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

2库仑定律 目标素养 1．物理观念：引导学生了解库仑定律，体会电荷之间的相互作用力的大小与哪些因素相关，为学生构建更完整的相互作用观念。 2．科学思维：通过类比质点模型，让学生建构理想化的点电荷模型，知道建立点电荷模型的条件，体会建构模型是物理学中重要的研究方法之一；通过研究电荷之间的相互作用力与距离之间的关系，让学生体会控制变量法在实验中的应用，引导学生从实验中提取证据，并能基于证据得出结论；让学生理解库仑定律的内涵和适用条件，通过问题情境，引导学生科学规范地应用库仑定律计算点电荷之间的静电力，并能结合力的合成与分解的知识解决多个电荷之间的相互作用问题，逐步提升学生的综合应用能力；通过了解库仑定律的建立过程，让学生体会类比在该过程中的重要作用，并能意识到类比不是严格的推理，类比提出的猜想是否正确需要实践的检验。 3．科学探究：通过对库仑扭秤的观察，引导学生思考库仑扭秤的工作原理，体会实验中通过力矩平衡实现“小量放大”的精妙实验设计，提升学生设计实验的能力。 4．科学态度与责任：通过了解库仑扭秤实验，让学生体会科学研究的一些共性与创新，使学生在学习和应用科学知识的过程中，养成尊重事实、善于反思和勇于创新的科学态度。 重点难点 重点 1．点电荷模型的物理意义及建立点电荷模型的条件。 2．库仑定律及库仑定律的适用条件，应用库仑定律计算点电荷之间的相互作用力。难点 1．库仑定律及库仑定律的适用条件。 2．通过叠加的物理思想，计算带电体之间的相互作用力。 教学准备 教师准备 1．搜集库仑定律的探究过程的相关历史资料。 2．搜集库仑扭秤实验的图片或视频。 3．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．复习电荷、电荷守恒定律、电荷量等相关知识。 导入新课 导入一（情境导入） 教师 库仑是法国工程师、物理学家。主要贡献有扭秤实验、库仑定律、库仑土压力理论等。在建立库仑定律的过程中，他通过精密的实验对电荷间的作用力进行了一系列的研究，连续在皇家科学院备忘录中发表了很多相关的文章。1785年，库仑用自己发明的扭秤建立了静电学中著名的库仑定律。同年，他在给法国科学院的《电力定律》的论文中详细地介绍了他的实验装置、测试过程和实验结果。 库仑是怎样通过扭秤来建立库仑定律的呢？那就让我们开始今天的学习吧。 导入二（问题导入） 教师 电荷之间存在着相互作用力，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。那么，电荷之间的作用力大小与电荷量的多少以及电荷之间的距离大小存在着怎样的关系呢？ 教学过程 环节一：电荷之间的作用力 教师 演示实验：如图所示，带正电的带电体C置于铁架台旁，把系在丝线上带正电的小球先后挂在等位置。 观察实验现象并思考： （1）悬线与竖直方向的夹角的大小说明了什么？ （2）该实验说明带电小球受到的电荷间的作用力的大小与什么因素有关？大致是何种关系？ 学生 通过力学分析可知，悬线与竖直方向的夹角越大，说明小球受到的静电力越大。将带正电的小球分别挂在位置，发现悬线与竖直方向的夹角越来越小，说明带正电的小球距离带电体C越远，受到的静电力越小。 该实验说明电荷之间的相互作用力与它们之间的距离有关，距离越大，静电力越小。 教师 请同学们猜想一下，电荷之间的相互作用力还可能和什么因素有关？你是否可以设计实验对你的猜想进行验证？ 学生 电荷之间的相互作用力还可能与带电量的大小有关。 应用上面的实验器材，将带电小球只悬挂在P1位置，让带电小球的带电量逐渐增加。通过对比几次实验中悬线与竖直方向的夹角，分析得出结论。 教师 真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。这个规律叫作库仑定律。这种电荷之间的相互作用力叫作静电力或库仑力。 在库仑定律中提到了点电荷的概念，那么，同学们是怎样理解点电荷的呢？ 学生 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。任何带电体都有形状和大小，当带电体之间的距离比它们自身的大小大得多，以致带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们之间的作用力的影响可以忽略时，这样的带电体可以看作带电的点，叫作点电荷。 点电荷类似于力学中的质点，也是一种理想化模型。 设计意图 通过观察探究电荷之间的相互作用力与距离之间关系的实验，让学生思考实验中如何做到控制变量，如何通过实验现象比较电荷之间的相互作用力的大小，引导学生基于实验现象获得证据，并能基于证据对实验结果进行合理的预判，逐步提升学生的科学探究能力。通过设计探究电荷之间的相互作用力与电荷量之间关系的实验，引导学生思考如何改变小球所带的电荷量，鼓励学生设计更多的实验方案，培养学生基于物理问题设计实验并制订实验方案的科学探究能力。通过与质点进行类比，帮助学生了解点电荷的概念，知道点电荷和质点一样属于物理中的理想化模型，感受在科学研究中建立理想化模型的重要意义。 环节二：库仑的实验 在库仑那个年代，还不知道怎样测量物体所带的电荷量，甚至连电荷量的单位都没有。不过，两个相同的金属小球，一个带电、一个不带电，互相接触后，它们对相隔同样距离的第三个带电小球的作用力相等，因此，可以断定这两个小球接触后所带的电荷量相等。 提出问题：有三个完全相同的金属球，球A带的电荷量为q，球B和球C均不带电。现要使球B带的电荷量为，应该怎么操作？将球A先和球B接触，球A和球B的电荷量均为，再将球A与球C接触，球A 和球C的电荷量均为，最后再将球A和球B接触，球B的电荷量就为。 库仑做实验用的装置叫作库仑扭秤。如图所示，细银丝的下端悬挂一根绝缘棒，棒的一端是一个小球A，另一端通过物体B使绝缘棒平衡，悬丝处于自然状态。把另一个带电的金属小球C插入容器并使它接触A，从而使A与C带同种电荷。将C和A分开，再使C靠近A，A和C之间的作用力使A远离。扭转悬丝，使A回到初始位置并静止，通过悬丝扭转的角度可以比较力的大小。改变A和C之间的距离r，记录每次悬丝扭转的角度，就可以找到力F与距离r的关系。 通过扭秤实验得出：带有同种电荷的两球之间排斥力的大小与两球中心之间的距离的二次方成反比。那么，能否可以得出结论：电荷间的相互作用力满足与距离的二次方成反比呢？ 这样得到的结论是不全面的，异种电荷之间的吸引力大小的关系并没有确定，还不能得出结论。 教师事实上，库仑在探究异种电荷吸引力与其距离的关系时，再次利用扭秤进行实验时遇到了困难，原因在于两个小球相互吸引，部分电荷出现中和现象，导致装置不稳定，实验无法进行。库仑受到牛顿的启发，把电的引力与地球的万有引力进行类比重新设计了电摆实验。感兴趣的同学可以通过上网查阅资料的方式了解这段历史。 综合上述实验结论，可以得到关系式：。式中的k叫作静电力常量。通过实验测定k的数值是 环节三：静电力计算 教师 出示例题1：相距1m且均带有1C电量的两个物体间的库仑力是多大？这一结果说明了什么？ 根据库仑定律可知。可见，1C的电量非常大。 出示例题2：已知氢核（质子）的质量是1.，电子的质量是9.1x<，在氢原子内它们之间的最短距离为<。试比较氢核与核外电子之间的 库仑力和万有引力。 根据库仑定律和万有引力定律可得： 则 氢原子核与电子之间的静电力是万有引力的倍。 可见，微观粒子间的万有引力远小于库仑力。因此，在研究微观带电粒子的相互作用时，可以把万有引力忽略。 教师 出示例题3：如图甲所示，真空中有三个带正电的点电荷，它们固定在边长50cm的等边三角形的三个顶点上，每个点电荷的电荷量都是2.0x10-6C，求它们各自所受的静电力。 甲 乙 学生如图乙所示，选择点电荷q3进行受力分析，它共受到和两个力的作用。 根据库仑定律，可知 根据平行四边形定则可得，合力F的方向为q1与q2连线的垂直平分线向外。 每个点电荷所受的静电力的大小相等，数值均为0.25N，方向均沿另外两个点电荷连线的垂直平分线向外。 设计意图 这部分内容是运用库仑定律来解决问题。例题1的设置是为了让学生对于1C的电荷量有一个定量的认识；例题2的设置是为了让学生通过规范的定量计算，体会到静电力远大于万有引力，这也是为什么在静电场中经常不计重力的原因，让学生在分析问题中学会“抓住主要因素，忽略次要因素的影响”；例题3的设置是为了培养学生综合应用所学知识解决问题的能力，一定要让学生画好矢量图，这是处理力学问题的关键。 核心总结 本节课的课标要求是：“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。”点电荷模型的建立可以类比质点模型的建立过程，这对于学生而言理解起来并不困难。对于库仑定律，要让学生明确它的使用条件，除此之外，还要规范这部分内容的解题步骤，为后面学习电场强度的内容做好铺垫。对于库仑定律建立过程中的科学思想方法，要让学生逐步体会库仑扭秤实验设计的巧妙之处，感受控制变量法、微小量放大法、电荷等分法在库仑扭秤实验中的应用，逐步提升学生的科学探究能力。 板书设计 第2节 库仑定律 1．电荷之间的作用力 （1）库仑定律：真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。 （2）点电荷 2．库仑的实验 （1）库仑扭秤实验 （2）电摆实验 （3）库仑定律表达式： ，静电力常量。 3．静电力计算 教学研讨 本节课的教学中，要重视物理学史在培养学生物理学科核心素养中的重要作用。首先要深度挖掘库仑扭秤实验中实验设计的巧妙之处，近距离了解物理学家对于科学研究不畏艰辛、勇于创新，对物理探索时刻充满热情的科学态度，逐步提升学生的科学态度和责任。库仑扭秤实验和电摆实验对于库仑定律的建立都起到了十分重要的作用，但教材中却没有提到电摆实验，可能是因为电摆实验的实验原理学生理解起来存在困难，教师可以通过简单介绍，让学生以课前查阅资料的方式进行处理，这样可以让学生对库仑定律的认识更为完整，对物理学科的本质有更加深入的理解，形成更加完整的知识结构。对于静电力计算部分的教学，一方面要让学生能熟练使用公式列式计算，另一方面要培养学生综合应用知识的能力。 学科网（北京）股份有限公司 $$