9.1 电荷 教学设计-2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

1电荷 目标素养 1．物理观念：基于摩擦起电、接触起电和感应起电的三种方式，引导学生归纳总结三种起电方式的相同之处，总结归纳出电荷的产生并不是创造了电荷，而是带电粒子发生了转移，进而理解电荷守恒定律；通过正负电子的湮灭，让学生感受，随着物理学的发展，电荷守恒定律的内涵变大了，表述也发生了变化，从而让学生更加深刻地理解电荷守恒定律，让物理规律在学生头脑中得到提炼和升华，提升学生的物理观念。 2．科学思维：通过设置一个任务串，帮助学生回忆摩擦起电的相关内容，基于金属微观结构模型，引导学生解释摩擦起电的原因，从物质的微观结构认识物体带电的本质，逐步培养学生调用相关的物理知识对现象作出合理解释的科学思维能力。 3．科学探究：通过静电感应的演示实验，让学生观察到不用接触也能使物体带电的过程；通过问题的设置，引导学生分析出静电感应的带电过程也是电子的转移过程。 4．科学态度与责任：通过布置查阅富兰克林实验的相关资料的任务，让学生体会物理学家尊重事实、敢于质疑、善于反思的科学态度。 重点难点 重点 1．通过各种起电方式，理解电荷守恒定律。 2．通过静电感应实验，分析感应起电的带电过程。 难点 1．从微观结构的角度来认识物体带电的本质。 2．静电感应现象的分析。 教学准备 教师准备 1．准备实验器材：橡胶棒、毛皮、玻璃棒、丝绸、验电器等。 2．制作本节课的多媒体课件。 学生准备 1．预习本节课的内容。 2．回顾摩擦起电的相关知识和验电器的使用方法。 3．查阅富兰克林实验的相关资料。 导入新课 导入一（情境导入） 本杰明·富兰克林，18世纪美国的实业家、科学家、社会活动家、思想家、文学家和外交家。1752年6月的一天，乌云密布，电闪雷鸣，一场暴风雨即将来临。富兰克林和他的儿子威廉一起带着上面装有一个金属杆的风筝来到一个空旷地带。富兰克林高举起风筝，威廉则拉着风筝线飞跑。由于风大，风筝很快就被放上高空。过了不久，雷电交加，大雨倾盆。富兰克林和威廉一起拉着风筝线，父子俩焦急地期待着。此时，刚好有一道闪电从风筝上掠过，富兰克林用手靠近风筝上的铁丝，全身立即掠过一种恐怖的麻木感。他抑制不住内心的激动，大声呼喊：“威廉，我被电击了！成功了！成功了！我捉住“天电＇了！”随后，他又将风筝线上的电引入莱顿瓶中。回到家后，富兰克林用雷电进行了各种电学实验，证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。富兰克林关于天上和人间的电是同一种东西的想法，在他自己的这次实验中得到了证实。 导入二（问题导入） 教师 你能想办法让吹起的气球带上电吗？ 教学过程 环节一：电荷 如何让吹起的气球带上电？怎样才能判断气球带上了电了？ 将吹起的气球在头发上反复摩擦几次，气球就可以带电了。气球可以吸引头发、轻小的纸片等，通过这些现象可以判断气球已经带上了电。 你能判断气球所带电荷的电性吗？通过什么方法可以进行判断呢？ 学生用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电。如果用带正电的玻璃棒靠近带电气球，观察两者之间是相互吸引还是相互排斥，就可以判断气球所带电荷的电性了。同样，用带负电的橡胶棒也可以进行判断。 实验操作：用带负电的橡胶棒靠近用细绳悬挂的带电气球，气球受到斥力的作用，说明气球带的是负电。 介绍电荷在物理学中常见的表示形式及电荷的单位。 电荷的多少叫作电荷量，用Q表示，有时也可以用q来表示。在国际单位制中，它的单位是库仑，简称库，符号是C。正电荷的电荷量为正值，负电荷的电荷量为负值。 1881年，第1届国际电学大会确定库仑（C）为电荷量的国际单位，定义为1A恒定电流在1s时间间隔内所传送的电荷量为1C。 美国科学家富兰克林通过实验发现，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。迄今为止，人们没有发现对这两种电荷都排斥或都吸引的电荷。自然界的电荷只有两种。 请同学们阅读教材中关于原子结构的内容，并分析为什么气球会带上负电。 学生组成物质的原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的，原子核是由质子和中子被紧密地束缚在一起构成的，其结构一般是非常稳定的。通常离原子核较远的电子受到的束缚较弱，容易受到外界的作用而脱离原子。 当用头发和气球相互摩擦时，一些受束缚较弱的电子会发生转移。根据气球的带电情况可以判断，是头发上的电子转移到了气球上，气球得到了多余的电子而带上了负电，而头发由于失去电子带上了正电。 介绍自由电子：金属中原子的外层电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由运动，这种电子叫作自由电子。失去自由电子的原子便成为带正电的离子，它们在金属内部排列起来，每个正离子都在自己的平衡位置附近振动而不移动，只有自由电子穿梭其中，这就使金属成为导体。绝缘体中几乎不存在能自由移动的电荷。 环节二：静电感应 在摩擦起电的实验中，相互摩擦的两物体具有什么特征呢？金属中有很多自由移动的电子，为什么不用金属棒来完成摩擦起电的实验呢？ 学生 在摩擦起电的实验中，使用的两个物体都是绝缘体，这样产生的电荷较难移动，会保留在物体上。金属棒是导体，在摩擦起电的实验中，即使金属棒带了电，电荷也会通过人体被导走。 教师 出示验电器、橡胶棒、丝绸等实验器材，并提出问题：如何让导体带电，你们能用这些器材进行实验展示，并说出金属带电的原因吗？ 学生 用摩擦过的橡胶棒接触验电器的金属部分后，验电器下面的金属箔张开，说明验电器带了电。 验电器带电的原因：当橡胶棒与验电器的金属部分接触时，由于电子之间的相互排斥，使电荷重新分布，两片金属箔因都带负电荷而互相排斥，就张开了。 教师｜刚才同学们展示的带电过程属于接触起电方式，还有什么方式可以让金属导体带上电呢？请同学们观察如图所示的演示实验，并回答下面的问题。 问题1：当把带正电的物体C靠近导体A、B，它们下面的金属箔有什么变化？请分析产生这种变化的原因。 问题2：当把带正电的物体C远离导体A、B，它们下面的金属箔又有什么变化？请分析产生这种变化的原因。 学生 当带电物体C靠近导体A、B且不接触时，导体A、B仍为电中性，但其表面的电荷会受到带电体C的影响而重新分布，也就是由于同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，使得靠近带电体C的导体A带负电，从而使导体A下面的金属箔由于带负电而张开，导体B下面的金属箔由于带正电而张开。 当带电物体C远离导体A、B后，金属箔由张开变为闭合，导体A、B表面又恢复到了原来电中性的状态。 教师 当一个带电体靠近导体时，由于电荷间的相互吸引或相互排斥，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种电荷，远离带电体的一端带同种电荷。这种现象叫作静电感应。利用静电感应使金属导体带电的过程叫作感应起电。 如果实验中先把导体A、B分开，然后再移去带电物体C，实验现象又会是怎样的？我们又该怎样解释呢？ 学生 观察实验现象并进行实验论证。 实验现象：先把导体A、B分开，然后移去带电物体C，导体A、B下的金属箔仍然张开。 实验论证：如果先不移开带电物体C，导体A、B分离时，导体A带负电荷，而导体B带等量的正电荷。然后再将带电物体C移开，由于导体A、B已经分开，它们都将不能恢复到电中性的状态。 教师你怎样证明导体A、B带等量异种电荷呢？ 学生可以将导体A、B接触，由于它们带等量异种电荷，接触后电荷中和，它们下面的金属箔都会闭合起来。 教师｜通过实验演示证明学生的论述是正确的。 设计意图 学生对于摩擦起电和接触起电的方式比较熟悉，也能够利用微观的原子模型解释这两种带电方式的原因。从学生熟悉的物理情境入手，符合学生的认知规律，并能很好地激发学生用新知识解释熟悉的物理现象的学习兴趣。学生对于感应起电的过程则比较陌生，通过演示实验及引导性的问题，让学生利用已有知识解释相应的物理现象，并为自己的论证提供合理的实验依据，以此提升学生的科学论证能力。 环节三：电荷守恒定律、元电荷 教师｜上面我们一起探究了使物体带电的三种方式，请同学们思考一下，这三种起电过程有什么共同的规律呢？ 学生 摩擦起电：电子从一个物体转移到另一个物体。 接触起电：电子从一个物体转移到另一个物体。 感应起电：电子从物体的一部分转移到另一部分。 带电原因：电子转移。 共性：电荷总量不变，电荷守恒。 教师 电荷守恒定律：大量实验事实表明，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；在转移过程中，电荷的总量保持不变。这个结论叫作电荷守恒定律。 近代物理实验发现，在一定条件下，带电粒子可以产生或湮没。例如，一个高能光子在一定条件下可以产生一个正电子和一个负电子；一对正、负电子可以同时湮没，转化为光子。不过在这些情况下，带电粒子总是成对产生或湮没的，两个粒子带电数量相等但电性相反，而光子又不带电，所以电荷的代数和仍然不变。因此，电荷守恒定律更普遍的表述是：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。它是自然界重要的基本规律之一。 元电荷：迄今为止，实验发现的最小电荷量就是电子所带的电荷量。人们把这个最小的电荷量叫作元电荷，用e表示。实验还发现，所有带电体的电荷量都是e的整数倍。这就是说，电荷量是不能连续变化的物理量。 元电荷e的数值，最早是由美国物理学家密立根测得的，他因此获得诺贝尔物理学奖。在密立根实验之后，人们又做了许多测量。现在公认的元电荷e的值为e=1.602176634×10-19C。 核心总结 本节课的课标要求是：“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。”所以本节课的实验是非常重要的。学生在初中已经对电学有了初步接触，所以本节课采用小任务的形式引入。通过判断气球是否带了电、判断气球带电的电性等内容，引导学生调取初中的物理知识来解决问题，提升学生的科学论证能力；通过金属原子结构模型，引导学生从微观的角度分析摩擦起电的原因，并能分析解释静电感应现象，进一步提升学生应用物理模型解释现象的科学推理能力；最后再引导学生基于不同的起电方式分析得出电荷守恒定律，理解电荷守恒定律，体会守恒观念的重要性。 板书设计 第1节 电荷 1．电荷 （1）电荷的多少叫作电荷量。 （2）单位是库仑，简称库，符号是C． 2．静电感应 当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，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种电荷，远离带电体的一端带同种电荷。 这种现象叫作静电感应。 3．电荷守恒定律、元电荷 （1）电荷守恒定律：大量实验事实表明，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；在转移过程中，电荷的总量保持不变。 （2）最小的电荷量叫作元电荷，计算中一般取 （3）电子的电荷量e与电子的质量m。之比，叫作电子的比荷。 教学研讨 从本章开始，学生开始学习电磁学的相关知识。第九章“静电场及其应用”是电磁学内容的第一章，而本节内容的重要功能是让学生了解静电场中的一些物理概念，为后面电磁学的学习奠定坚实的基础。学生在初中的学习中对本节内容已有一定的认知，已经知道了接触起电和摩擦起电两种带电方式，对验电器也很熟悉，但基于物质的微观结构解释摩擦起电和接触起电的原因对学生来说有一定的难度。教学中，可以采用问题引导并结合实验验证的方法，帮助学生顺利突破这一难点。对于元电荷概念的介绍，教材中介绍的内容不多，在教学中可以补充介绍电子的发现过程，既可以加深学生对元电荷概念的理解，也可以很好地提升学生学习物理的兴趣。 学科网（北京）股份有限公司 $$