3. 静电场 电场强度和电场线（表格式教学设计）物理教科版2019必修第三册

该高中物理教学设计聚焦静电场的物质性、电场强度的定义与计算、电场线的描述，从库仑定律回顾切入，提问静电力传递方式，引导学生类比重力场猜想“场”的存在，结合验电器实验验证电场客观存在，搭建从已知到未知的学习支架。 特色在于融合科学思维与科学探究，通过类比推理（重力场→电场）培养模型建构能力，用控制变量法结合比值定义法推导电场强度公式，体现科学推理；“蓖麻油+碎纸屑”实验及多媒体动画模拟电场线，学生观察归纳特点，强化证据收集与解释（科学探究）。实例丰富（如等边三角形电荷电场计算），助学生掌握矢量合成，对教师提供结构化流程与分层练习，对学生深化概念理解与科学方法。

第3节 静电场 电场强度和电场线（教学设计） 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第3节 静电场 电场强度和电场线 教学 目标 物理观念 1.理解电场是电荷周围客观存在的物质，明确静电力是通过电场传递的； 2.掌握电场强度的定义、公式E=、单位（N/C）及矢量性，能区分电场强度的 “定义式” 与点电荷电场强度的 “决定式”（E=）； 3.知道电场线的概念、特点及常见电场（点电荷、等量同种 / 异种电荷）的电场线分布，理解电场线对电场强弱（疏密）和方向（切线方向）的描述意义。 科学思维 通过 “类比重力场”（地球周围存在重力场，物体间通过重力场传递重力）推导电场的存在，培养类比推理能力； 通过 “控制变量法” 分析 “试探电荷受力与电荷量的关系”，理解电场强度的比值定义法，深化 “比值定义物理量的本质是反映物质固有属性” 的思维； 科学探究 参与 “电场线模拟实验”（蓖麻油 + 碎纸屑），学会观察不同电荷周围碎纸屑的分布，归纳电场线的特点，提升实验观察与数据分析能力； 结合库仑定律推导点电荷的电场强度公式，经历 “理论推导→结论验证” 的过程，体会科学探究的严谨性。 科学态度 与责任 通过实验感知电场的客观存在，破除 “抽象概念即非真实” 的认知误区，培养尊重客观事实的科学态度； 了解电场线模型在工程技术（如静电除尘、避雷针）中的应用，体会物理知识与生产生活的联系，增强学科价值认同。 教学 重难点 重点：电场强度的定义及物理意义E=的理解；电场线的特点及对电场的描述作用。 难点：电场的客观物质性（突破 “看不见即不存在” 的认知）；比值定义法中 “电场强度与试探电荷无关” 的理解；电场线 “不是真实存在，仅为描述工具” 的模型意义。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 教师：同学们，上节课我们学了库仑定律，知道两个点电荷之间会产生静电力，比如带正电的玻璃棒会吸引碎纸屑。那大家有没有想过：玻璃棒和碎纸屑没有直接接触，静电力是怎么 “传递” 过去的呢？ 学生 1：是不是像磁铁吸引铁钉一样，有某种 “看不见的东西” 在中间传递？ 学生 2：可能是电荷周围有某种特殊的 “场”，就像地球周围有重力场，苹果下落是因为受到重力场的作用？ 教师：大家的猜想很接近科学结论！19 世纪法拉第最早提出 “电场” 的概念 —— 电荷周围确实存在一种客观物质，名叫 “电场”，静电力正是通过电场传递的。今天我们就来深入研究 “静电场”，从 “力的角度” 描述它的性质，还要学习一种形象化描述电场的方法。 学生讨论并回答问题 新课讲授 一、电场的客观存在 教师：我们先通过实验感受电场的存在。大家看这个实验：我把带正电的玻璃棒靠近验电器的金属球（未接触），验电器的金属箔会张开（操作实验）。大家观察到了什么？ 学生 3：金属箔张开了，说明验电器带上了电荷！ 教师：没错，但玻璃棒和验电器没有接触，电荷怎么转移过去的？其实是玻璃棒周围的电场对验电器中的自由电子产生了作用力，让电子重新分布，导致金属箔带电。这就说明：电场是真实存在的，它能对放入其中的电荷产生力的作用 —— 我们把这种力叫做 “电场力”。 教师：再类比大家熟悉的重力场：地球周围存在重力场，苹果放入重力场会受到重力；同样，电荷周围存在电场，其他电荷放入电场会受到电场力。电场和重力场一样，都是 “看不见、摸不着” 但客观存在的物质，它的存在不需要依赖我们的感知。 学生讨论并回答问题 新课讲授 二、电场强度的定义 教师：不同电荷的电场强弱不同，比如一个带电量很大的正电荷和一个带电量很小的正电荷，它们周围同一点的电场 “强弱” 肯定不一样。那我们该用什么物理量来描述电场的 “强弱” 呢？ 学生 4：可以用 “放入电场中的电荷受到的电场力大小” 来判断吧？力越大，电场越强。 教师：这个思路可行，但有个问题：如果我换一个电荷量更大的 “试探电荷”（用来探测电场的电荷，电荷量要小，避免影响原电场），它受到的电场力也会变大。那 “电场力大小” 能单独反映电场本身的强弱吗？ 学生 5：不能！因为电场力既和电场有关，也和试探电荷的电荷量有关。应该找一个 “和试探电荷无关，只由电场本身决定” 的量。 教师：非常好！我们可以用 “控制变量法” 研究：在电场中的同一点，放入不同电荷量的试探电荷q1、q2、q3，测量它们受到的电场力F1、F2、F3。大家猜想一下，F和q的比值会有什么特点？ 学生 6：比值应该是不变的！因为电场本身的强弱没变，F和q成正比，比值就只和电场有关。 教师：没错！实验和理论推导都能证明：在电场中同一点，E=的比值是恒定的；在电场中不同点，这个比值一般不同。所以我们用这个 “比值” 来描述电场的强弱，把它叫做 “电场强度”，用符号E表示，定义式就是E=。 教师：大家思考一下：电场强度是矢量还是标量？它的方向怎么规定？ 学生 7：是矢量！因为电场力有方向，电场强度的方向应该和电场力的方向一致吧？ 教师：对，但要注意 “正电荷” 和 “负电荷” 的区别：规定正试探电荷在电场中某点受到的电场力方向，就是该点电场强度的方向；负试探电荷受到的电场力方向，与该点电场强度方向相反。另外，电场强度的单位是 “牛每库”（N/C），大家可以结合定义式推导一下单位的由来。 教师：我们再结合库仑定律推导点电荷的电场强度。假设一个点电荷Q，在距离它r处放入一个试探电荷q，根据库仑定律，F=k，代入电场强度定义式，能得到什么？ 学生 8：E=！ 教师：非常好！这个公式是点电荷电场强度的 “决定式”，它说明：点电荷的电场强度与场源电荷Q成正比，与距离r的平方成反比，和试探电荷q无关 —— 这再次印证了电场强度是电场本身的属性。 例1　电场中有一点P，点P处放一检验电荷q，关于P点的电场强度，下列说法正确的是(　　) A．P点电场强度的方向总是跟电场力的方向一致 B．将放在P点的检验电荷q拿走，则P点的电场强度为零 C．根据公式E＝可知，P点电场强度的大小跟电场力成正比，跟放入P点的电荷的电荷量成反比 D．P点的电场强度越大，则同一检验电荷在P点所受的电场力越大 答案　D 解析　某点的电场强度的方向总是跟在该点正电荷所受的电场力的方向相同，与负电荷所受的电场力的方向相反，故A错误；电场中的电场强度取决于电场本身，与有无检验电荷无关，如果把检验电荷q拿走，则这一点的电场强度不变，故B错误；电场强度大小取决于电场本身，与放入电场中的电荷的电荷量无关，故C错误；由F＝qE知，同一电荷，E越大，F越大，D正确． 例2　如图，真空中有一等边三角形ABC，边长d＝0.30 m．在A点固定一电荷量q1＝＋3.0×10－6 C的点电荷，静电力常量k＝9.0×109 N·m2/C2，求： (1)点电荷q1产生的电场在C处的电场强度E1的大小； (2)在B点固定另一个q2＝－3.0×10－6 C的点电荷，则C处合电场强度E的大小及方向； (3)在(2)条件下，检验电荷q3＝＋5.0×10－7 C放在C处受到的电场力F大小． 答案　(1)3×105 N/C　(2)3×105 N/C　平行于AB连线向左　(3)0.15 N 解析　(1)点电荷q1在C处产生的电场强度方向由A指向C，由点电荷电场强度公式有E1＝k， 代入数据得E1＝3×105 N/C (2)点电荷q2在C处产生的电场强度大小E2＝E1，方向由C指向B， 根据平行四边形定则有E＝2E1cos 60° 代入数据得E＝3×105 N/C，方向平行于AB连线向左． (3)电荷q3在C处受到的电场力F＝qE 代入数据得F＝0.15 N. 例3直角坐标系xOy中，M、N两点位于x轴上，G、H两点坐标如图所示．M、N两点各固定一负点电荷，一电荷量为Q的正点电荷置于O点时，G点处的电场强度恰好为零．静电力常量用k表示．若将该正点电荷移到G点，则H点处场强的大小和方向分别为(　　) A.，沿y轴正向 B.，沿y轴负向 C.，沿y轴正向 D.，沿y轴负向 答案　B 解析　由于对称性，M、N两处的负电荷在G、H处产生的合场强大小相等，等于在O点的正点电荷产生的场强E1＝，正点电荷放在G处时，它在H处产生的场强E2＝，所以，H处的合场强E＝E1－E2＝，方向沿y轴负方向，B正确． 学生讨论并回答问题 新课讲授 三、实验探究：电场线的特点 教师：电场看不见、摸不着，除了用 “电场强度” 这个物理量定量描述，我们还能怎么形象地描述电场呢？法拉第提出了 “电场线” 的模型，接下来我们通过实验模拟电场线。 教师：（展示电场线模拟仪）这个透明容器里装了蓖麻油，里面撒了碎纸屑，容器两端放了带正、负电的金属球（连接直流电源）。碎纸屑会在电场力的作用下排列成一定的形状，大家观察一下（接通电源，等待 10 秒）。 学生 9：碎纸屑排成了从正电荷指向负电荷的曲线！ 教师：没错！这些曲线的形状就模拟了 “电场线”。我们把电场中一系列假想的曲线叫做电场线，它的特点是：1. 电场线从正电荷出发，终止于负电荷（或无穷远）；2. 电场线的切线方向，就是该点电场强度的方向；3. 电场线的疏密程度，反映电场强度的大小 —— 密的地方场强越大，疏的地方场强越小。 教师：（播放多媒体动画：点电荷、等量同种电荷、等量异种电荷的电场线）大家对比动画和实验现象，再思考：电场线会不会相交？为什么？ 学生 10：不会！因为如果相交，交点处就有两个切线方向，意味着电场强度有两个方向，这是不可能的。 教师：非常准确！还要强调：电场线是 “模型”，不是真实存在的曲线，它的作用是帮助我们直观理解电场的分布。 例4在下图各电场中，A、B两点电场强度相同的是(　　) 答案　C 解析　题图A中，A、B是离点电荷等距的两点，根据E＝k知，电场强度大小相等，但电场强度是矢量，方向不同，则电场强度不同，故A错误；题图B中，根据E＝k可知，A点的电场强度大于B点的电场强度，故B错误；题图C是匀强电场，A、B两点的电场强度相同，故C正确；题图D中，A、B两点电场线方向不同，疏密程度也不同，则电场强度不同，故D错误． 学生讨论并回答问题 课 堂 练 习 1.关于电场强度，下列说法正确的是(　　) A．在以点电荷为球心、r为半径的球面上，各点的电场强度都相同 B．正电荷周围的电场强度一定比负电荷周围的电场强度大 C．若放入正电荷时，电场中某点的电场强度方向向右，则放入负电荷时，该点的电场强度方向仍向右 D．电荷所受的电场力很大，说明该点的电场强度很大 答案　C 解析　电场强度是矢量，在以点电荷为球心、r为半径的球面上，各点的电场强度的大小是相同的，但是方向不同，所以不能说电场强度相同，选项A错误；判定电场强度大小的方法是在该处放置一检验电荷，根据E＝来计算，与产生电场的场源电荷的正负没有关系，选项B错误；电场强度的方向与检验电荷无关，选项C正确；虽然电场强度大小可以用E＝来计算，但E＝并不是电场强度的决定式，电场中某点的电场强度大小是一个定值，与是否放入检验电荷及电荷的受力情况无关，选项D错误． 2.(多选)真空中距点电荷(电荷量为Q)为r的A点处，放一个带电荷量为q(q≪Q)的点电荷，q受到的电场力大小为F，则A点的场强为(　　) A. B. C．k D．k 解析：由电场强度的定义可知A点场强为E＝，又由库仑定律知F＝，代入后得E＝k，B、D对，A、C错。 答案：BD 3.如图所示，在一带负电荷的导体A附近有一点B，如在B处放置一个q1＝－2.0× 10－8 C的电荷，测出其受到的静电力F1大小为4.0×10－6 N，方向如图，则： (1)B处电场强度多大？方向如何？ (2)如果换成一个q2＝＋4.0×10－7 C的电荷放在B点，其受力多大？此时B处电场强度多大？ (3)如果将B处电荷拿走，B处的电场强度是多大？ 答案　(1)200 N/C　方向与F1方向相反 (2)8.0×10－5 N　200 N/C (3)200 N/C 解析　(1)由电场强度公式可得 EB＝＝ N/C＝200 N/C， 因为B处是负电荷，所以B处电场强度方向与F1方向相反． (2)q2在B点所受静电力大小 F2＝q2EB＝4.0×10－7×200 N＝8.0×10－5 N， 方向与电场强度方向相同，也就是与F1方向相反． 此时B处电场强度大小仍为200 N/C，方向与F1方向相反． (3)某点电场强度大小与有无试探电荷无关，故将B处电荷拿走，B处电场强度大小仍为200 N/C. 4.(多选)如图是电场中某点的电场强度E及所受电场力F与放在该点处的检验电荷所带电荷量q之间的函数关系图像，其中正确的是(　　) 答案　AD 解析　电场强度的大小和方向都是由电场本身所决定的，与检验电荷无关，故该点电场强度是个定值，故A正确，B错误；根据F＝Eq可知，F－q图像是正比例函数图像，故C错误，D正确． 5．如图所示，真空中有两个点电荷分别位于M点和N点，它们所带电荷量分别为q1和q2．已知在M、N连线上某点P处的电场强度为零，且MP＝3PN，则（　　） A． q1＝3q2 B．q1＝9q2 C．q1＝q2 D．q1＝q2 解：已知在M、N连线上某点P处的电场强度为零，根据点电荷的电场强度公式得： ＝， MP＝3PN。 解得：q1＝9q2。 故选：B。 6．(2022·佛山市石门中学月考)如图所示，真空中O点有一点电荷，在它产生的电场中有a、b两点，a点的场强大小为Ea，方向与ab连线成60°角，b点的场强大小为Eb，方向与ab连线成30°角，a、b两点距O点的距离分别为ra、rb，则关于a、b两点场强大小Ea、Eb的关系，以下结论正确的是(　　) A．Ea＝Eb B．Ea＝Eb C．Ea＝Eb D．Ea＝3Eb 答案　D 解析　由题图结合几何关系可知，rb＝ra，再由E＝可知，＝＝3，D正确． 7．(2021·济南市济钢中学高一期中)关于电场线，下列说法正确的是(　　) A．电场线方向一定是带电粒子在电场中受力的方向 B．两条电场线在电场中可以相交 C．电场线就是带电粒子在电场中的运动轨迹 D．在同一幅电场分布图中电场越强的地方，电场线越密 答案　D 解析　负电荷受到的电场力方向和电场方向相反，所以电场线方向不一定是带电粒子在电场中受力的方向，故A错误；电场线每一点，只有一个方向，若两条电场线相交，则交点有两个电场方向，与事实矛盾，故B错误；电场线是一种用来描述电场的假想图线，不是粒子的运动轨迹，在同一个电场中，电场线的疏密程度可以用来表示电场强度的大小，电场线越密，电场强度越大，故C错误，D正确． 8．如图所示是点电荷Q周围的电场线，图中A到Q的距离小于B到Q的距离．以下判断正确的是(　　) A．Q是正电荷，A点的电场强度大于B点的电场强度 B．Q是正电荷，A点的电场强度小于B点的电场强度 C．Q是负电荷，A点的电场强度大于B点的电场强度 D．Q是负电荷，A点的电场强度小于B点的电场强度、 答案　A 9．(2021·江苏省天一中学高一期中)在如图所示的四种电场中，分别标记有a、b两点，其中a、b两点电场强度大小相等、方向相反的是(　　) A．甲图中与点电荷等距的a、b两点 B．乙图中两等量异种点电荷连线的中垂线上与连线等距的a、b两点 C．丙图中两等量同种点电荷连线的中垂线上与连线等距的a、b两点 D．丁图中非匀强电场中的a、b两点 答案　C 解析　题图甲中与点电荷等距的a、b两点，电场强度大小相等，方向不相反，故A错误；对题图乙，根据电场线的疏密及对称性可判断，a、b两点的电场强度大小相等、方向相同，故B错误；对题图丙中两等量同种点电荷连线的中垂线上与连线等距的a、b两点，电场强度大小相等，方向相反，故C正确；对题图丁，根据电场线的疏密可判断，b点的电场强度大于a点的电场强度，故D错误． 10.如图所示，等边三角形ABC的三个顶点分别固定三个点电荷＋q、－q、－q，已知三角形边长为L，静电力常量为k，则该三角形中心O点处的电场强度大小、方向如何？ 答案　　方向沿AO方向 解析　O点是三角形的中心，到三个点电荷的距离为r＝＝L， 三个点电荷在O点产生的电场强度大小均为E0＝， 根据平行四边形定则和几何知识可知，两个点电荷－q在O点的合电场强度大小为E1＝， 再与＋q在O处产生的电场强度合成，得到O点的合电场强度大小为E＝E1＋E0＝＝，方向沿AO方向 课 堂 小 结 本节课围绕 “静电场” 展开，首先通过实验与类比（重力场）明确电场是电荷周围客观存在的物质，静电力通过电场传递；接着从 “描述电场强弱” 的需求出发，通过控制变量法与比值定义法，引入电场强度E=，明确其矢量性、单位及与试探电荷的无关性，还推导了点电荷电场强度的决定式F=k；最后通过实验模拟与动画演示，建立电场线模型，总结其 “方向（切线）、强弱（疏密）、不相交” 的特点，理解模型的描述意义。整个过程中，我们运用了类比、比值定义、物理建模等科学方法，既掌握了静电场的核心知识，也深化了对 “抽象物质可通过实验感知与理论描述” 的认知。 板 书 设 计 第3节 静电场 电场强度和电场线 1. 定义（比值定义法） 公式：E= 说明：F 为试探电荷受的电场力，q 为试探电荷电荷量 关键：E 与试探电荷（q、F）无关，仅由电场本身决定 单位：牛 / 库（N/C） 2. 矢量性 方向：正试探电荷在该点的电场力方向（负电荷相反） 3. 特殊电场的 E（点电荷） 决定式：E =k（k 为静电力常量，Q 为场源电荷电量，r 为到场源距离） 适用条件：仅适用于点电荷电场 三、电场的形象描述：电场线（中右区域） 1. 概念 假想曲线（非真实存在），用于描述电场的强弱与方向 2. 核心特点 ①方向：从正电荷出发，终止于负电荷（或无穷远）→ 切线方向 = E 的方向 ②疏密：密→E 大，疏→E 小 ③不相交（交点处 E 无唯一方向，矛盾） 3. 常见电场线分布 点电荷：正电荷（辐射向外），负电荷（辐射向内） 等量同种电荷：中间疏、外侧密（无交叉） 等量异种电荷：从正到负，中间密、两侧疏 作业 布置 1. 完成教材课后作业：“练习与应用” 2. 配套同步作业 教学反思 需关注学生对 “电场物质性” 的理解，可增加更多直观实验（如静电感应中金属箔的张角变化），强化 “电场能产生实际作用” 的认知； 对 “比值定义法” 的讲解，可对比之前学过的 “速度（v=）”，帮助学生建立 “比值反映物质固有属性” 的通用思维； 电场线模型的教学中，需多次强调 “模型非真实存在”，避免学生产生 “电场是由线条组成” 的误解，可通过动画展示 “电场线消失后电场仍存在” 的场景，澄清模型意义。 / 学科网（北京）股份有限公司 $