响能不能忽略不计，所以即使体积很大的带电体也可能看作点电荷，即使是电荷量很小的电荷也不一定能看作点电荷，两个带电的金属小球，不一定能将它们作为电荷集中在球心的点电荷处理，故C错误，D正确．3、两个完全相同、可看作点电荷的金属小球a和b分别带有等量异种电荷，被固定在绝缘水平面上，这时两球间库仑引力的大小为F，现用一个不带电的、相同的金属小球c先与a球接触，再与b球接触，则a、b两球间的库仑力大小为()A.eq\f(1,8)F B.eq\f(3,8)FC.eq\f(1,4)F D.eq\f(1,2)F答案A解析原来a球和b球之间是库仑引力，a和b带等量异种电荷，设a带正电荷＋Q、b带负电荷－Q，a、b间的距离为r.原来a和b之间的库仑引力大小为F＝keq\f(Q2,r2)，第三个不带电的金属小球c与a接触后，a与c的电荷量都为＋eq\f(Q,2)，c与b接触时总电荷量平分，则c、b分开后所带电荷量均为－eq\f(Q,4)，这时，A、B两球之间的库仑力的大小F′＝keq\f(\f(Q,2)·\f(Q,4),r2)＝eq\f(F,8)，故A正确．4、．如图所示，在一条直线上有两个相距的点电荷、，带电，带电．现引入第三个点电荷，恰好使