第五单元 静电场的相关概念-高中物理单元教学设计

>> 136 王  静　祁会玲　张战强　汪  静 第五单元  静电场的相关概念 【单元教学设计】 1. 单元素养目标 第五单元的素养目标如表 5-1 所示。 表5-1　第五单元素养目标 教学内容 核心素养目标 物 理 观 念 （1）自然界中存在两种电荷和三种起电方式。 （2）电荷守恒定律。 （3）电荷量、元电荷、比荷的概念。 （4）点电荷的概念及带电体简化为点电荷的条件。 （5）库仑定律的内容和公式。 （6）电场的概念以及电场的基本性质。 （7）电场强度的定义、定义式和电场强度的矢量性。 （8）电场线的概念，常见点电荷电场线的分布。 （9）静电平衡，导体达到静电平衡状态时的基本 特征。 （10）尖端放电和静电屏蔽 通过电荷之间产生的库仑力、静电感 应、静电平衡，解释摩擦起电、感应 起电和接触起电的发生原理等，学生 能够体会电荷的运动和作用是相互的 王  珊  周瑞琼 137 << 续　表 　第五单元 静电场的相关概念　 教学内容 核心素养目标 科 学 思 维 （1）通过阅读课本和实例分析，学生能够理解在 孤立系统中电荷守恒。 （2）通过与质点模型类比，学生能够体会带电体 简化为点电荷的条件。 （3）通过阅读课本和练习训练，学生能够掌握运 用库仑定律求解问题的方法。 （4）学生能推导出点电荷电场强度的表达式并进 行简单的计算。 （5）学生会应用电场强度的叠加原理计算两个及 以上电荷在空间某点的电场强度。 （6）学生能根据电场线的特点，会用电场线描绘 电场强度的大小和方向。 （7）学生会根据静电屏蔽和静电平衡的条件，分 析感应电荷的电场强度。 （8）学生能应用静电吸附的性质解释静电除尘、 静电喷漆、静电复印的工作原理 （1）本单元从点电荷概念的建构、试 探电荷引入，到匀强电场、各种典型 电荷系的电场线图景，为学生建立了 不同的模型，培养学生建模能力及使 用理想模型解决物理问题的意识。 （2）静电场单元以演绎的方式学习知 识，能够培养学生的科学思维能力。 （3）通过分析库仑扭秤实验，学生能 够体验对称、转化测量、微小放大法 的思想方法 科 学 探 究 （1）学生能够利用验电器探究导体是否带电。 （2）通过对起电现象的观察，学生会分析物体起 电的原因。 （3）通过库仑定律的实验，学生能够体验库仑得 出库仑定律的过程，体会所用的科学思想和方法。 （4）通过实验模拟，学生能够观察并理解电场线 的分布情况。 （5）通过探究静电屏蔽现象，学生能够联系生活 了解静电的防止和利用 （1）实验事实说明，两个实际的带 电体间的相互作用力与它们自身的大 小、形状以及电荷分布都有关系，两 个点电荷之间的作用力不因第三个点 电荷的存在而改变。 （2）人们假设试探电荷在电场中某点 受到的静电力与试探电荷的带电量之 比是一个常数，通过点电荷的电场进 行验证，又从特殊的点电荷电场推广 到一般带电体电场，科学探究的重要 性在于对假设猜想的验证。 （3）本单元通过观察静电感应实验、 探究影响电荷间相互作用力的因素、 研究空腔导体内表面的电荷的实验， 培养学生发现问题、进行猜想、设计 实验、收集证据、处理数据、得出结 论、解释说明、讨论交流的能力 >> 138 续　表 　高中物理单元教学设计　 教学内容 核心素养目标 科 学 态 度 和 责 任 库仑扭秤实验，静电现象在技术中的应用 （1）本单元通过介绍“库仑扭秤实 验”，引导学生感悟科学家揭示科学 本质的艰辛与曲折 ；通过介绍“法拉 第和场的概念”，培养学生坚持真理、 敢于质疑、勇于创新的科学态度和科 学精神 ；通过让学生解释“尖端放 电”“静电屏蔽”等现象，培养学生 使用科学术语解释物理问题的意识和 能力。 （2）本单元通过介绍静电现象在技术 中的应用，加强学生物理知识与生活 的沟通与联系；通过介绍“雷火炼殿”， 增强学生文物保护的意识 2. 学生情况分析 （1）物理观念：从学生学习静电场的基础来看，学生初中学习过关于电荷间的 相互作用、摩擦起电等基本知识，但仅从现象层面了解基本的电现象，没有通过现 象抽象出事物的本质，没有从场的角度提升对现象的认识，对现象只是定性了解， 没有从定量的角度加以分析。初中学过的密度、电阻让学生对用物理量之比定义新 物理量有了初步的了解，但仅限于新定义的物理量跟原来相比的物理量都属于同一 主体，与电场强度和电势的定义有差距。高中已经学过的力学知识中蕴含着丰富的 思想方法，为迁移到静电场的学习做好了准备。 （2）科学思维：学生具备了一定的观察现象、分析推理、归纳总结的能力，但 抽象思维能力仍有待发展。 （3）科学探究：初中只是在定性方面，定量方面较少。 （4）科学态度和责任：本单元的内容一方面紧密联系生产和生活实际，容易引 起学生的学习兴趣，激发学生参与科技活动的热情和形成将物理知识应用于生活和 生产实践的意识，同时丰富生动的物理学史能够提供发展学生核心素养的营养。 【单元教学内容分析】 1. 本单元在形成“物质观念、运动与相互作用观念、能量观念”中的地位 第六单元与第五单元的关系如图 5-1 所示。 　第五单元 静电场的相关概念　 139 << 第五单元 静电场的相关概念 物质观念、运动与相互作用观念、能量观念 第六单元 静电场中的能量 图 5-1　第六单元与第五单元的关系 2. 单元内容分析 （1）单元内容线索。第五单元的内容线索如图 5-2 所示。 电荷 库仑定律 电场 电场强度 静电的防止与利用 物质观念 图 5-2　第五单元内容线索 （2）单元的内容进阶层级。第五单元的内容进阶层级如图 5-3 所示。 层级四 总结拓展 层级三 实践应用 构建单元知识网 静电的防止与利用 电场 电场强度 比值定义法 对比 递进 递进 递进 提升拓展 电荷起电方式 库仑定律 电荷 层级二 构建关系 层级一 初步认识 图 5-3　第五单元内容进阶层级 >> 140 　高中物理单元教学设计　 【单元教学任务设计】 1. 单元大任务 静电除尘在生产生活中应用非常广泛。请学生利用自己所学的知识，寻找或设 计一个静电除尘器。要求： （1）学生应利用实验室器材或生活中常用材料； （2）该静电除尘器能够达到简单的效果。 2. 单元小任务设计 任务一：电荷。 任务二：静电感应。 任务三：电荷守恒定律。 任务四：电荷间的作用力。 任务五：静电棒使“静电泡泡悬浮”。 任务六：利用塑料绳模拟“怒发冲冠”。  5 主题九　静电场及其应用 9.1　电荷（1课时） 刘  宽 【设计理念】 本节通过实验手段，探究摩擦起电、感应起电两种方式的本质。本节通过对摩 擦起电本质的研究，建立原子的微观结构模型和金属的微观结构模型。本节通过研 究摩擦起电的物体所带电荷的种类，以及静电感应现象所遵从的规律，培养学生的 科学论证能力。本节通过对摩擦后的两个物体所带电荷种类的研究，以及同一个物 体与不同物体摩擦后的电荷种类的研究，引导学生发现问题和提出问题，培养学生 的问题意识。本节通过对摩擦起电和感应起电两种起电方式的研究，引导学生观察 实验现象，从微观上分析和解释可能的原因，培养学生的解释能力和交流能力。 　第五单元 静电场的相关概念　 141 << 【教材分析】 电荷是《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：“通过实验，了解静电现象。能用 原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象。” 本节由电荷、静电感应、电荷守恒定律和元电荷四部分组成，是后续学习的基 础。教材首先从摩擦起电入手，介绍自然界中存在正、负两种电荷及其特性；其次 介绍物质的微观结构模型，解释摩擦起电；最后介绍静电感应，通过对摩擦起电和 感应起电的分析，讨论电荷在转移过程中的守恒规律和电荷量的量子化特征。教材 循序渐近，引导学生经历构建模型、解释现象、猜想、归纳等过程，发展逻辑推理 能力，强化守恒思想。 【学情分析】 学生在初中初步了解电荷概念，具有一定的感性认识。在生活中，学生具有大 量的摩擦起电生活经验，如冬季脱毛衣时看到电火花、用钥匙开门被电击等，这些 经验能帮助学生进一步学习摩擦起电的相关知识。经过必修第一册和必修第二册的 学习，学生对物理中的守恒观念有了更深的认识，这有助于学生理解电荷守恒定律， 从物质微观结构理解摩擦起电、感应起电的原理。从金属的微观结构模型解释静电 感应是本节课的难点，教师要设置好合理的问题梯度，引导学生建构模型分析。 【教学目标】 1. 物理观念 学生通过分析摩擦起电和带电体间相互作用实验现象，知道自然界存在两种电 荷。学生能够知道电荷量的概念及其国际单位。 2. 科学思维 学生能用原子结构模型解释摩擦起电的原因，观察并分析静电感应现象，进一 步提高应用物理模型解释现象的能力。 3. 科学探究 学生通过分析不同起电方式的本质得到电荷守恒定律，理解电荷守恒定律，体 会守恒观念对认识物理规律的重要性。 4. 科学态度与责任 学生知道元电荷概念，体会电荷量是不连续的。 >> 142 　高中物理单元教学设计　 【教学重点】 电荷守恒定律的初识和应用。 【教学难点】 利用电荷守恒定律分析解决相关问题。 【教学方法】 讲授法、演示实验法、启发式教学法、对话教学法。 【教学过程】 1. 创设情境、引入新课 摩擦可以使物体带电。摩擦过的琥珀能够吸引羽毛。为什么有的物体容易带电， 而有的物体很难带电呢？ 2. 任务一：电荷 教师引导学生学习电荷的种类和电荷量的概念。 美国科学家富兰克林发现雷电的性质与摩擦产生的电的性质完全相同，并命名 了正电荷和负电荷。 3. 任务二：静电感应 教师展示静电感应现象视频，提出感应起电的本质是什么的问题？ 教师引导学生对比摩擦起电和感应起电，思考起电的本质是什么？对比三种起 电方式。 4. 任务三：电荷守恒定律 教师描述近代物理实验的发现引导学生学习电荷守恒定律的内容和另一表述， 对如电荷量、元电荷、比荷、电荷的代数和四个概念进行解释和学习指导。 9.2　库仑定律（1课时） 刘  宽 【设计理念】 本节内容的核心是库仑定律，是电场力的性质是学习电场强度的基础。本节的 教学内容从两个方面展开，第一为探究过程，通过实验研究多个变量之间的关系， 结合构建模型、类比推理，让学生体验从猜想到验证、从定性上升到定量的科学探 　第五单元 静电场的相关概念　 143 << 究的过程，使学生的认识从感性认识上升到理性认识，得出库仑定律的内容；第二 为知识体系，真空中点电荷之间相互作用的规律即库仑定律。 【教材分析】 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。” 【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，与质量成积成正 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成负相关，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。 【教学目标】 1. 物理观念 学生通过库仑定律的探究过程，体会实验与类比在定律的建立过程中发挥的重 要作用。 2. 科学思维 学生通过将点电荷模型与质点模型类比，知道点电荷模型的物理意义及建立点 电荷模型的条件，进一步体会科学研究中的理想模型方法。 3. 科学探究 （1）学生理解库仑定律的内涵和适用条件，能够应用库仑定律计算点电荷间的 静电力，会利用力的合成的知识解决多个电荷间的相互作用问题。 （2）学生体会库仑扭称实验的设计思路与实验方法。 4. 科学态度与责任 学生对比库仑定律和万有引力定律的形式，体会物理学的和谐统一之美，提高 学习物理的兴趣。 【教学重点】 库仑定律的内容和适用条件。 【教学难点】 1. 各个电荷间的相互作用问题的解决方法。 >> 144 　高中物理单元教学设计　 2. 相互作用力与平衡力的区别。 【教学方法】 讲授法、讨论法、实验法。 【教学过程】 1. 创设情境、引入新课 教师引导学生探究电荷间相互作用的规律：同种电荷相互吸引，异种电荷相互 排斥。 教师提出问题：电荷间相互作用力的大小和哪些因素有关？ 2. 任务四：电荷间的作用力 请参照如图 5-4 所示的装置，按如下步骤进行实验： B A 图 5-4  电荷间的作用力实验装置 ①分别让球形导体 A 和通草球 B 带上同种电荷，并使其处于同一水平面上。 ②保持球形导体 A 和通草球 B 上电荷量不变，改变球形导体 A 与通草球 B 之间的距离，观察悬线与竖直方向偏角的变化 ③增加球形导体 A 的电荷量，观察悬线与竖直方向偏角的变化。 观察以上实验现象，分析两个带电体之间的相互作用力可能与什么因素有关？ 库仑定律的建立：教师引导学生思考电荷之间的作用力会不会与万有引力 F G= m m r 1 1 2 具有相似的形式呢？定量讨论电荷间的相互作用是法国物理学家库仑。他 设计了一个十分精妙的实验（扭秤实验），对电荷之间的作用力开展研究。 3. 库仑的实验 实验方法：控制变量法。 教师提出问题：库仑是如何设计实验的？ 学生回答：库仑进行了库仑扭秤实验。 　第五单元 静电场的相关概念　 145 << 实验装置如图 5-5 所示。 B AC 图 5-5  库仑扭秤实验示意图 教师提出问题：B 球的作用是什么？ 学生回答：使 A 球在水平面内平衡。 教师引导学生分组讨论实验原理、实验步骤、实验现象，每组选一个代表发表 本组观察到的现象。 4. 静电力 （1）大小计算：不必将表示电性的正、负号代入公式，只代入 q1、q2 的绝对值 即可。 （2）方向判断：在两电荷的连线上，同种电荷相斥，异种电荷相吸。 9.3　电场　电场强度（1课时） 刘  宽 【设计理念】 教师引导学生了解场的物质性，培养学生的物质观念与相互作用观念。教师引 导学生建立电场线的物理模型，体会物理模型在研究具体问题中的重要作用。教师 引导学生了解电场强度的含义，并体会应用物理量之比定义新物理量的方法。 >> 146 　高中物理单元教学设计　 【教材分析】 本节是《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，课程标准的要求为：“知道电场是一种物质。了解电 场强度，体会用物理量之比定义新物理量的方法。会用电场线描述电场。” 【学情分析】 学生学习过库仑定律，理解静电力的大小和方向，会计算电荷间的作用力大小。 初中学生学习过磁场概念，知道磁体间作用力通过磁场发生，有助于学生类比理解 电荷间的作用力通过电场产生。学生知道比值定义法是定义新物理量的重要方法， 知道比值定义法的特点。 【教学目标】 1. 物理观念 学生通过类比与实验模拟方法建立电场的概念，知道电荷间的相互作用是通过 电场实现的，知道场是物质存在的形式之一。 2. 科学思维 学生通过电场强度概念的建立过程，进一步体会用物理量之比定义新物理量的 方法。学生理解电场强度的定义式、单位和方向。 3. 科学探究 学生知道点电荷形成的电场的电场强度的表达式，会计算多个点电荷形成的电 场的电场强度。 4. 科学态度与责任 学生会用电场线描述电场，了解几种典型场的电场线，体会用虚拟的图线描述 抽象物理概念的思想方法。 【教学重点】 电场强度的概念。 【教学难点】 电场的物质性、电场线的含义。 【教学方法】 讲授法、启发式教学法、演示实验法、对话教学法。 　第五单元 静电场的相关概念　 147 << 【教学过程】 1. 创设情境、引入新课 教师提出问题：请学生回忆库仑定律的内容是什么？ 教师提出问题：在真空中两个静止点电荷没有直接接触，它们之间的相互作用 是如何产生的呢？ 2. 任务五：静电棒使“静电泡泡悬浮” 教师引导学生总结静电棒和静电泡有静电力，静电棒对静电泡有能量能做功。 3. 电场强度 问题 1 ：电场看不见、摸不着，它究竟是物质还是假想？ 问题 2 ：可以用静电力 F 描述某处电场的强弱吗？ 教师引导学生提出猜想和验证猜想，得出矛盾和冲突，指导学生对观点进行修 正（明确适用条件）并再次验证。 情况 1 ：根据库仑定律，同一个试探电荷 q 在电场中的不同位置，受电场力 不同。 情况 2 ：如果在电场中同一个位置，放置不同电荷量的试探电荷，它们的电荷 量的大小关系为 q1 ＞ q2 ＞ q3，会得到 F1 ＞ F2 ＞ F3。而电场强弱是电场的固有属性， 仅由场源决定，结论产生矛盾，同一个点出现了三种不相等的电场强弱的描述。 情况 3 ：在离源电荷远的地方放上一个电荷量较大的试探电荷 q1，在离源电荷 近的地方放一个电荷量小到几乎为 0 的试探电荷的 q2 得到的结果是 F1 ＞ F2 ≈ 0，矛 盾进一步扩大，用电场力来描述电场强弱出现了明显的局限性。 猜想：电场强弱仅由源电荷决定，同一个位置的电场强弱应该是与试探电荷无 关的。 问题 3 ：在情况 2 中如何统一标准来比较电场强弱？ 教师引导学生回忆之前的知识：不同时间产生了不同位移，如何比较速度？ 学生回答：比较单位时间内的位移。 拓展 1 ：比值定义法—采用两个（或多个）物理量相比来定义物理量的方法， 是在比较时选取相同标准的方法。 比值定义法的物理量有：速度、加速度、功率、密度、压强、电阻、电场强 度等。 >> 148 　高中物理单元教学设计　 4. 任务六：利用塑料绳模拟“怒发冲冠” 教师利用塑料绳模拟电场线，让学生直观感受电场的方向。 教师提出问题：初中是怎样描述磁场的？ 教师引导学生类比磁感线来理解电场线。 匀强电场是电场强度大小处处相等、方向处处相同的电场。 教师引导学生分组讨论绘出匀强电场的电场线。 9.4　静电的防止与利用（1课时） 廉新萍 【设计理念】 静电的防止与利用是第九章静电场及其应用的第 4 节内容。本节作为一堂静电 在生活、生产中的应用的普及课，旨在提高学生学习物理的兴趣，通过科学探究的 方式，提升学生科学思维能力，培养其科学态度与责任。 【教材分析】 本节内容是在学习了静电场中力的性质之后， 继续学习静电在生活、生产中的应 用。这些内容不仅可以开阔学生的视野，也能让学生体会物理与生活、生产的联系。 【学情分析】 学生已经获得了电场的基本概念，理解了电场强度、电势等静电场的基本属性， 可以利用所学知识解释生活一些常见的静电现象，但对于静电现象背后的原理，很 多学生并不完全清楚。学生对静电的防范和利用缺乏系统的认识。 【教学目标】 1. 物理观念 学生能够理解静电平衡状态的形成过程，知道处于静电平衡的导体内部电场强 度为 0。 2. 科学思维 学生能够了解尖端放电、静电屏蔽现象，了解静电的防止的原理。 3. 科学探究 学生能够知道静电吸附原理，了解静电吸附在静电除尘等技术中的应用。 　第五单元 静电场的相关概念　 149 << 4. 科学态度与责任 学生能够关注生活、生产中的静电现象，体会物理学与生产和生活的紧密联系。 【教学重点】 静电平衡的概念及特征。 【教学难点】 静电平衡知识在导体的电荷分布特点、尖端放电现象、静电屏蔽现象中的应用。 【教学方法】 讲授法、讨论法、实验法、小组合作探究法。 【教学过程】 1. 创设情境、引入新课 教师播放视频：自助加油，你释放静电了吗？ 2. 静电平衡 教师利用问题串引导学生从金属导体的微观结构入手，将金属导体放入静电场 中，从运动和力的关系角度分析得出自由电子不再定向移动的条件。 教师引导学生利用反证法推理论证：处于静电平衡状态的导体内部电场强度处 处为 0。 3. 尖端放电 教师介绍仪器，演示尖端放电现象。 教师引导学生分析导体表面越尖锐的位置电荷密度越大，进而得出尖端放电 原理。 教师引导学生分析避雷针的作用。 4. 静电屏蔽 教师让学生观察屏蔽线内部构造，并做演示实验：用金属盆罩住的手机不能接 收信号。 教师引导学生分析静电屏蔽现象。 教师介绍静电屏蔽的应用及静电危害。 >> 150 　高中物理单元教学设计　 5. 静电吸附 教师演示实验：自制静电除尘器。 学生分组实验：静电作画。 6. 应用 教师回扣引入问题：自助加油，为什么要先释放静电？