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視頻標簽：庫侖定律
所屬欄目：高中物理優(yōu)質課視頻
視頻課題：教科版高中物理選修3-1第一章《庫侖定律》南京
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選修3-1第一章《庫侖定律》南京市第九中學
庫侖定律》教學設計
【教學目標】
1、通過實驗探究電荷間作用力與電荷量、距離的定量關系，培養(yǎng)學生科學探究能力。
2、知道庫侖定律的適用條件，能用類比的方法構建模型，培養(yǎng)學科思維。 3、了解庫侖定律及其發(fā)現(xiàn)過程，讓學生體驗科學思維，培養(yǎng)科學態(tài)度。 4、能用庫侖定律解決相關問題。 【教學流程】
【教學設計】
一、新課引入：提出問題、合理猜想
由前面的學習，同學們知道自然界中有兩種電荷，正電荷和負電荷，并且電荷之間是存在作用力的，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。電荷間的作用力遵循什么規(guī)律呢？這就是本節(jié)課要學習的內容——庫侖定律。
提問：電荷之間的作用力大小受哪些因素影響？請同學們根據(jù)生活和實驗現(xiàn)象進行合理的分析。（學生自主分析）
提問：根據(jù)很多現(xiàn)象我們發(fā)現(xiàn)，電荷所帶電荷量q越大，力F就越大；電荷之間的距離r越大，力F就越小，他們之間的定量關系我們會嘗試從什么比例關系探究呢？
師、生共同討論：我們可以先假設F和q成正比，F(xiàn)和r成反比，但是類比于萬有引力定律也可以假設F和r2成反比。
設計思路：直接拋出課題，引入本節(jié)課需要解決的問題，讓學生由生活、實驗現(xiàn)象進行合理分析與猜想，并讓學生知道物理實驗數(shù)據(jù)的分析是從最簡單的規(guī)律開始假設的。
二、定量探究：解決實驗困難、收集數(shù)據(jù)
演示實驗器材介紹：大金屬球放在一個絕緣支架上，包有錫箔紙的小物件用細線懸掛，若給他們帶上同種電荷，小物件因為受到排斥力而偏轉。
提問：我們用這樣過一個裝置探究F與q、r的關系需要注意什么？同學們覺得在實驗測量中我們會遇到哪些困難呢？
學生回答：當研究多個變量時需要用控制變量法：在q一定時，研究F和r的關系；在r一定時，研究F與q之間的關系。并提出在實驗中需要測量的F沒辦法直接用測力器測量，距離r有如何測量，電荷量q又不知其大小。
演示實驗器材介紹：我們用帶電體下方木板上刻度來測量距離r，對于這個較大的金屬球，當它周圍的電荷很小或者很少時，它所帶的電荷就會在其表面均勻分布，所以測量距離時量的是球中心位置到小物件的距離。我已將大金屬球的位置定為“零”刻度線，那么它們之間的距離可以根據(jù)標識直接讀數(shù)；若根據(jù)實驗需要大金屬球不在零刻度線上，同樣也可以測量距離——兩個刻度求差。
提出問題、合理猜想 設計實驗、收集數(shù)據(jù) 分析結論、了解歷史 例題精講、能力提升
演示實驗器材介紹：力的大小如何測量呢？由小物件的受力分析圖可知，當物件重力G一定時，他所受到的作用力F與tanθ成正比，當θ很小時，θ的弧度值與正切值近似相等，所以作用力F與θ成正比，我們可以用θ的測量來替代F的大小。
設計思路：本實驗完全由學生來設計是不現(xiàn)實的，讓學生自主分析實驗困難，就能體會到實驗裝置的精妙之處，培養(yǎng)學生的探究能力，學會處理類似的實驗問題。
1、定量探究F與r的關系 演示實驗：（1）將起電機兩個小球分開較遠，其中一個小球與大金屬球接觸，使其帶電。（2）用絕緣筷將小物件輕觸大金屬球，小物件因為帶上同種電荷而被排斥開，請一位同學讀出偏角θ，另一位同學移動木板上方的豎直標識，使標識位于小物件的正下方，讀出對應的的刻度，得到距離r。（3）移動懸線所在支架，讓小物件逐漸靠近大金屬球，穩(wěn)定后移動木板上的標識，使其始終在小物件的正下方，請同學讀出2-3組偏角θ和距離r。（4）將實驗數(shù)據(jù)同步填寫在事先準備好的表格中。
實驗次數(shù) 偏角θ 距離r r2 θ·r2
1 2 3 4 師、生共同處理數(shù)據(jù)：若F與r2成反比，那么θ就與r2的乘積為一個常數(shù)，用excel表格這個的計算功能快速計算，觀察結果（乘積保留兩位有效數(shù)字、距離單位取“m”）。
師、生共同總結：盡管數(shù)據(jù)有偏差，但是我們應該有些“感覺”，θ與r2的乘積為一個定值，也就說F與r2成反比。
設計思路：本實驗裝置是由教師直接展示給學生的，為了讓學生明白其操作原理，設置了問題——在F、q、r的測量中我們會遇到哪些困難？又是如何解決的？讓學生知其為什么，培養(yǎng)學生科學探究能力。同時，再次鞏固“控制變量法”。該實驗數(shù)據(jù)雖然偏差較大，但是能讓學生充分“有感覺”，體會到定量探究過程，培養(yǎng)科學思維。
本實驗有以下幾個注意事項①小物件采用包有錫箔紙的圓柱形輕質泡沫，效果遠優(yōu)于小球；②實驗過程中由于所處地域濕度較大，太陽燈最好一直處于打開狀態(tài)，且可以用打火機加熱的方式減少大金屬球上的“毛刺”，減少電荷損失；③實驗過程時間不宜太久，以減少電荷量損失帶來的影響，所以請學生讀數(shù)之前熟悉刻度、精準讀數(shù)，師生合作完成。
2、定量探究F與q的關系
提問：我們剛剛還有一個難題沒有解決就是電荷量q的測量，該怎么辦呢？ 提示：在物理定量實驗中有時候對于不方便測量的物理量可以采用讓其“成倍”增加的方法。此方法在探究“做功與動能變化”的實驗中運用過，通過用不同根數(shù)相同的橡皮筋對小車做功，得到1W、2W、3W……的變化，看動能的增加量。
介紹：讓一個金屬球帶上一定量的電荷q，再用一個和它完全一樣但不帶電的金屬球與之相碰，那么q就會平均分，每個球帶電q/2，放掉一個金屬球的電
荷再次相碰，就可以得到q/4的電量，以此類推可以得到q/8、q/16……
演示實驗：（1）用起電機給大金屬球和小物件重新帶上同種電荷，小物件因為受到排斥力而偏轉；（2）確定此時兩個物體之間的距離r0，記錄下此時的偏角θ；（3）保證相同大小的金屬球不帶電，與大金屬球相碰，調整小物件離金屬球的距離，保證距離保持r0不變，再次記錄偏角θ；（4）以此類推，記錄2-3組數(shù)據(jù)，記錄在表格中。
實驗次數(shù) 電荷量q 偏角θ
1 q 2 q/2 3 q/4
師、生共同總結：盡管數(shù)據(jù)有偏差，但是我們應該有些“感覺”，θ與q成正比，也就說F與q成正比。
設計思路：本實驗操作有一個需要特別注意的地方——當電荷量減少時，懸線偏角減小，那么距離r就變小，所以需要適當移動小物件所在的架子，使得距離保持r0不變，每次改變電荷量都需要這樣的操作，調節(jié)之后的θ才有效。
三、關于實驗結論的討論
1、關于“庫侖定律”適用條件的討論。
總結：我們的實驗數(shù)據(jù)雖然有偏差，但是這有限的探究已經使我們能感受到電荷之間的F與r2成反比、與電荷量q成正比。這就是庫侖定律的內容：真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上。電荷之間的作用力也可以稱為“庫侖力”。
提問：在這個結論中有什么是值得我們注意，但是剛剛探究中又沒有在意的？
學生回答：真空、靜止、點電荷 提問：什么是點電荷呢？它可能和我們學過的哪一個物理模型很相像？（質點）什么情況下可以把物體看成質點？
總結：當帶電體間的距離比它們自身的大小大得多，以致帶電體的形狀、大小及電荷分布狀況對它們之間作用力的影響可以忽略，這樣的帶電體就可以看做帶電的點，叫做點電荷，這是一個理想化模型。
提問：我們剛才實驗中的小物件和金屬球可以看成是點電荷嗎？
學生討論：小物件肯定可以，大金屬球好像也可以，測距離時取的中心點。 總結：對于這樣周圍幾乎沒有干擾電荷且電荷分布均勻的球體來說可以看成點電荷。這樣的方法我們在哪里用過？（計算地球對地表物體吸引力時，把地球看成質點，距離取地球半徑）
提問：庫侖定律表達式中還有系數(shù)k，他的大小是如何知曉的呢？
演示器材：庫侖扭秤實驗模型，認識其主要結構及作用。扭秤是用扭轉角度替代力的大小，用半分法改變電荷量。
設計思路：“類比”的方法是探究和學科學習中非常重要的方法。扭稱實驗雖不能當堂實現(xiàn)，但能使學生體會它的巧妙之處，體驗科學家的探究過程。對于
2
2
1rqqk
F庫侖
定律的討論有助于培養(yǎng)學生的科學態(tài)度、科學思維。
2、關于“庫侖定律”發(fā)現(xiàn)歷史的討論。 介紹：一個物理定律的發(fā)現(xiàn)不會是一帆風順的，它或許需要一個時代的物理學家堅持不懈、星火相傳的努力，庫侖定律也是如此：1716年，英國物理學家普利斯特利通過實驗發(fā)現(xiàn)靜電力與萬有引力的情況非常相似，為此他首先提出了靜電力距離平方反比的規(guī)律猜想；1772年，英國物理學家卡文迪許遵循普利斯特利的思想以實驗驗證了該定律；1785年法國物理學家?guī)靵鲈O計制作了一臺精確的扭秤，用扭秤實驗證明了同號電荷的斥力遵從距離平方反比規(guī)律。之后，他也設計了實驗裝置去證明吸引力同樣適用。
介紹：很稀罕今天在課堂上的探究數(shù)據(jù)不是特別好，那么這些科學家得到的數(shù)據(jù)是不是就是完美的呢？卡文迪許和庫侖的數(shù)據(jù)偏差值為百分之幾，隨著測量
手段不斷的精確化，1971年威廉姆斯得到的數(shù)據(jù)偏差值數(shù)量級為10-16
。
提問：數(shù)據(jù)并不完美，那科學家為什么還堅定的認為這個“距離平方反比”的結論一定成立呢？
師、生共同總結：（1）偏差越來越小，從發(fā)展的趨勢來看，隨著條件的“理想化”，測量工具的“精確化”，或許這個偏差越來越接近零，直至沒有。（2）人們始終相信自然界中的規(guī)律是簡單的、統(tǒng)一的，在庫侖定律之前萬有引力定律已經發(fā)表被人們廣泛認可，那么從萬有引力和靜電力的相似性來看，這個結論一定成立。
設計思路：物理學史的了解能讓學生更加真實的感受“庫侖定律”的發(fā)現(xiàn)過程，知道物理探究的必要因素和思想方法。這是對提高學生探究能力非常有益、高效的做法。
四、例題精講：認識庫侖定律及其適用條件，能用定律解決問題
提問：在剛剛的試驗中我們并沒有考慮萬有引力，這是為什么？我們用數(shù)據(jù)來看一看。
例題1、氫原子中，原子核只有1個質子,核外只有1個電子,它們之間距離r =5.3×10-11m， 求氫原子核與電子之間的庫侖力F電及它們之間的萬有引力F
引 (質子的質量為1.67×
10-27kg，電子的質量為9.1×10-31kg ，引力常量 ）
39103.2引
庫
FF 例題2、兩個半徑為0.3m的金屬球，球心相距1.0m放置，當他們都帶1.5×10−5 C的正電時，相互作用力為F1 ，當它們分別帶+1.5×10−5 C和−1.5×10−5 C的電量時，相互作用力為F2 , 則
A．F1 = F2 B．F1＜F2 C．F1＞F2 D．無法判斷
師、生共同討論：根據(jù)題目中所給出的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)兩個金屬球的距離不夠大，電荷似乎不能均勻分布了，異種電荷與同種電荷的作用力方向不用，所以讓電荷分布情況不同，等效距離也就不同，所以力的大小不同。
設計思路：例1讓學生了解庫侖力和萬有引力的數(shù)量級區(qū)別，體會為什么可以忽略萬有引力不計。例2進一步體會庫侖定律的使用條件。
【板書設計】
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