第2节 库仑定律（表格式教学设计） 物理鲁科版2019必修第三册

第2节 库仑定律（教学设计） 年级 高二 学科 物理 教师 课题 第2节 库仑定律 教学 目标 物理观念 能理解库仑定律的内容、适用条件及表达式 ，建立“点电荷间静电力遵循平方反比规律”的物理观念。 科学思维 能运用库仑定律分析点电荷间的静电力大小与方向，结合受力分析解决简单问题，提升逻辑推理与模型建构能力。 科学探究 能了解库仑扭秤实验的设计思路，分析实验中控制变量、放大法的应用，体会科学探究中“猜想 — 验证”的过程，提升探究能力。 科学态度 与责任 通过了解库仑定律的发现历程，认识科学家的严谨态度与探索精神，培养尊重科学史实、崇尚科学探究的责任意识。 教学重难点 掌握库仑定律的内容、公式及点电荷模型的应用。（重点） 理解库仑定律的适用条件及静电力的受力分析。（难点） 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 【演示】"静电章鱼""梁祝化蝶" 【设疑】电荷间作用力与什么因素有关？有怎样的定量关系？ 思考与交流 新课讲授 一、电荷之间的作用力 将课本实验装置进行改进，通过演示课本实验，利用两带电小球(涂有石墨导电材料的泡沫小球)间作用力的演示，让学生定性猜想电荷间作用力与哪些因素有关。具体操作：让两球带电，保持电荷量不变，让右边的移动小球靠近左边的小球；保持右边的移动小球不动，采用一个不带电的移电球与它接触，改变它的电荷量。 【观察】两带电球靠近有什么现象发生？ 【猜想】作用力与作用距离有关么? 【观察】减小其中一个带电球的电荷量有什么现象发生？ 【猜想】作用力与电荷量有关么? 【引导】从上面的定性关系中，我们要研究电荷间的相互作用力，与前面我们学习的力中哪个力有相似之处？ 【猜想】类比万有引力定律，大家猜想电荷间的作用力与距离和电荷量什么样的定量关系？ 观察并思考问题得出结论 新课讲授 二、库仑定律 【过渡】给学生简单介绍库仑定律建立的历史背景，让学生在历史背景中了解库仑定律的建立过程，结合前面的类比，直接得出库仑定律的内容。 内容：_____两个____的_____的相互作用跟它们的多带电量的乘积成_____，跟它们之间距离的二次方成_____，作用力的方向在它们的______上。 公式表示： 【思考】 库仑定律的适用条件：__________ 点电荷：______________ 【思考】库仑定律的方向： 库仑力有吸引和排斥，与万有引力不同。 【引入和过渡】演示实验只是定性的分析出电荷间作用力与电荷量和距离之间的关系，库仑当年是根据怎样的实验探究出起定量关系得出库仑定律的呢？自学课本，思考四个问题，自学后小组讨论。 【提问】扭秤装置结构 【提问】所用的实验方法 【提问】如何比较力F的大小 ？ 【提问】如何改变q ？ 问题三：本问题根据教学大纲的要求只作为了解内容，并且涉及到扭力的概念和力矩平衡的知识，学生还没学到这些，所以采用播放视频的方式方便学生了解，突破难点。 问题四：本问题教材上有详细的解释，所以通过先自学再师生交流完成 【总结】库仑扭秤实验原理。 借助于装置图及装置说出装置结构 新课讲授 三、定量验证 受库仑扭秤实验的启发，利用转化法和方大放思想，通过自制实验教具，迁移应用灵敏电流计的表头进行库仑力的定量验证，将库仑力的大小转化为电流表指针的偏转的，并将大小放大为偏转格数。这就是一种将力的效果转化放大的思想。 创新：仪器的迁移应用 【思考】如何比较力的大小 读数减掉初始值的指针偏转格数。 【思考】如何距离的测量？ 前后移动右球，使两球在一条水平线上 ，左右同时移动两滑块，让定位杆对准左球，利用间隔板确定两球间距，简化读数步骤，提高实验效率。 读取数据方法的改良 【实验设计】设计实验内容和步骤 实验一、 q一定时 ，保持电荷量不变，通过间隔板改变作用距离，验证 实验二、 r一定时 ，利用均分法改变其中一个小球的电荷量，验证。 【小组合作实验】给出具体的实验操作步骤，给以指导。通过交流、小组合作，记录数据，完成实验单。 【小组汇报、成果展示】 实验扩展-误差分析 【例题1】某物理兴趣小组利用图示装置来探究影响电荷间的静电力的因素。图甲中，A是一个带正电的物体，系在绝缘丝线上的带正电的小球会在静电力的作用下发生偏离，静电力的大小可以通过丝线偏离竖直方向的角度显示出来。他们分别进行了以下操作。 步骤一：把系在丝线上的带电量不变的小球先后挂在横杆上的，，等位置，比较小球在不同位置所受带电物体的静电力的大小。 步骤二：使小球处于同一位置，增大（或减小）小球所带电荷量，比较小球所受的静电力的大小。 （1）图甲中实验采用的方法是________（填正确选项前的字母）。 A．理想实验法 B．等效替代法 C．微小量放大法 D．控制变量法 （2）图甲实验表明，电荷之间的静电力随着电荷量的增大而增大，随着距离的减小而 （选填“增大”“减小”或“不变”）。 （3）如图乙，当小球B静止时，两球球心恰好在同一水平面上，细线与竖直方向的夹角为，若小球B的质量为m，重力加速度为g，则库仑力F与夹角之间的关系式 。 【答案】（1）D （2）增大 （3） 【详解】（1）题中采用的是控制变量法，保证电荷量不变改变距离，或者保证距离不变改变电荷量。 （2）离得越远角度越小，说明库仑力越小，故库仑力会随着距离的减小而增大。 （3）对小球列平衡方程，则有，，可解得。 针对训练1 1785年，法国物理学家库仑用自己设计的扭秤对电荷间的相互作用进行了研究，扭秤仪器如图所示。在悬丝下挂一根秤杆，它的一端有一小球A，另一端有平衡体P，在A旁还放置有一固定小球B。先使A、B各带一定的电荷，这时秤杆会因A端受力而偏转。玻璃圆筒上刻有360个刻度（在弧度较小时，弧长与弦长近似相等），通过观察悬丝扭转的角度可以比较力的大小（扭转角度与力的大小成正比）。改变A、B之间的距离，记录每次悬丝扭转的角度，便可找到力与距离的关系。库仑作了三次记录：第一次两小球相距36个刻度，第二次为18个刻度，第三次约为9个刻度；悬丝的扭转角度：第一次为36°，第二次为144°，则第三次约为（　　） A．108° B．216° C．288° D．576° 【答案】D 【详解】由库仑定律，可知，又因为扭转得角度与力得大小成正比，设二者得关系为，根据题意可得，代入数据可知，符合力与距离的平方成反比，故有，代入数据则有，解得，故选D。 结合库仑扭秤实验，体会该教具的工作原理，设计思路，以及转化法、放大法等科学方法。 学生完成后由学生简单讲解并给出规范答案。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1.已知电子的电荷量为1.6×10-19C，质量为0.91×10-30kg，质子质量为电子质量的1836倍。静电力常量k=9×109N·m2/C2，引力常量G=6.67×10−11N·m2/kg2。氢原子中，电子和质子间的库仑力和万有引力之比的量级为（　　） A．1037 B．1039 C．1041 D．1043 【答案】B 【详解】设质子和电子间的库仑力为，万有引力为，质子所带电荷量为，电子所带电荷量为，则由库仑定律和万有引力定律分别可得 ， 可得电子和质子间的库仑力和万有引力大小之比为 故选B。 2.如图，某同学为研究静电力大小的影响因素，用轻质绝缘细线将带电小球A悬挂在铁架台上B点，细线长度远大于小球直径，在B点正下方固定一带电小球C。两球静止时，细线与竖直方向呈一定夹角。某时刻起，小球A缓慢漏电，开始在竖直平面内缓慢运动，在小球A运动过程中，细线的拉力大小变化情况是（　　） A．一直增大 B．一直减小 C．一直不变 D．先增大后减小 【答案】C 【详解】根据题意，对小球A受力分析，如图所示 由相似三角形有 小球A缓慢漏电，细线与竖直方向的夹角减小，在竖直平面内缓慢运动，小球处于平衡状态，由于和的长度不变，则细线的拉力大小一直不变。 故选C。 3.1798年英国物理学家卡文迪许借鉴了库仑的扭秤实验，测定了万有引力常数。下列说法不正确的是（　　） A．卡文迪许扭秤实验需要确保研究小球为电中性 B．两个实验的相似性，体现了“类比”是一种重要的思维方式 C．卡文迪许扭秤实验和库仑扭秤实验的都用到了“微小量放大法” D．万有引力定律和库仑定律的相似性，说明了他们是同一种基本相互作用 【答案】D 【详解】引力常量非常小，小球如果带电，对测量结果影响很大，则要确保研究小球为电中性，故A正确；卡文迪许扭秤实验和库仑扭秤实验的相似性，体现了“类比”是一种重要的思维方式，故B正确；库仑扭秤与卡文迪许扭秤实验都实现了微小力的测定，体现了放大的思想，运用了放大法，故C正确；库仑力是电磁相互作用，与万有引力不是同一种基本相互作用，故D错误。本题选不正确的，故选D。 4.如图所示，光滑绝缘的水平桌面上，放置着三个可视为点电荷的带电小球A、B和C，三个小球位于同一直线上，其中B和C固定，带电量分别为-q1和+q2，若未固定的小球A能保持静止，则下列说法正确的是（　　） A．A可能带负电，q1<q2 B．A可能带正电，q1>q2 C．A一定带负电，q1=q2 D．A一定带正电，q1=q2 【答案】A 【详解】根据题意可知，若小球A能保持静止，则小球B、C对A的作用力等大，反向，由同种电荷相互吸引，异种电荷相互排斥可知，由于小球B、C带异种电荷，无论A带何种电荷，小球B、C对A的作用力方向都相反，设小球A的带电量为qA，由库仑定律有，可得，故选A。 5.如图所示，把一个带正电的小球A固定在光滑的水平绝缘桌面上，在桌面的另一处放置带负电的小球B。现给小球B一个垂直AB连线方向的速度v0，使其在水平桌面上运动，则（　　） A．B球有可能做匀速直线运动 B．B球一定做匀减速曲线运动 C．B球一定做匀加速直线运动 D．B球有可能做匀速圆周运动 【答案】D 【详解】库仑力的方向与两点电荷连线共线，所以库仑力与速度不共线，不可能做直线运动，故A、C错误；B球所受库仑力为变力，则一定不能做匀减速曲线运动，故B错误；若库仑力提供向心力，即，则B球可以做匀速圆周运动，故D正确。 6.如图所示，甲、乙、丙三个小球用轻质绝缘细线悬挂在水平横杆上，处于静止状态，细线均处于竖直状态，且三个小球的重心等高，三个小球均视为质点，若小球带电，则视为点电荷，已知甲、乙间距与乙、丙间距之比为2∶1，下列说法正确的是（　　） A．三根细线的拉力一定相等 B．若乙带电，甲、丙可以不带电 C．若甲、丙带电，则所带电量之比为2∶1 D．若三个小球都带电，则所带电量的关系为 【答案】BD 【详解】三个小球的质量大小未知，竖直方向由二力平衡可得三根细线的拉力不一定相等，故A错误；三个小球均视为质点，若乙带电，甲、丙不带电，则三个小球间不存在库仑力，细线竖直，每个小球均受拉力与重力而处于平衡状态，故B正确；若甲、丙带电，则乙要带电，对乙水平方向由二力平衡和库仑定律可得，解得，故C错误；对丙水平方向由二力平衡和库仑定律可得，可得，结合，可得，可得，故D正确。 7.夸克模型是一种粒子物理学上的分类方案，在1964年由默里·盖尔曼和乔治·茨威格分别独立提出，并已成为标准模型的一部分。根据夸克模型，中子内有一个上夸克和两个下夸克，质子内有两个上夸克和一个下夸克，上夸克带电量为，下夸克带电量为，现将中子和质子的夸克模型简化为三个夸克都在半径为的同一圆周上，如图所示。下面给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是（　　）    A．   B．   C．   D．   【答案】BC 【详解】中子的三个夸克都在半径为r的同一圆周，形成了等边三角形，电荷量为的下夸克受到另一个电荷量为的下夸克的库仑斥力和电荷量为的上夸克库仑引力，根据库仑定律得 根据力的合成得和的合力方向竖直向上，据对称性另一个下夸克受静电作用力的方向也是竖直向上，故A错误，B正确；同上述分析，由力的合成可知质子中所受的静电力的合力向下，受的静电力合力斜向外，故D错误，C正确。 8.（2023·海南·高考真题）如图所示，一光滑绝缘轨道水平放置，直径上有A、B两点，AO = 2cm，OB = 4cm，在AB固定两个带电量分别为Q1、Q2的正电荷，现有一个带正电小球静置于轨道内侧P点（小球可视为点电荷），已知AP：BP = n：1，试求Q1：Q2是多少（　　）    A．2n2：1 B．4n2：1 C．2n3：1 D．4n3：1 【答案】C 【详解】对小球受力分析如图所示 由正弦定理有 其中 ∠CPH = ∠OPB，∠CHP = ∠HPD = ∠APO 其中△APO中 同理有 其中 ， 联立有 Q1：Q2= 2n3：1 故选C。 课 堂 小 结 板 书 设 计 1.2 库仑定律 作 业 布 置 1.完成课本习题，准确表述库仑定律的内容、公式及适用条件，并计算两点电荷间的静电力大小与方向。 2.结合库仑扭秤实验原理，设计简易实验（如用细线悬挂带电小球），观察不同电荷量与距离对作用力的影响，并记录分析。 3.对比库仑力与万有引力的异同，举例说明自然界中两种力的作用差异，并简述点电荷理想化模型的实际意义。 教 学 反 思 库仑扭秤实验演示效果良好，但部分学生对“微小力放大”原理理解不足，后续可结合慢动作视频分解操作细节。 学生能记忆库仑定律公式，但在计算电荷间作用力时易忽略方向性，需强化矢量箭头标注的练习。 多数学生能联系“同种电荷相斥”解释静电现象，但主动分析“原子核与电子间作用力”的较少，建议增加微观模型搭建活动。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$