9.2 库仑定律 教学设计-2025-2026学年高二上学期物理人教版必修第三册

该高中物理教学设计聚焦库仑定律，通过实验探究电荷间作用力的影响因素，类比质点模型建立点电荷理想模型，搭建从定性实验到库仑扭秤定量研究的学习支架，衔接定律内容与静电力计算应用。 亮点在于融合科学思维与科学探究，通过控制变量法设计实验、库仑扭秤实验的转化放大思想及视频辅助教学，培养模型建构与证据分析能力，例题结合氢原子静电力与万有引力对比、多电荷受力叠加，提升学生科学态度，为教师提供清晰教学路径与实验指导。

高中物理必修三第九章第二节 库仑定律 教材分析 1、课标要求 3.1.2 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。 例3 与质点模型类比，体会在什么情境下可将带电体抽象为点电荷。 例4 体会库仑扭秤实验设计的巧妙之处。 2、 地位与作用 本节内容的核心是库仑定律，它为后面建构电场、电场强度的概念奠定了基础。 3、 教学内容安排 通过实验研究，重视让学生体验从猜想到验证、从定性上升到定量的科学探究的过程，使学生的认识从感性认识上升到理性认识。在此基础上，展现库仑定律建立的历史背景，凸显类比的方法在库仑定律建立过程中所起的重要作用。库仑的实验是建立库仑定律的重要基础，其实验结果有力地证实了多位科学家的猜想。 教学目标 (1)通过库仑定律的探究过程，体会实验与类比在定律的建立过程中发挥的重要作用。 (2)通过与质点模型类比，知道点电荷模型的物理意义及建立点电荷模型的条件，进一步体会科学研究中的理想模型方法。 (3)理解库仑定律的内涵和适用条件，能够应用库仑定律计算点电荷间的静电力，会利用力的合成的知识解决多个电荷间的相互作用问题。 (4)体会库仑扭秤实验的设计思路与实验方法。 (5)对比库仑定律和万有引力定律的形式，体会物理学的和谐统一之美，提高物理学习兴趣。 教学重难点 教学重难点：理解库仑定律及其适用条件 教学过程设计 知识点一：电荷之间的相互作用力 问题导入（实验一：探究影响电荷间相互作用力的因素）： 两个带电体之间的相互作用力的大小与哪些因素有关？（猜想可能与距离、电荷量大小、球的形状和材料等因素有关。） 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。哪些因素是影响带电体间的相互作用力的主要因素（电荷量以及距离），哪些是次要因素？（带电体的形状、大小及电荷分布状况） 必修一中，我们为了突出问题的主要因素，忽略次要因素，建立了一个理想化的物理模型——质点（当物体的大小和形状对所要研究的问题没有影响时，可以忽略物体的大小和形状，把它简化为一个具有质量的点） 今天，可以类比这种思想，建立带电体理想模型——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。 为什么这么教： 知道点电荷的物理意义，以及在具体的物理情境中建立点电荷模型的条件，体验物理理想模型的研究方法，感悟科学研究中建立理想模型的重要意义，并能在其他场合中尝试运用这种方法研究物理问题。点电荷是学生在电磁学中接触的第一个理想模型，可以把它与学过的质点理想模型联系起来，以加深学生对这种方法的体验。先建立点电荷模型，这样设计实验研究带电体之间的相互作用力的时候可以忽略次要因素的影响。 两个带电体之间的相互作用力的大小与带电体所带的电荷量、距离有什么关系？如何设计实验？（控制变量法） C 带正电的带电体C （可以用起电机或者起电棒使C带电）置于铁架台旁，把系在丝线上带正电的小球（可以用接触起电的方法使小球带电）先后挂在r1 、r2 、r3 等位置。带电体C与小球间的作用力会随距离的不同怎样改变呢？（控制电荷量不变，增大C与静电摆的距离，观察到偏角减小，即电荷量不变时，距离增加，作用力减小。） 在同一位置增大或减小小球所带的电荷量（接触起电，平分电荷量思想，强调平分电荷量的条件：使带电体C与静电摆恢复到原来的距离，用不带电的静电摆与原来的静电摆接触，原静电摆所带的电荷量减少。）， 作用力又会怎样变化？（距离不变时，电荷量减小，作用力减小） 怎么教： 引导学生主动参与，鼓励学生设计更多的实验方案。假如实验不成功(如因漏电),应引导学生分析原因，并提出相应的改进措施，重新演示。这样有利于培养学生的核心素养：坚持实事求是，彰显科学态度。 为什么这么教： 第一，通过接触带电改变电荷量，并强调平分电荷量的条件，这与库仑扭秤实验改变电荷量的方法有一致性；第二，运用控制变量方法设计实验。 知识点二：库仑的实验 以上实验属于定性研究，还需要更精确的定量研究才能得出定量规律。 库仑做实验用的装置叫作库仑扭秤。如图，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，结果是力F 与距离r 的二次方成反比，即 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。这意味着，如果使一个带电金属小球与另一个不带电的完全相同的金属小球接触，前者的电荷量就会分给后者一半。多次重复，可以把带电小球的电荷量q 分为 q q q … 2 ， 4 ， 8 ， 这样又可以得出电荷之间的作用力与电荷量的关系：力F 与q1 和q2 的乘积成正比，即F ∝ q1q2 综合上述实验结论，可以得到如下关系式 怎么教： 在知识层面，库仑扭秤实验涉及用悬丝的转角(库仑扭秤的主要工作部件)间接测量静电力变化的比值关系，涉及扭力的概念和力矩平衡的知识，学生没有学过这些，需要教师补充讲解。在技能层面，由于库仑扭秤结构上的复杂性和操作上的精确性，不要求学生熟悉实验器材和掌握操作方法。教师可以借助实验装置模型或挂图，侧重介绍库仑扭秤实验的设计思路与实验方法。没有实验条件可以播放视频让学生学习。需要突出本实验巧妙的思想方法：转化放大、平分电荷量。 知识点三：库仑定律 1、 内容：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。 2、 表达式： 式中的k 是比例系数，叫作静电力常量。当两个点电荷所带的电荷量为同种时，它们之间的作用力为斥力；反之，为异种时，它们之间的作用力为引力。在国际单位制中，电荷量的单位是库仑（C），力的单位是牛顿（N），距离的单位是米（ m ）。k 的数值是 k ＝9.0×109 N ·m2/ C2 注意： 1.不仅要说明静电力的大小（点电荷电荷量用绝对值代入公式进行计算），而且要说明静电力的方向（根据同性电荷相斥、异性电荷相吸判断是引力还是斥力方向）。 2.F 是q1与q2 之间的相互作用力。F 既是q1对q2 的作用力的大小，也是q2 对q1的作用力的大小，这两个力是一对作用力和反作用力，即大小相等、方向相 反。不能理解为q1≠q2 时，它们所受的力也不相等。 3.静电力常量k的单位是由公式中的F 、q 、r 的单位确定的，常量k=9.0×10⁹ N·m²/C² 只在国际单位制下成立，因此在使用此常量利用库仑定律计算时，F 、q 、r 的单位必须是：牛顿(N) 、 库 仑 (C) 、 米 (m) 。 知识点四：静电力的计算 根据库仑定律，两个电荷量为1 C 的点电荷在真空中相距1 m时，相互作用力是 9.0×109 N。差不多相当于一百万吨的物体所受的重力！可见，库仑是一个非常大的电荷量单位，我们几乎不可能做到使相距1 m的两个物体都带1 C的电荷量。 通常，一把梳子和衣袖摩擦后所带的电荷量不到百万分之一库仑，但天空中发生闪电之前，巨大的云层中积累的电荷量可达几百库仑。（列举生活中起电物体所带电荷量的大小，说明库仑是一个非常大的电荷量单位。此处在强化对抽象物理量大小的感性认识，培养学生注重理论联系实际的学习态度） 【例题 1】 在氢原子内，氢原子核与电子之间的最短距离为 5.3×10-11 m 。试比较氢原子核 与电子之间的静电力和万有引力。 分析 氢原子核与质子所带的电荷量相同，是 1.6×10-19 C。电子带负电，所带的电荷量也是 1.6×10-19 C。质子质量为 1.67×10-27kg，电子质量为9.1×10-31kg。根据库仑定律和万有引力定律就可以求解。 解 根据库仑定律，它们之间的静电力 根据万有引力定律，它们之间的万有引力 通过定量计算，使学生进一步明确在微观带电粒子(电子、质子、原子核和失去外 层电子的离子等)的相互作用中，静电力远大于万有引力。强调解题规范，如指数的运算，各物理量的单位、数量级等。 库仑定律描述的是两个点电荷之间的作用力。如果存在两个以上点电荷，那么，每个点电荷都要受到其他所有点电荷对它的作用力。两个或两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力，等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的矢量和。（两个点电荷之间的作用力不因第三个点电荷的存在而改变。） 库仑定律给出的虽是点电荷间的静电力，但是任一带电体都可看成是由许多点电荷组成 的，根据库仑定律和力的合成法则就可以求出带电体间的静电力大小和方向。这可以使学生体会到，研究问题的基本方法总是从简单的情况入手，再研究复杂的情况。 【例题 2】 真空中有三个带正电的点电荷，它们固定在边长为50 cm的等边三角形的三个顶点上，每个点电荷的电荷量都是2.0×10-6 C，求它们各自所受的静电力。 分析 根据题意作图。每个点电荷都受到其他两个点电荷的斥力，因此，只要求出一个点电荷所受的力即可。 例题2是多个点电荷对同一点电荷作用力的叠加问题。此题的功能有两个。第一，巩固库仑定律和对电荷在电场中受力的分析、力的合成与分解，并强调解题规范。让学生体会画好矢量图，可以搭建思维平台。第二，为下一节电场强度的叠加做铺垫。 学科网（北京）股份有限公司 $