第六单元 静电场中的能量-高中物理单元教学设计

151 << 第一单元  机械运动与物理模型 王  静　祁会玲　张战强　汪  静 第六单元  静电场中的能量 刘  宽 【单元教学设计】 1. 单元素养目标 第六单元的素养目标如表 6-1 所示。 表6-1　第六单元素养目标 教学内容 核心素养目标 物理 观念 静电力做功、电势能电势；电势差、等势面； 电势差与电场强度的关系 ；电容器、电容、 常用电容器 ；带电粒子在电场中的加速、 带电粒子在电场中的偏转 本单元通过比较电场力做功与重力做功都 与路径无关的特点，引入电势能的概念， 培养“通过某种力做功来研究与它相关能 量”的科学方法。本单元类比电场强度的 定义，使学生进一步了解用比值定义电势 的思想方法，理解电势的含义 科学 思维 （1）学生通过所学知识推导电势差与电场 强度的关系式，理解关系式的意义。 （2）电势能与重力势能的类比。 （3）学生学会通过电场线方向判断电势高 低。 （4）学生能够利用电场力做功、电势能与 电势的关系、能量守恒的方法判断电势能 的变化。 （5）学生通过观察电容器的充、放电现象， 理解充、放电规律以及 I-t 图像的物理意义。 （6）学生会从力和能量的角度分析、计算 带电粒子在电场中的加速问题。 （7）学生能够用类平抛运动分析带电粒子 在电场中的偏转问题 学生通过电势差与电场强度的关系式来解 决相关问题，养成多角度、多方面看问题 的思维习惯。学生借助电场线或等势面分 析电荷的运动轨迹，把力、运动、功、能 量灵活运用于实际问题 >> 152 续　表 　高中物理单元教学设计　 教学内容 核心素养目标 科学 探究 “探究影响平行板电容器电容大小的因素” 通过实验学生能够提升发现问题、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 科学 态度 和责任 交流讨论、科学论证、归纳总结 本单元引导学生从新的角度理解电场强 度，培养学生认知能力 2. 学生情况分析 （1）物理观念：学生初中学习过关于电荷间的相互作用、电荷、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蕴含着丰富的思想方法，为静电场的学习 做好了准备。 （2）科学思维：本单元对学生的能力要求较高，具体体现在以下两点。一是本 单元涉及的概念多且抽象，如电势差、电势等，且这些概念的建立缺乏日常生活中 感性经验和先前学习中知识经验的支撑，是学生学习的难点；二是本单元综合性强， 对学生的综合能力要求较高。 （3）科学探究：学生初中学习过相关内容。 （4）科学态度和责任：多且抽象的概念及原理复杂的实际问题，会增加学生的 负担，如果把握不好教学的难度，会磨灭学习的兴趣，造成学习的困难。 【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第五单元的图 5-1 所示。 2. 单元内容分析 （1）单元内容线索。第六单元的内容线索如图 6-1 所示。 　第六单元 静电场中的能量　 153 << 图 6-1　第六单元内容线索 （2）单元的内容进阶层级。第六单元的内容进阶层级如图 6-2 所示。 图 6-2　第六单元的内容进阶层级 【单元教学任务设计】 1. 单元大任务 示波器的原理是利用电场来改变电子的运动方向，从而使电子可以打在荧光屏 >> 154 　高中物理单元教学设计　 的不同位置。请学生利用自己所学的知识，设计一个可以利用电场改变带电体运动 轨迹的小装置或小实验。 要求： （1）画出原理图。 （2）利用实验室器材或生活中的材料。 （3）能够达到较直观的效果。 2. 单元小任务设计 任务一：静电力做功的特点。 任务二：电势能。 任务三：电势。 任务四：电势差。 任务五：等势面。 任务六：电势差与电场强度的关系。  5 主题十　静电场中的能量 10.1　电势能和电势（1课时） 廉新萍 【设计理念】 本节内容讲解电势能和电势，概念相对抽象，对学生的思维能力要求较高，因 此要尽可能为学生搭好思维上的阶梯，并努力创设情境，让学生思考和探究，得到 结论。 【教材分析】 电势能和电势是静电场中的重点内容，它从能量的角度反映了电场的性质。教 科书首先论证静电力做功与路径无关，其次通过类比法得出了电势能的概念，静电 力做的功等于电势能的减少量，电势能具有相对性。最后，教科书通过比值定义法 得到了电势的概念。这种按静电力做功—电势能—电势的线索设计教学内容，突出 　第六单元 静电场中的能量　 155 << “通过做功研究能量变化”的科学思想的编排顺序，符合理学的学习习惯和流程，有 利于提高学生的思维品质，培养学生的能量意识。 【学情分析】 学生对功和能的关系比较熟悉，并且初步具备了分析功和能量变化关系的能力， 尤其是对重力做功与重力势能变化关系及重力势能特点已经有了比较深入的认识。 学生刚刚学过电场，知道了电场对放入其中的电荷有力的作用，并从力的角度学习 了电场强度的相关知识，会用比值法求电场强度，知道电场强度是描述电场性质的 物理量。 学生经过初中及高中一年的物理学习，基本上了解了探索新知的流程，即提出 问题，分析问题，解决问题，但是对于发现提出问题、科学分析问题、有效解决问 题的能力还有待进一步提高。 【教学目标】 1. 物理观念 学生通过计算在匀强电场中移动电荷静电力所做的功，认识静电力做功跟路径 无关的特点。 2. 科学思维 学生通过类比重力势能引入电势能，体会能量观点是分析物理问题的重要方法， 并进一步认识物理学的和谐统一性。 3. 科学探究 学生能够理解电势能的变化与静电力做功的关系，知道常见的电势能零点的规 定方法。 4. 科学态度与责任 学生通过建立电势概念的过程，理解电势是从能的角度描述电场的物理量。会 判断电场中两点电势的高低。 【教学重点】 静电力做功的特点。 【教学难点】 电势能、电势的概念。 >> 156 　高中物理单元教学设计　 【教学方法】 讲授法、讨论法、任务驱动法。 【教学过程】 1. 创设情境、引入新课 （1）教师播放瀑布和闪电的视频。 （2）教师引导学生从能量的角度分析问题。 2. 任务一：静电力做功的特点 教师出示课本思考与讨论，引导学生猜测电场力做功的特点。出示带电粒子在 电场中的三种具体路径：沿电场线，沿直线、沿折线、沿任意曲线由 A 运动到 B， 以问题形式，引导学生思考静电力做功的特点。 教师引导学生总结结论并将结论推广到非匀强电场。 3. 任务二：电势能 教师创设具体情境，引导学生得出“静电力做功必然也会引起相应的能量变化” 的结论，进而得出电势能的概念。 教师通过问题引导学生分析电场力做功和电势能变化的关系。 教师引导学生认识电势能的相对性。 4. 任务三：电势 教师引导学生回顾电场强度的建立过程。 教师创设情境，在同一电场中放入不同电荷，尝试寻找反映电场某种性质的物 理量。 教师用问题串引导学生分析沿电场线方向电势的变化情况。 10.2　电势差（1课时） 廉新萍 【设计理念】 本节讲解电势差，概念相对抽象，对学生的思维能力要求较高，因此要尽可能 为学生搭好思维上的阶梯，并努力创设情境，让学生思考和探究，得到结论。 　第六单元 静电场中的能量　 157 << 【教材分析】 本节内容为人教版高中物理必修第三册第十章第 2 节的内容。教材以问题引入， 以电势的概念为起点，把地理位置中的两点间的高度差与电场中两点间电势差进行 比较，让学生思考电势的差值的意义；紧接着介绍了电势差的含义；在此基础上， 推导出静电力做的功与电势差的关系；最后分析了等势面的含义及与电场线的关系。 教材安排有思考与讨论，以提高学生理解、探究分析解决问题的能力。 【学情分析】 1. 学生已经知道电势能及电势的概念，知道电场力做功与电势能变化的关 系，知道电势的相对性。学生在电场、电场线知识的初步学习中，已经形成了 空间观念。本节要求学生进一步强化电场、电场线、等势面的空间观念。 2. 学生初中时已经学习了电压的知识，对电压有了较多的认识。但本节是 更深层次、系统的学习，旨在培养学生物理学科核心素养。学生的理解能力有限， 需要教师耐心培养。教师要依托学生的经验、通过引导逐渐让学生感悟电势差 的知识。 【教学目标】 1. 物理观念 学生能够知道电势差的概念，知道电势差的正负表示两点间电势的高低关系。 2. 科学思维 学生能够推导静电力做功跟电势差的关系式，会用公式 WAB ＝ qUAB 计算静电力 所做的功。 3. 科学探究 学生能够理解等势面的概念，会画常见电场的等势面。学生通过论证等势面一 定垂直于电场线，体会反证法在推理过程中的应用。 4. 科学态度与责任 研究电势差需要严谨的科学态度和对实验结果负责的精神。 【教学重点】 静电力做功公式 WAB ＝ qUAB 的具体应用。 【教学难点】 静电力做功公式中正负号的应用与正负号物理意义的理解。 >> 158 　高中物理单元教学设计　 【教学方法】 讲授法、讨论法、任务驱动法。 【教学过程】 1. 创设情境、引入新课 问题引入，类比重力做功，教师让学生思考影响电场力做功的因素。 2. 任务四：电势差 教师给出具体情境，引导学生分析电场中两点间的电势差。 教师给出具体情境，教师引导学生推导静电力做功与电势差的关系，并分析 物理量正负号的含义。引导学生将电势差的正负号与位移、温度的正负号的意义做 比较。 教师出示课本例题。 3. 任务五：等势面 教师给出具体情境，问题引导学生寻找匀强电场中的等势面。 教师将情境难度加大，继续以问题串形式，引导学生分析做功情况，引出等势 面概念。 教师引导学生总结等势面特点。 教师介绍几种电场中的等势面 10.3　电势差与电场强度的关系（1课时） 彭 飞 【设计理念】 1. 提出问题，温故知新 教师引导学生观察常见电场周围的电场线和等势线分布，分析疏密关系，提出 问题，复习电场强度和电势差的概念，通过引入试探电荷的方法，分析匀强电场中 电场力做功的情况，推导电势差与电场强度的关系。 2. 方法迁移，拓展新知 教师引导学生先分析沿电场线移动的电荷，再分析不沿电场线移动的电荷，得 出相同的关系，进而得出结论，分析结论的物理意义，再将其拓展到非匀强电场。 　第六单元 静电场中的能量　 159 << 【教材分析】 电势差与电场强度的关系是《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：知道匀强电场 中电势差与电场强度的关系。 【学情分析】 学生学习了描述电场力性质的物理量—电场强度和描述电场能性质的物理 量—电势，知道静电力做功 WAB ＝ UABq。学生理解功等于力和沿力方向位移的 乘积。 【教学目标】 1. 物理观念 学生通过试探电荷在匀强电场中做功，建立电场强度与电势差的关系。 2. 科学思维 通过推导电场强度与电势差的关系，学生可以提高自身的分析能力和推理能力。 3. 科学探究 教师引导学生推导电场强度与电势差的关系，使学生掌握 U ＝ Ed 和 E ＝ U/d 的物理意义。 4. 科学态度与责任 通过从不同角度认识电场强度与电势、电势差的关系，学生可以在遇到具体问 题时要注意分析，不要武断地下结论，养成多角度多方面看问题的学习品质。 【教学重点】 在匀强电场中推导 U ＝ Ed。 【教学难点】 电场强度的物理意义。 【教学方法】 讲授法、实验探究法、启发式教学法。 【教学过程】 1. 创设情境、引入新课 教师引导学生观察并思考课本上的问题：电场线密的地方等势线也密，电场线 >> 160 　高中物理单元教学设计　 稀疏的地方等势线也稀疏。为什么会出现这样的现象？如何建立电场强度和电势之 间的关系？ 2. 任务六：电势差与电场强度的关系 教师引导学生以匀强电场为例分析电势差与电场强度的关系。先分析沿电场线 移动电荷，如图 6-3 所示。 教师引导学生得出结论：电场强度与电势差的关系的表达式 UAB ＝ Ed。 E BA q d 图 6-3  讨论匀强电场的电势差与电场强度的关系 教师引导学生分析 A、B 两点不在同一条电场线上时，电势差与电场强度的关系， 如图 6-4 所示。 E Bl A q d 图 6-4  不在一条电场线上电势差与电场强度的关系 教师引导学生得出结论：电场强度与电势差的关系的表达式 UAB ＝ Ed。 教师引导学生将结论进行变形得出电场强度与电势差的关系 E = U d AB ，分析其物 理意义：电场强度的大小等于两点之间的电势差与两点沿电场强度方向单位距离上 降低的电势。 教师请学生解释为什么电场线密的地方等势线也密，电场线稀疏的地方等势线 也稀疏。 　第六单元 静电场中的能量　 161 << 10.4　电容器的电容（1课时） 彭  飞 【设计理念】 教师展示电容器实物，教师拆开电容器，让学生观察电容器的两块极板和极板 间的介质，介绍电容器的主要构件，演示电容器的充电过程和放电过程，探究电容 器所带的电荷量 Q 与电容器两极板间电势差 U 的关系。学生通过观察演示实验中电 压表示数随两极板间电荷量的改变情况，总结得出电容的定义。 【教材分析】 电容器的电容是《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：“观察常见的电容器，了解电容器的电容， 观察电容器的充、放电现象。能举例说明电容器的应用。” 【学情分析】 学习本节之前，学生已经学习了电场的知识，为学习本节内容奠定了一定的基 础。但电容器对于学生来说非常陌生，电容器的充电过程、放电过程和电容概念也 非常抽象，学生对电容器的电容由哪些因素决定也需要有一个逐渐认识的过程。 【教学目标】 1. 物理观念 学生能够知道电容器的概念，了解电容器的结构和充电、放电现象，构建“电 容是表征电容器储存电荷特性的物理量”这一物理观念，认识常见电容器。 2. 科学思维 学生能够理解电容的定义式，会应用其分析、讨论、解决简单问题。 3. 科学探究 （1）学生能够体会比值定义法。 （2）通过观察分析电容器的充电、放电实验中借助电压、电流传感器得到的 I-t、U-t 图像，学生能够归纳电容器充电、放电过程中的电流、电压随时间变化的趋 势，分析电容器充放电过程中电子的移动。 （3）通过实验探究，学生能够知道影响平行板电容器电容的因素有两极板间距 离、两极板正对面积和两极板间电介质的性质。 >> 162 　高中物理单元教学设计　 4. 科学态度与责任 （1）学生能够用学过的物理术语、图像交流科学探究的结果。 （2）通过对现代科技的了解，学生能够建立科学态度，激发探究知识的热情。 【教学重点】 电容器的充电、放电现象，电容器的电容，影响平行板电容器电容的因素。 【教学难点】 电容器的充电、放电过程中各物理量的变化，电容概念的建立。 【教学方法】 观察法、讲授法、类比法、探究实验法。 【教学过程】 1. 创设情境 教师提出问题：什么是电容器？ 教师展示莱顿瓶相关学史创设“怎样将电荷装进或倒出电容器？” 2. 新课教学 （1）电容器的构造。 教师提出问题：什么构造的容器能够“装进”电荷呢？ 教师画出平行板电容器的结构示意图及电路符号。 电容器的充电、放电实验。 ①教师演示充电过程。 ②教师演示放电过程。 （2）电容。 实验探究：电容器两极板间电势差跟所带电荷量的关系。 教师引导学生设计探究方案。学生分小组讨论，选代表表达小组观点，总结出 两种方案。 方案 1 ：利用平分电荷量的思想测量电荷量。 方案 2 ：利用传感器数据测量电荷量。 电容是描述电容器储存电荷特性的物理量。 定义式： C = U Q （6-1） 　第六单元 静电场中的能量　 163 << （3）平行板电容器。 教师利用平行板电容器进行如下实验： ①保持极板上的电荷量不变，两极板间的距离 d 也不变，增大（或减小） 两极板的正对面积，观察静电计指针偏角的变化。 ②保持极板上的电荷量不变，两极板的正对面积也不变，增大（或减小） 两极板间的距离 d，观察静电计指针偏角的变化。 （4）常用的电容器。教师通过讲解常用的电容器，使学生了解常用电容器的分 类，介绍击穿电压和工作电压的含义。 10.5　带电粒子在电场中的运动（1课时） 彭  飞 【设计理念】 教师构建直线运动和偏转模型，采用多个问题逐层递进的方式提出问题、解决 问题。教师引导学生类比直线运动和平抛运动的处理方法分析粒子的加速和偏转， 将粒子偏转迁移到示波管原理和应用。 【教材分析】 本节内容由带电粒子在电场中的加速、带电粒子在电场中偏转、示波管的原理 三部分组成。教学内容逐渐加深，符合学生认知规律。示波管的原理要求学生能够 综合分析力学、电场知识，且需具备一定的空间想象能力。 【学情分析】 学习本节之前，学生已掌握了一些力学和电场的基本知识。本节结合实际情景 对学生合理引导，培养学生解决简单问题的能力，并且将运动的合成与分解应用于 电场的问题分析当中，使大多数学生便于理解。 【教学目标】 1. 物理观念 本节通过对带电粒子在电场中的运动规律的讲解，培养学生的物质观念和运动 与相互作用观念。 >> 164 　高中物理单元教学设计　 2. 科学思维 本节从分析粒子受力情况入手，类比重力场中的平抛运动，培养学生应用类比 方法解决实际问题的能力。 3. 科学探究 通过对解决加速和偏转方向问题的探究，学生能够理解加速和偏转问题的本质。 4. 科学态度与责任 通过对粒子加速器的学习了解带电粒子在电场中运动在生活上的应用，学生能 够体会物理与科技、生活的联系。 【教学重点】 带电粒子在电场中的加速规律。 【教学难点】 带电粒子在电场中的偏转规律、示波管原理。 【教学方法】 问题导学法、讲授法、类比法。 【教学过程】 1. 创设情境 教师提出问题：实例引入，展示粒子对撞机视频及图片。 2. 带电粒子在电场中的加速 教师创设情境：如图 6-5 所示，平行金属板加上恒定电压 U，质量为 m、电荷 量为 +q 的带电粒子从 A 板由静止释放。 学生分小组讨论以下问题： A +q，m U + + + + + + + + + B 图 6-5  带电粒子在平行极板间的运动 ①带电粒子在电场中做什么运动？ ②设两板间的距离为 d，带电粒子的加速度为多大？ 　第六单元 静电场中的能量　 165 << ③带电粒子到达 B 板的速度为多大？ ④带电粒子从 A 板到 B 板所用时间？ ⑤静电力对带电粒子做的功为多大？ ⑥带电粒子到达 B 板的动能为多大？速度为多大？ ⑦如何增大带电粒子到达 B 板的速度？ 3. 带电粒子在电场中的偏转 教师提出问题：一带电粒子以垂直匀强电场的场强方向以初速度 v0 射入电场， 不计粒子的重力，带电粒子将做什么运动？ 教师提出问题：粒子以初速度 v0 射入电场，求射出电场时沿垂直于板面方向偏 移的距离 y 和速度偏转的角度 θ。 4. 示波管的原理 教师演示带电粒子在示波管中的偏转。 教师提出问题：如何控制带电粒子打在荧光屏上的位置？