9.2 电荷的相互作用力 库仑定律 课时教案 -2025-2026学年高二上学期物理沪科版必修第三册

9.2《电荷的相互作用力 库仑定律》课时教案 学科 物理 年级册别 高二上册 共1课时 教材 沪科版高中物理必修第一册 授课类型 新授课 第1课时 教材分析 教材分析 本节内容位于沪科版高中物理必修第一册第九章第二节，是静电学的核心基础。教材通过回顾电荷的基本性质，引入电荷间的相互作用力，并以库仑扭秤实验为线索，系统阐述库仑定律的内容、表达式及其适用条件。该定律与牛顿万有引力定律在形式上具有高度对称性，体现了自然界基本作用力的统一美，为后续学习电场强度、电势等概念奠定定量基础。 学情分析 学生已具备初中阶段对电荷、摩擦起电、电荷种类等初步认知，掌握了矢量合成与分解的基本方法，并熟悉万有引力定律的形式结构。但对微观带电粒子间的作用缺乏定量感知，易将库仑力与重力混淆；同时，库仑定律中平方反比关系的实验验证过程抽象难懂，学生可能难以理解其精确性和科学价值。此外，高二学生正处于逻辑思维发展的关键期，具备一定的探究能力和数学建模意识，可通过情境引导和实验模拟激发深度思考。 课时教学目标 物理观念 1. 理解真空中两个静止点电荷之间存在相互作用力，掌握库仑定律的物理意义、数学表达式及方向判断方法。 2. 能区分库仑定律与万有引力定律的异同，建立“点电荷”这一理想化模型的概念，明确其适用条件。 科学思维 1. 通过类比万有引力定律，运用控制变量法分析库仑力与电荷量、距离的关系，提升归纳推理能力。 2. 借助矢量叠加原理解决多个点电荷系统的受力问题，发展物理建模与逻辑演绎能力。 科学探究 1. 模拟库仑扭秤实验的设计思路，体会科学家如何通过精巧实验设计测量微小力，培养实验设计与数据分析能力。 2. 利用数字化传感器或仿真软件验证库仑定律，体验现代技术在物理研究中的应用。 科学态度与责任 1. 感受库仑在18世纪完成精密测量所体现的严谨求实精神，增强对科学探索历程的敬畏之心。 2. 认识到物理规律的普适性与局限性，形成尊重事实、实事求是的科学态度。 教学重点、难点 重点 1. 掌握库仑定律的表达式：F = k·(q₁q₂)/r²，理解各物理量含义及单位制要求。 2. 正确判断库仑力的方向（同种电荷相斥、异种电荷相吸），并能进行简单计算。 难点 1. 理解“点电荷”作为理想模型的意义及其适用条件。 2. 类比万有引力定律理解平方反比关系的物理本质，突破实验验证的认知障碍。 教学方法与准备 教学方法 情境探究法、合作探究法、讲授法、类比迁移法 教具准备 多媒体课件、库仑扭秤动画视频、静电演示仪、泡沫小球、细线、电子天平（模拟微小力）、DIS力传感器套件 教学环节 教师活动 学生活动 创设情境，激趣导入 【5分钟】 一、重现历史谜题，引发认知冲突。 （一）、讲述18世纪科学困境： 1784年，法国物理学家查尔斯·奥古斯丁·库仑正面临一个巨大挑战：人们知道电荷之间有力的作用——同种相斥、异种相吸，但这种力到底有多强？它与哪些因素有关？当时没有任何仪器能直接测量如此微弱的电力。就像伽利略仰望星空试图揭开天体运动之谜一样，库仑也站在实验室里凝视着悬挂的小球，思考着如何“看见”看不见的力。他没有先进的激光测距仪，也没有数字传感器，但他有一颗敢于创新的心。 （二）、演示静电排斥现象： 教师拿出两根用丝绸摩擦过的玻璃棒，分别悬挂在绝缘支架上，缓慢靠近。学生观察到两根带电棒彼此远离。“这说明什么？”引导学生回答：“同种电荷相互排斥。”接着更换为橡胶棒与玻璃棒靠近，出现吸引现象。“那么，这个力的大小究竟由什么决定呢？是电荷越多力越大吗？还是离得越近力越强？”提出驱动性问题：“如果我们想把这个力像重力那样写成公式，该怎么研究？” （三）、引出课题并板书： 正是在这种追问中，人类迈出了静电定量研究的第一步。今天，我们就穿越回那个没有电表的时代，一起走进《电荷的相互作用力——库仑定律》，看看一位伟大的科学家是如何用一根细线和一个小扭转平衡装置，“称出”电荷之间的力的。 1. 观察实验现象，回忆电荷间作用规律。 2. 思考影响电场力的因素。 3. 明确本节课的学习任务。 4. 进入历史情境，产生探究兴趣。 评价任务 现象描述：☆☆☆ 问题提出：☆☆☆ 兴趣激发：☆☆☆ 设计意图 通过还原真实科学史背景，构建“如何测量微小电力”的核心问题情境，激发学生的探究欲望。利用直观的静电实验唤醒已有经验，设置认知冲突，促使学生主动思考力的量化路径，实现从定性认识到定量研究的过渡。 实验探秘，建构规律 【15分钟】 一、剖析经典实验，理解设计智慧。 （一）、播放库仑扭秤实验动画： 大屏幕播放高清复原动画：一个水平横杆两端各固定一个带电小球A和B，横杆中心用极细银丝悬挂于玻璃罩内；另一个可移动带电球C靠近B球。当C与B带同种电荷时，B被推开，带动横杆旋转，银丝发生扭转。扭转角度越大，说明排斥力越强。库仑通过刻度盘读取扭转角，并事先标定扭转角与恢复力矩的关系，从而间接测得电力大小。 （二）、组织小组讨论三个关键问题： 1. “为什么使用细银丝而不是普通绳子？”引导学生理解：细金属丝扭转产生的恢复力极小且可精确测量，适合探测微小电力。 2. “为什么要将整个装置密封在玻璃罩中？”启发学生意识到空气流动会影响轻质小球的位置，屏蔽外界干扰是精密实验的前提。 3. “他是如何改变电荷量和距离的？”讲解库仑采用“接触平分法”：让相同金属球与带电球接触后分开，则电荷平均分配，实现电荷量的可控调节；通过移动C球位置改变r值。 （三）、呈现原始数据表格： 展示教材附录中的模拟数据： 当 q₁、q₂ 不变时： r (cm): 36 → 18 → 12 → 9 F (相对值): 1 → 4 → 9 → 16 即 F ∝ 1/r² 当 r 不变时： q₁q₂ (相对值): 1 → 1/2 → 1/4 → 1/8 F (相对值): 1 → 1/2 → 1/4 → 1/8 即 F ∝ q₁q₂ 引导学生发现比例关系，推导出 F ∝ (q₁q₂)/r²，进而引入比例系数k，得出完整表达式 F = k·(q₁q₂)/r²。 1. 观看动画，记录实验要点。 2. 分组讨论，交流实验设计巧妙之处。 3. 分析数据，归纳数量关系。 4. 参与公式推导，形成初步认知。 评价任务 实验理解：☆☆☆ 数据分析：☆☆☆ 规律归纳：☆☆☆ 设计意图 借助高质量动画还原历史实验全过程，弥补现实中无法操作的缺憾。通过层层递进的问题链引导学生深入理解实验设计的精妙之处，体会“转化法”“放大法”“控制变量法”等科学方法的应用。原始数据的真实呈现让学生经历“观察—分析—归纳—建模”的完整探究过程，强化证据意识与逻辑推理能力。 深化理解，辨析概念 【12分钟】 一、聚焦核心概念，突破认知盲区。 （一）、深入解析“点电荷”模型： 提问：“如果两个篮球都带上大量电荷，还能用库仑定律计算它们之间的力吗？”多数学生会犹豫。此时强调：只有当带电体的尺寸远小于它们之间的距离时，才可以忽略形状和电荷分布的影响，将其视为集中在一点的“点电荷”。举例说明：地球与太阳虽大，但在万有引力计算中常被视为质点；同样，两个相距1米的带电小球，直径仅1厘米，就可近似为点电荷。但如果两个带电球几乎接触，则必须考虑电荷分布不均带来的偏差。 （二）、对比万有引力定律，强化认知结构： 投影对比表格： 项目 库仑定律 万有引力定律 公式 F = k·(q₁q₂)/r² F = G·(m₁m₂)/r² 力的性质 斥力或引力 永远为引力 常数 k ≈ 9×10⁹ N·m²/C² G ≈ 6.67×10⁻¹¹ N·m²/kg² 作用对象 带电体 任何质量物体 引导学生发现两者在数学形式上的惊人相似——都是平方反比律，暗示自然界深层的统一性。但又指出本质区别：电荷有正负，导致力可吸引可排斥；而质量只有正值，引力永远存在。 （三）、强调适用条件与单位制： 明确指出库仑定律仅适用于：① 真空中；② 静止的点电荷。若介质中需引入介电常数εᵣ，修正为 F = (1/(4πε₀εᵣ))·(q₁q₂)/r²。同时强调国际单位制下各物理量的单位：F（牛顿N）、q（库仑C）、r（米m）、k（N·m²/C²）。 1. 理解点电荷的理想化特征。 2. 完成对比表格，总结异同。 3. 记录适用条件与单位要求。 4. 提出疑问，参与师生互动。 评价任务 模型理解：☆☆☆ 类比迁移：☆☆☆ 条件识别：☆☆☆ 设计意图 通过具体案例帮助学生建立“点电荷”模型的合理边界，防止机械套用公式。利用与万有引力的类比，激活已有知识网络，促进跨章节知识整合，提升结构化思维水平。清晰列出适用条件和单位体系，培养学生严谨的科学习惯，避免常见错误。 迁移应用，解决问题 【10分钟】 一、典型例题示范，规范解题流程。 （一）、讲解单对电荷计算题： 例1：真空中有两个静止的点电荷，q₁ = +3.0×10⁻⁶ C，q₂ = -2.0×10⁻⁶ C，相距 r = 0.3 m。求它们之间的库仑力大小和方向。（已知 k = 9.0×10⁹ N·m²/C²） 教师板书解题步骤： 第一步：写出公式F = k·(q₁q₂)/r² （注意取绝对值计算大小） 第二步：代入数据 F = (9.0×10⁹) × |3.0×10⁻⁶ × (-2.0×10⁻⁶)| / (0.3)² 第三步：计算得 F = (9.0×10⁹) × (6.0×10⁻¹²) / 0.09 = 0.6 N 第四步：判断方向：因异种电荷，故为吸引力，沿连线指向对方。 强调：计算时不带符号，方向单独判断。 （二）、引入多电荷系统问题： 例2：在边长为a的等边三角形三个顶点上分别放置点电荷q、q、-q。求置于某一q处的电荷所受合力。 引导学生分步分析： 1. 画出受力示意图，标记每个力的方向。 2. 分别计算另外两个电荷对该电荷的作用力大小。 3. 利用平行四边形定则或正交分解法合成矢量。 4. 得出合力大小与方向。 提示：由于对称性，两个同号电荷的斥力夹角为60°，可用余弦定理快速求解。 1. 跟随教师思路，完成例题演算。 2. 绘制受力图，练习矢量合成。 3. 小组讨论解题策略。 4. 回答提问，巩固知识点。 评价任务 公式应用：☆☆☆ 方向判断：☆☆☆ 矢量合成：☆☆☆ 设计意图 通过阶梯式例题训练，帮助学生掌握库仑定律的基本应用技能。第一题注重公式代入与方向判断的规范书写；第二题提升难度，融入矢量叠加思想，发展综合分析能力。教师示范完整的物理解题逻辑，包括文字说明、公式引用、单位统一、结果解释等环节，培养学生良好的表达习惯。 课堂小结，升华主题 【3分钟】 一、结构化回顾，情感升华收尾。 （一）、系统梳理知识脉络： 今天我们沿着库仑的足迹，完成了从现象观察到定律建立的科学旅程。我们知道了：电荷之间存在着相互作用力，其大小遵循 F = k·(q₁q₂)/r² 的规律，方向由电荷性质决定——同斥异吸。我们认识了“点电荷”这一重要模型，明白了它的适用边界。更重要的是，我们看到了科学不是凭空想象，而是建立在精密实验与严密推理之上的大厦。 （二）、引用名言激励成长： 爱因斯坦曾说：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界，推动进步，是知识进化的源泉。”库仑用一根细线“称”出了宇宙中另一种基本力，他的想象力与执行力共同铸就了物理学的丰碑。希望同学们也能保持这份好奇与勇气，在未来的科学道路上不断追问：“为什么？”“能不能？”“怎么样？”让思维的火花照亮未知的世界。 1. 回顾本节核心知识点。 2. 记录科学家名言启示。 3. 感悟科学探索的精神价值。 4. 形成积极的学习态度。 评价任务 知识梳理：☆☆☆ 情感共鸣：☆☆☆ 价值认同：☆☆☆ 设计意图 采用“知识点+科学精神”双线总结模式，既强化知识结构，又提升育人高度。通过爱因斯坦名言唤起学生对科学创造力的向往，将物理学习上升为思维品质与人格修养的修炼过程，实现学科核心素养的深度融合。 作业设计 一、基础巩固题 1. 下列关于库仑定律的说法中正确的是（ ） A. 库仑定律适用于任何带电体之间的相互作用 B. 静电力常量k的数值是由实验测定的 C. 若点电荷q₁的电荷量大于q₂，则q₁对q₂的电场力大于q₂对q₁的电场力 D. 当两个带电小球间距趋近于零时，它们之间的库仑力将趋于无穷大 2. 真空中有两个点电荷q₁ = +4.0×10⁻⁸ C 和 q₂ = -2.0×10⁻⁸ C，相距10 cm。求： （1）它们之间的库仑力大小是多少？ （2）若将它们的距离增大到原来的2倍，库仑力变为多少？ 二、拓展探究题 查阅资料，了解卡文迪许也曾独立推导出平方反比关系，但未发表。结合本课内容，谈谈你对“科学发现优先权”的看法，不少于150字。 【答案解析】 一、基础巩固题 1. B（解析：A错，仅适用于点电荷；C错，作用力等大反向；D错，距离太近不能视为点电荷） 2. （1）F = k·(q₁q₂)/r² = 9×10⁹ × （4×10⁻⁸ × 2×10⁻⁸） / (0.1)² = 7.2×10⁻⁴ N （2）根据F ∝ 1/r²，距离加倍，力变为原来的1/4，即1.8×10⁻⁴ N 二、拓展探究题 参考答案：科学发现往往具有时代背景下的“同时性”。卡文迪许虽早于库仑得出类似结论，但未及时发表，未能获得广泛认可。这提醒我们，科学研究不仅需要智慧与勤奋，还需要成果的公开传播与同行验证。优先权属于第一个正式发表并经得起检验的研究者。这也体现了学术诚信与社会责任的重要性。 板书设计 §9.2 电荷的相互作用力 库仑定律 【左侧】历史之光 → 1784年 库仑扭秤实验 → 控制变量法 + 扭转放大法 → 数据支持：F ∝ q₁q₂，F ∝ 1/r² 【中部】核心公式 F = k·(q₁q₂)/r²          k = 9×10⁹ N·m²/C² q(C) r(m) 方向：同斥异吸（沿连线） 【右侧】关键辨析 ✓ 适用条件：真空 + 静止 + 点电荷 ✓ 点电荷：理想模型（d << r） ✓ 对比万有引力：形式相似，本质不同 教学反思 成功之处 1. 以科学史为主线贯穿全课，成功营造了“像科学家一样思考”的课堂氛围，学生参与度高，提问踊跃。 2. 动画与问题链结合有效破解了扭秤实验的理解难点，多数学生能准确说出实验设计的关键要素。 3. 类比万有引力的教学策略促进了知识迁移，学生在对比中加深了对平方反比律普遍性的认识。 不足之处 1. 多电荷系统的合力计算时间略显紧张，部分学生尚未完全掌握正交分解法的应用技巧。 2. 数字化传感器未能实际接入课堂演示，若能实时采集微小力数据将更具说服力。 3. 拓展题对部分学生而言跨度较大，下次可提供简要阅读材料辅助思考。 学科网（北京）股份有限公司 $