電荷庫侖定律

課題：《電荷庫侖定律》教學(xué)目標(biāo)：

1、知道接觸起電、摩擦起電和感應(yīng)起電三種起電方式。理解電荷守恒定律。了解元電荷和比荷的概念。2、理解庫侖定律的含義與應(yīng)用條件，知道靜電力常量。會用庫侖定律進(jìn)行簡單的計算。3、了解研究電荷作用力的實驗方法，領(lǐng)會庫侖扭秤的設(shè)計思想。4、在電荷守恒定律和庫侖定律的教學(xué)過程中，對學(xué)生滲透守恒思想和世界多樣統(tǒng)一的世界觀教育。教學(xué)重點：

電荷守恒定律和庫侖定律教學(xué)難點：

庫侖扭秤的設(shè)計思路與庫侖定律的應(yīng)用條件教學(xué)方法與教學(xué)手段：教師講授點撥，引導(dǎo)學(xué)生探究交流，并運用實驗演示、多媒體輔助等教學(xué)手段。教學(xué)器材：

電線套管、海綿、起電機、魔球玩具、電筆、日光燈管、驗電器三個（帶兩個鐵罐）、帶電球兩個、金屬箔包的泡沫球、鐵架臺、烘照燈、庫侖扭秤模型板書設(shè)計：

兩種電荷：正電荷

負(fù)電荷起電方式：接觸起電摩擦起電感應(yīng)起電電荷

電荷守恒定律：電荷轉(zhuǎn)移總量不變條件：真空點電荷作用規(guī)律：庫侖定律公式：F靜=KQ1Q2/r2靜電力常量K=9.0×109Nm2/C2教學(xué)流程：一、課題引入1、今天這堂課，我們要揭開高中物理一個新的篇章——電學(xué)。大家都知道，“電”在我們生活中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，自然界中也存在著許多“電”的現(xiàn)象，譬如說閃電。教室里，能不能也來它一個人工閃電??？有辦法，這是一個起電機，我把它轉(zhuǎn)起來，大家看到電閃現(xiàn)象。演示實驗：起電機起電產(chǎn)生高壓放電現(xiàn)象。這個時候，兩球之間的電壓已經(jīng)高達(dá)一萬伏以上了，高壓放電。這個現(xiàn)象與自然界中的閃電現(xiàn)象，是類似的。2、我這里還有一個叫“魔球”的擺設(shè)品。你看，通電之后，魔球內(nèi)發(fā)出了美麗的輝光。演示實驗：手掌接觸魔球，電筆接近魔球，日光燈管靠近魔球。我用手一接觸，輝光的分布就有了明顯的改變。電筆接近后，會亮。日光燈管靠近它，居然發(fā)光了。類似奇妙的電現(xiàn)象是很多的，為了更好的研究這些現(xiàn)象，當(dāng)然也為了更好的利用電，我們有必要深入地學(xué)習(xí)一些電學(xué)的知識，那么今天我們就從最基本的電荷開始講起。二、起電方式1、初中我們學(xué)過，自然界中存在兩種電荷，正電荷與負(fù)電荷。教師：（舉電線套管）我這里有一根塑料管，不帶電，我們可以用什么辦法，讓它帶電呢？學(xué)生：摩擦。教師：我們讓塑料管與海綿摩擦，怎么檢驗是否帶電？學(xué)生：吸引輕小物體演示：用塑料管吸引小泡沫球。教師：看來確實帶電了。其實實驗室一種儀器叫驗電器，也可以用來檢驗物體是否帶電。演示：摩擦后的電線套管接觸驗電器，指針張開。指針張開了，說明塑料管帶電了。教師：驗電器沒有摩擦又怎么會帶上電呢？因為它與帶電的物體接觸了。（手舉塑料管）。通過剛才的演示，讓我們了解了兩種起電方式。摩擦起電和接觸起電。2、大家想一想，有沒有可能不接觸，就能讓物體帶上電呢？學(xué)生：……教師：大家看一個實驗現(xiàn)象，我這里有兩個“娃哈哈”，下面分別連上兩個驗電器。演示：塑料管與海綿或者塑料布摩擦，靠近驗電器，兩個驗電器指針都張開。帶電的塑料管靠近驗電器時，發(fā)現(xiàn)兩個驗電器指針都張開，說明金屬罐兩端都帶電了，這是什么原因呢？（展示課件）金屬罐內(nèi)原本電荷分布是正負(fù)等量均勻分布的，所以對外并不顯示出電性。如果將帶負(fù)電的塑料管靠近它，對它原來的電荷分布會產(chǎn)生影響嗎？學(xué)生：會。教師：產(chǎn)生怎樣的影響呢？學(xué)生：同性相斥，負(fù)電子遠(yuǎn)離。教師：對！由于同種電荷相互排斥，電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，金屬罐兩端分別出現(xiàn)正負(fù)電荷?？梢灶A(yù)計，當(dāng)帶電塑料管一離開，電荷分布將恢復(fù)原來的情況。演示：塑料管與海綿或者塑料布摩擦，靠近驗電器，兩個驗電器指針都張開教師：那大家想想，如果想要帶電塑料管離開時，驗電器指針仍然張開，應(yīng)該怎么辦？學(xué)生：拉開。教師：很聰明！我們可以及時切斷電子的退路。演示：同時拉離兩個驗電器，再離開帶電棒，箔片仍然張開。教師：我們就把這一種帶電物體靠近導(dǎo)體，使導(dǎo)體兩端出現(xiàn)異種電荷的現(xiàn)象，稱為靜電感應(yīng)現(xiàn)象，利用靜電感應(yīng)使物體帶上電的方式，叫感應(yīng)起電。三、電荷守恒定律教師：大家再想一想，剛才感應(yīng)起電過程中，物體所帶電荷的總量有沒有變化？學(xué)生：沒有?？梢钥隙ǎ瑒偛胚@兩個帶電的驗電器肯定帶上的是等量異種電荷，如果讓它們并攏接觸，指針將閉合。演示：兩驗電器靠近接觸，驗電器箔片閉合。教師：看來帶電的實質(zhì)僅僅是電荷發(fā)生了轉(zhuǎn)移。其實接觸起電和摩擦起電的實質(zhì)也是如此。人們通過大量的事實，了解到，其實自然界中，電荷既不能被創(chuàng)造，也不能消失，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，在轉(zhuǎn)移的過程中，電荷的總量不變。這個規(guī)律我們稱之為電荷守恒定律?；仡櫼幌拢^去我們學(xué)到過哪些守恒定律？學(xué)生：質(zhì)量、能量。教師：我們今后還會學(xué)到的其它物理量守恒，守恒思想可是一種我們認(rèn)識世界的重要思想方法。四、庫侖定律1、猜想。教師：通過上面的分析我們了解到，電荷轉(zhuǎn)移是由于電荷之間的相互作用引起的，那么兩個電荷之間的相互作用力又將遵循怎樣的規(guī)律呢？這可是我們這堂課的重點問題?？茖W(xué)家在研究一個新的課題時，往往先根據(jù)已有的知識和經(jīng)驗，進(jìn)行猜想與假設(shè)，然后再進(jìn)行驗證。那么，同學(xué)們不妨也根據(jù)我們已有的知識和經(jīng)驗，進(jìn)行聯(lián)想和類比，猜想一下，兩個電荷之間的相互作用力，可能會同哪些主要的因素有關(guān)？同學(xué)們相互討論一下，把你們認(rèn)為可能相關(guān)的主要因素寫在草稿紙上，等一下我請同學(xué)來回答，要求能說明一下猜想的理由。學(xué)生：電荷量、距離、質(zhì)量、形狀、介質(zhì)、溫度……（中間追問回答距離與電量的同學(xué)，猜想的理由是什么?？梢蕴崾净蛞龑?dǎo)學(xué)生與萬有引力及磁力進(jìn)行類比。）教師：其實這些因素中，有些是可以根據(jù)已有的知識將它排除的，譬如質(zhì)量，它是影響萬有引力的因素，與電荷之間的相互作用力應(yīng)該無關(guān)。另外，我們研究一個新的問題，你認(rèn)為應(yīng)該先從復(fù)雜的情況開始研究，還是先從簡單的情況開始啊？學(xué)生：簡單的情況著手。教師：譬如形狀大小，我們可以先研究規(guī)則的球，最好是小球，甚至小到可以看成一個點，忽略形狀大小的帶電的點，我們稱之為點電荷。又譬如溫度濕度，涉及介質(zhì)或者環(huán)境的因素，我們也可以從最簡單的入手，什么介質(zhì)最簡單??？真空。這樣，我們的猜想就可以歸納為，電荷間的作用力可能與距離和電量有關(guān)。2、教師：下面，我們通過定性的實驗來驗證這一猜想是否正確。介紹并演示：用絕緣絲線懸掛的小球，利用起電機給這個金屬球帶上電。發(fā)現(xiàn)小球擺開一定的角度。（課件展示鋁箔小物體的受力分析圖）受力分析得到小球受到三個力的作用，根據(jù)受力平衡的知識，我們知道，擺角越大反映它們之間的相互作用力就越大。但是，我們面對的是F、R、Q三個變量，同時進(jìn)行研究嗎？學(xué)生：控制變量法。演示：控制電量不變，縮小距離，擺角變大，增大距離，擺角變小。教師：接下來，我們再控制距離不變，改變帶電量。如何改變小球的帶電量呢？學(xué)生：……教師邊分析邊演示：我們可以用不帶電金屬球與之接觸分走部分電荷，減少帶電量，恢復(fù)距離，發(fā)現(xiàn)擺角變小。只與大球的帶電量有關(guān)嗎，我們也可以用一個不帶電的小球分走部分電荷，發(fā)現(xiàn)擺角也變小了，可見電荷之間的相互作用力隨距離的增大而減少，隨電量的減少而減少。同學(xué)們的猜想是正確的。3、庫侖扭秤的介紹：教師：但這才只是一個定性的結(jié)果。要想定量研究，我們應(yīng)該設(shè)計更為精確的實驗。歷史上最早定量研究這個問題的是法國物理學(xué)家?guī)靵觯ㄆ聊怀霈F(xiàn)庫侖頭像和扭秤照片）他設(shè)計了一個非常著名的扭秤實驗，這個實驗裝置看起來雖然簡單，但卻有它巧妙之處，今天就讓我們沿著庫侖當(dāng)年的設(shè)計思路，一起來體會欣賞一番。（1）請看屏幕，這表示兩個帶同種電荷的小球，存在相互排斥力。但相互作用力比較小，不容易直接測量，有什么辦法可以讓力的作用效果更加明顯呢？其實我們在學(xué)習(xí)萬有引力時，有過一個經(jīng)典的例子，還有印象嗎？學(xué)生：卡文迪許扭秤對！所以我們也可以設(shè)計一個T型架，兩端分別是帶電小球和不帶電的平衡重物，再用一根游絲將T型架懸掛起來。這樣電荷之間的作用將使T型架發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動。這是一種轉(zhuǎn)化放大的思路。為了讀出轉(zhuǎn)動的角度，頂端還有一個角度盤，可以很方便地通過角度大小來定量反映作用力的大小。（2）如果我們保持電量不變，依次改變兩球之間的距離，就可以測出相應(yīng)的作用力，從而來進(jìn)行力的大小與距離的關(guān)系研究。（3）為了測量的穩(wěn)定與方便，我們在這個裝置外加上透明的帶刻度的玻璃罩，這就是庫侖當(dāng)年設(shè)計的著名的庫侖扭秤（展示扭秤模型）。這是當(dāng)年庫侖的三組數(shù)據(jù)，第一次，兩球相距36單位距離，測得游絲的旋轉(zhuǎn)角度為36度。第二次，兩球相距18個單位距離，測得游絲的旋轉(zhuǎn)角度為144度。第三次，兩球相距8.5個單位距離，測得游絲的旋轉(zhuǎn)角度為575.5度。教師：同學(xué)們從這三組數(shù)據(jù)中能得出什么結(jié)論來嗎？學(xué)生：……教師：先看前兩組數(shù)據(jù)，你認(rèn)為力與距離之間有什么關(guān)系嗎？學(xué)生：平方反比。教師：第三組數(shù)據(jù)有一定的誤差，庫侖分析可能是漏電的緣故?？茖W(xué)的說，我們不能僅僅依據(jù)三組數(shù)據(jù)做出結(jié)論。但由于庫侖根據(jù)當(dāng)時已有的一些研究成果，堅信電荷之間的相互作用力的大小與萬有引力一樣與距離的平方成反比的關(guān)系，因此，這三組數(shù)據(jù)恰好驗證了他的設(shè)想，結(jié)合更多的實驗成果庫侖最終做出結(jié)論，兩個