9.3 电场电场强度 教学设计 -2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

3电场电场强度 目标素养 1．物理观念：通过类比和实验模拟的方法，让学生建立电场的概念，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；让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。 2．科学思维：让学生了解电场强度，体会用物理量之比定义新物理量的方法，并能用电场强度描述电场的性质，知道电场强度是矢量，以及电场强度的方向是怎样规定的；让学生根据库仑定律和电场强度的定义推导点电荷形成的电场的电场强度的计算式，并能用此公式进行相关的计算；让学生知道电场强度的叠加原理，并能应用这一原理进行简单的计算；让学生学会用电场线描述电场，建立电场线这一物理模型.体会物理模型在研究具体问题时的重要作用，能用电场线模型分析电场中比较简单的问题，并得出结论。 3．科学探究：通过电场强度概念的建立过程，让学生进一步体会用物理量之比定义新物理量的方法。 4．科学态度与责任：通过点电荷之间的相互作用力这一场景，让学生体会试探电荷、场源电荷以及静电力与试探电荷的比值的物理意义；让学生学会用电场线描述电场，了解几种典型电场的电场线，并体会用虚拟的图线描述抽象物理概念的思想方法。 重点难点 重点 1．电场强度概念的建立。 2．能根据库仑定律和电场强度的定义推导点电荷形成的电场的电场强度的计算式，并能用此公式进行相关的计算。 难点 1．电场强度概念的建立。 2．电场的物质性与电场线的理解。 教学准备 教师准备 1．准备演示实验器材：起电机、带电大金属球、节能灯泡、易拉罐、PVC管、塑料袋、电场线模拟器材（正点电荷和负点电荷、等量同种点电荷、等量异种点电荷、带等量异种电荷的平行金属板）、智能手机等。 2．准备学生实验器材：手摇式起电机、金属球（作为场源电荷）、导体轻小球（作为试探电荷）、细线、铁架台等。 3．搜集3D电场线的模拟动画。 4．制作本节课的多媒体课件。 学生准备 预习本节课的内容。 导入新课 导入（情境导入） 教师 向学生展示一个节能灯泡并提出问题：如何让节能灯泡发光呢？能否不通电就让灯泡发光呢？ 实验1：利用起电机使大金属球带电，关闭教室内的电灯，然后让节能灯泡靠近带电金属球，会发现节能灯泡发光了。 向学生展示器材（易拉罐、PVC管、塑料袋）并提出问题：如何不接触易拉罐而使其动起来呢？ 实验2：用塑料袋摩擦PVC管，然后让PVC管靠近易拉罐，易拉罐就会随着PVC管运动。 提出问题：为什么会出现这样的现象呢？ 教学过程 环节一：认识电场 通过对库仑定律的学习，我们知道了实验中的现象是电荷对电荷的作用。但电荷并没有接触，电荷之间是通过什么相互作用的呢？ 提示：初中阶段我们已经知道两磁体间的相互作用是通过磁场发生的。 学生 电荷间的相互作用是通过电场发生的。 教师19世纪以前，不少物理学家认为这是一种超越空间与时间直接发生的作用，称为超距作用。而牛顿是反对这一观点的。他认为两个不接触的物体之间的作用是通过“以太”来实现的。但是，英国物理学家法拉第却提出了不同的见解。他认为，这种相互作用是通过媒介发生的，但这种媒介不是“以太”。他的观点由后人完善并形成了场的概念。 电荷间的相互作用是通过电场发生的。那电场是怎么产生的呢？ 如图所示，电场由电荷产生，并在电荷周围存在着，电荷间的相互作用是通过电场发生的。电场究竟是什么呢？ 电荷之间通过电场相互作用 学生 由开始的实验可知，电场具有力的性质和能的性质。因此，由电荷产生的电场是客观存在的一种特殊物质。 由静止电荷产生的电场称为静电场。 环节二：建立电场强度的概念 教师 如何来描述电场呢？ 思路：电场由电荷产生，把产生电场的电荷叫作场源电荷，从场源电荷来研究电场是一个可行的思路。另外，电场对电荷有静电力的作用，因此，需要引入电荷来“感受”电场的存在，这个电荷称为试探电荷。 情境：场源是带正电的球体，如何确定其周围各点电场的强弱呢？ 问题： （1）电场中各点的电场强弱是否与引不引入试探电荷有关呢？ （2）怎样区别A、B两点的电场强弱？这说明电场的强弱与什么有关？ （3）直接用静电力来描述电场中各点的电场强弱合适吗？ （4）不同试探电荷在A点所受的静电力是不同的，能否找到一个确定的量，一个与试探电荷无关的量呢？尝试填写下表。 位置 试探电荷 q 2q ······ nq 比值 位置A 静电力 学生 小组交流讨论，并回答上述问题。 引导学生得出以下结论： （1）与磁场类比可知，电场中各点的电场强弱与是否引入试探电荷无关。 （2）电场的强弱与场中的位置有关。拿同一个试探电荷分别在A、B两点进行检验，若试探电荷在A点受到的力较大，则A点的电场比B点的电场强。 （3）针对同一个试探电荷可以用静电力描述电场的强弱。不同试探电荷在同一点受到的静电力不同，而同一位置，电场的强弱应该是确定的，所以，不能直接用静电力来描述电场的强弱。 （4）猜想：如果试探电荷q在任意电场中的A点受到的静电力是F，另一个同样的电荷在这一点受到的静电力一定也是F，则两个这样的电荷在这一点受到的静电力可能是2F。可以得到如下表所示的结论。 位置 试探电荷 q 2q 3q nq 比值 位置A 静电力 F 2F 3F nF 请检验一下，上述推测结论在点电荷电场中是否成立？ 提供实验仪器：手摇式起电机、金属球（作为场源电荷）、导体轻小球（作为试探电荷）、细线、铁架台等。 指导学生利用上述实验器材和库仑定律验证所猜想的结论。 学生 以小组为单位进行实验，验证猜想。 利用库仑定律计算出点电荷电场中，并依据此得出：在点电荷的电场中，试探电荷受到的静电力与其电荷量之比与该试探电荷无关，只由场源电荷及试探电荷与场源电荷之间的距离有关。 教师｜实验和计算表明，我们的推测是正确的。 在电场中同一点为常量，并且这一常量与试探电荷所受的静电力和电荷量均无关。如图所示，A、B两点有。 如果用此值描述电场的强弱，则A点的电场比B点的电场强。这一结论与利用同一试探电荷检验电场强弱的实验结论一致。所以，反映了电场本身的属性，是我们要寻找的描述电场强弱性质的物理量。 问题：怎样定义电场强度的方向呢？ 提示：在初中阶段磁场的学习中也遇到过类似的问题，受此启发，可选择一种试探电荷，将它的受力方向作为电场强度的方向。 学生 物理学中规定，电场中某点电场强度的方向与正电荷在该点所受的静电力的方向相同。 师生 共同总结： （1）定义：放入电场中某点的试探电荷所受的静电力与它的电荷量之比，叫作该点的电场强度。用E表示，公式为。 （2）单位：电场强度的单位为牛每库（N／C）。即如果1C的电荷在电场中的某点受到的静电力是1N，那么该点的电场强度就是1N／C。 （3）电场中某点电场强度的方向与正电荷在该点所受的静电力的方向相同。 设计意图 引导学生通过猜想、预测和实验验证与理论推导得出描述电场力的性质的物理量-电场强度，使学生体会一个物理概念建立的过程和严谨的科学精神。同时，也培养了学生的科学探究能力和实验设计能力。 环节三：点电荷的电场 电场强度的叠加 前面我们从试探电荷的角度对电场进行了研究。下面，我们从场源电荷的角度来研究一下最简单的电场-点电荷的电场。 情境：设想在真空中，有一个点电荷，电荷量为Q，在它形成的电场中，选取任意一点。则： （1）这一点的电场强度的表达式是什么？有什么特点？ （2）电场强度的大小与哪些因素有关？当这一点远离场源电荷时，电场强度的大小如何变化？ （3）试着画出场源点电荷为＋Q时空间各位置的电场强度的方向，并总结其特点。 师生教师指导，学生小组交流，并完成绘图。教师将学生所画的图像拍照后投影展示。 （1）电场强度。需要借助试探电荷q来确定点电荷的电场强度，但表达式中不含有q。 （2）电场强度的大小与Q和r有关，并由它们决定，是真空中点电荷电场强度的决定式。对某个确定的场源电荷，电场强度的大小就只由r决定，随着r的增大，电场强度按着二次方反比的规律减小，与点电荷距离相等的点，电场强度的大小均相等。 （3）正点电荷形成的电场，电场强度的方向背离正点电荷，如图所示。 教师｜点电荷形成的电场是否只在平面上？ 学生 点电荷的电场分布在整个空间里，并非只在平面上存在。 如果真空中同时存在两个点电荷，它们的电荷量相等，电性相反，则空间各点的电场强度如何确定？请你画出空间中某一点的电场强度，并说明你绘制的依据。 小组合作交流，完成作图。 把学生所画的图像投影展示，并引导学生回答。 两个点电荷对某个电荷的静电力，等于这两个点电荷单独存在时，对试探电荷作用力的矢量和。由此可以推理，如果是两个点电荷形成电场，电场中某点的电场强度，等于两个电荷单独存在时，在该点产生的电场强度的矢量和。如果真空中同时存在多个点电荷，可以先确定每个点电荷单独存在时，在该点的电场强度，再用电场强度叠加的方法，确定多个点电荷同时存在时，电场强度的大小和方向。 如果是真实的带电体，不能看作点电荷的情况下，如何确定它的电场呢？ 提示：可以用“叠加”的思想进行回答。 学生 可以把它分成若干小块，只要每个小块足够小，就可以看成点电荷，然后用点电荷的电场强度叠加的方法计算整个带电体的电场。 教师 拓展：一个半径为R的均匀带电球体（球壳）在外部产生的电场相当于把所有电荷量都集中在球心的点电荷的电场。 设计意图 通过让学生推导和绘制点电荷的电场强度大小和分布，深刻理解电场强度的概念。同时，也让学生体会到研究电场强度可以从试探电荷的角度来研究，也可以从场源电荷的角度来研究。通过从点电荷到一般带电体电场强度分布的讨论，使学生理解“矢量叠加”的思想。 环节四：电场线 教师 怎样才能形象地描述静电场中各点电场强度的大小和方向？ 问题情境：初中时，我们用磁感线描述磁场，类比磁感线，描述电场，是否也可以用画线的办法呢？请结合正点电荷的电场强度分布图试着画一画。 在画的过程中思考： （1）如何来表示电场强度的大小和方向呢？ （2）电场线是否真实存在？ 学生分组绘制正点电荷的电场线，并交流讨论如何利用这些线来描述电场强度的大小和方向。 师生 总结并得出结论：如图甲所示，正点电荷的电场线是从正电荷发出的、辐射状对称分布的射线，射向无限远处。每一点的切线方向，都是背离正点电荷的。在靠近场源电荷的地方，电场线更密集，电场强度较大；在远离场源电荷的地方，电场线更分散，电场强度较小。 （1）电场线是为了形象描述电场而引入的假想线，实际并不存在。 （2）用电场线描述电场时，电场线的疏密表示电场强度的大小，电场线上每点的切线方向表示该点电场强度的方向。 （3）电场线和磁感线都是法拉第提出并采用的方法，因为这种描述方法简洁形象，一直沿用至今。 那么，负点电荷的电场线又是什么样的？ 学生 思考、绘制并回答：如图乙所示，负点电荷的电场线，形状与正点电荷相同，方向为从无限远处发出，到负电荷终止。 教师 等量异种点电荷和等量同种点电荷的电场线是如何分布的呢？ 学生 思考并绘制。 展示等量异种点电荷和等量同种点电荷的电场线分布图（如图丙、丁所示）。 丙 丁 总结电场线的特点： （1）电场线从正电荷或无限远出发，终止于无限远或负电荷；在电荷附近电场线密集，电场也更强。 （2）电场线在电场中不相交。 教师 电场线为什么不会相交？ 交流、讨论并回答：如果有两根电场线相交，那么交点所在的位置，电场强度的方向就有两个，但同一点的电场强度是唯一的，因此，电场线不可能相交。 环节五：匀强电场 教师 如果电场中各点的电场强度大小相等、方向相同，这样的电场就叫作匀强电场。匀强电场的电场线是什么样的？请你画出来。 由于电场强度大小相等，电场线就应该是疏密均匀的；空间内所有的点的电场强度方向相同，电场线就只能是彼此平行的直线。匀强电场的电场线，是平行等间距的直线，如图甲所示。 请同学们从知识、研究思路和研究方法三个角度总结一下自己本节课的收获。 学生思考并总结。 教师对学生的总结进行指导。 （1）知识方面： ①电场强度：是电场强度的定义式；是适用于真空中点电荷的电场强度的决定式。利用电场强度的叠加，可以分析任意带电体的电场。 ②电场和电场线：电场是客观存在的，电场线是为了描述电场而引入的假想线。 （2）研究思路：通过试探电荷受到的静电力和场源电荷两个角度来研究静电场。 （3）研究方法：比值定义法和与磁场类比的方法。 核心总结 在本节课中，不论是电场概念的建立，还是电场强度概念的建立，都突出了在体验中学习的理念，让学生经历概念建立的过程，体验概念建立过程的思想方法。利用实验，加深学生对概念的理解。通过动手操作，提升学生对概念的掌握。 本节课中有丰富的物理方法和研究思路，抓住概念的建立脉络，能够让学生真实地体验到科学研究的过程。通过实验演示和图片展示，能让学生更好地理解电场和电场线的分布特点。 教学研讨 本节课主要由电场、电场强度、点电荷的电场、电场强度的叠加、电场线、匀强电场等内容组成。电场强度概念的建立是本节课的重点也是难点。说它是重点的原因是：第一，电场强度既是高中电学的重要概念，又是学生接触场并对场具有初步定量认识的首个概念。建立电场强度的概念时采用的是用物理量之比来定义其概念，这是一种重要的科学方法，可以迁移到电势、电容、磁感应强度等概念的建立。第二，构建概念的过程蕴含了“猜想和假设”“基于证据得出结论”等科学探究过程。说它是难点的原因是：电场强度的概念很抽象，尽管学生已经接触过密度、速度等用物理量之比来定义的物理量，但是学生常常从数学的角度去认识这个比例式，初学时容易把电场强度跟静电力混同起来。研究电场的强弱是通过引入试探电荷的方法来实现的，但定义后的物理量却跟试探电荷无关。电场强度是用来描述“场”的性质的物理量，与试探电荷的有无并无关系，这是学生以往没有接触的一种思维方式，因此，成为一个难点。在教学中，应让学生经历概念的完整建立过程，体会猜想与假设、实验验证与理论推导的环节，从而加深对概念的深入理解。本节课的另一个难点是电场的物质性与电场线的理解。一方面，电场与电场线的概念很抽象；另一方面，学生先前对可见物质的认识，会干扰他们对场的物质性的理解。在教学中，可采取类比、实验模拟、空间想象等思维方法来突破这一难点。 学科网（北京）股份有限公司 $$