《庫(kù)侖定律》教學(xué)設(shè)計(jì)

《庫(kù)侖定律》教學(xué)設(shè)計(jì)一、教學(xué)內(nèi)容分析《庫(kù)侖定律》是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》必修課程必修3模塊中“靜電場(chǎng)”主題下的內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)要求為：“知道點(diǎn)電荷模型。知道兩個(gè)點(diǎn)電荷間相互作用的規(guī)律。體會(huì)探究庫(kù)侖定律過(guò)程中的科學(xué)思想和方法。”本節(jié)內(nèi)容的核心是庫(kù)侖定律，它闡明了帶電體相互作用的規(guī)律，為整個(gè)電磁學(xué)奠定了基礎(chǔ)。因此整節(jié)課的教學(xué)圍繞庫(kù)倫定律展開(kāi)。從定性探究到定量探究。由于中學(xué)階段完成庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)探究比較有難度，在教學(xué)中采用視頻和實(shí)物定性研究向結(jié)合的方式，盡量讓學(xué)生了解和經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，使得到的結(jié)果更具有說(shuō)服力。二、學(xué)情分析學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)萬(wàn)有引力定律，知道引力與距離平方成反比，與質(zhì)量成績(jī)成正比。根據(jù)學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生容易猜測(cè)得到電荷間的作用力與距離為負(fù)相關(guān)，即距離越大，電荷間的作用力越小，而電荷量越大，距離不變時(shí)，作用力越大，容易形成定性的認(rèn)識(shí)。為將這種定性認(rèn)識(shí)建立在嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，要做好演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，根據(jù)懸掛電荷的細(xì)線偏離豎直方向夾角得到靜電力與距離、電荷量的關(guān)系。三、教學(xué)目標(biāo)理解點(diǎn)電荷的概念，知道構(gòu)建理想化物理模型的作用；通過(guò)對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的觀察，了解影響靜電力的因素，提高科學(xué)探究意識(shí)；掌握庫(kù)侖定律的內(nèi)容及其應(yīng)用，體會(huì)探究庫(kù)侖定律過(guò)程中的科學(xué)思想和方法；了解庫(kù)侖定律的探索歷程，體會(huì)庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)思想和方法。四、教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：知道點(diǎn)電荷模型的物理意義及建立點(diǎn)電荷模型的條件；理解庫(kù)侖定律的內(nèi)涵。和適用條件。教學(xué)難點(diǎn)：探究庫(kù)侖定律的科學(xué)思想和方法。五、教學(xué)方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生分別定性和定量探究靜電力的規(guī)律，開(kāi)展探究式教學(xué)活動(dòng)。六、教學(xué)過(guò)程教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容及教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)基于核心素養(yǎng)的設(shè)計(jì)意圖新課引入從同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引說(shuō)明電荷之間存在著相互作用力，再提出疑問(wèn)：電荷之間的作用力會(huì)與什么因素有關(guān)？利用“神奇的橡膠棒”在不同位置對(duì)水流的吸引作用，提出猜想。學(xué)生從橡膠棒對(duì)水流作用猜想電荷之間的作用力會(huì)與什么因素有關(guān)。通過(guò)情境教學(xué)，激起學(xué)生的求知欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，活躍了課堂氣氛，設(shè)置懸念，將學(xué)生引人新課環(huán)節(jié)新課教學(xué)（構(gòu)建理想化模型點(diǎn)電荷）研究表明，帶電體之間是相互作用力除了與他們所帶電荷量和距離有關(guān)。還與他們的形狀和大小有關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生思考怎樣可以突出研究的主要因素，方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。類比“質(zhì)點(diǎn)”構(gòu)建理想化模型“點(diǎn)電荷”。當(dāng)一個(gè)帶電體本身的大小比它與其他帶電體的距離小得多，那么我們?cè)谘芯克c其他帶電體的相互作用時(shí)，就可以把帶電體抽象成一個(gè)點(diǎn)，忽略其形狀與大小。學(xué)生思考影響電荷間相互作用力的因素。類比“質(zhì)點(diǎn)”這個(gè)理想化模型類比點(diǎn)電荷，理解點(diǎn)電荷理想化模型。理解點(diǎn)電荷的概念，知道構(gòu)建理想化物理模型的作用，逐步形成物理觀念。新課教學(xué)（定性實(shí)驗(yàn)）簡(jiǎn)化探究因素后，定性研究靜電力大小與電荷量（q1和q2）距離r的關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置提出問(wèn)題：進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)需要用到什么物理思想？如何通過(guò)該裝置判斷靜電力的大??？如何該改變帶電體的電荷量？進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：用接觸起電的方法分別讓球形導(dǎo)體A和通草球B帶同種電荷，并使球形導(dǎo)體A與通草球B處在同一水平面上。（1）保持電荷量不變，改變r(jià)，觀察擺線偏角的變化。（2）保持距離r不變，改變電荷量，觀察擺線偏角的變化。得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，當(dāng)兩點(diǎn)電荷電荷量一定時(shí)，距離越小，靜電力越大；當(dāng)兩點(diǎn)電荷距離一定時(shí)，電量增加，靜電力越大。學(xué)生在老師的引導(dǎo)下完成問(wèn)答。并根據(jù)控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。學(xué)生在完成老師拋出的問(wèn)題后對(duì)該實(shí)驗(yàn)過(guò)程有更深的認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，猜想實(shí)驗(yàn)結(jié)果。新課教學(xué)（庫(kù)侖扭秤）根據(jù)我們的定量實(shí)驗(yàn)，電荷之間的作用力隨著電量的增大而增大，隨著距離的增大而減小，這使我們猜想到，電荷之間的作用力是否與萬(wàn)有引力具有相似的形式呢？引入物理學(xué)史，事實(shí)上，在很早以前，一些學(xué)者也是這樣猜想的，卡文迪許和普里斯特利等人都確信“二次方成反比”規(guī)律適用于電荷間的作用力.但是僅靠一些定性的實(shí)驗(yàn)，不能證明這種結(jié)論而這一猜想被庫(kù)侖所證實(shí)，庫(kù)侖在探究三者之間的定量關(guān)系時(shí)，遇到了三大困難：①帶電體間作用力小，沒(méi)有足夠精密的測(cè)量?jī)x器。②沒(méi)有電量的單位，無(wú)法比較電荷的多少。③帶電體上電荷分布不清楚，難以測(cè)量電荷間距離。同學(xué)們，如果是你，你能想到用什么方法來(lái)解決這些困難?引導(dǎo)學(xué)生用類比的方法得出三大困難的解決對(duì)策：卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)——庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)①放大思想：力很小，但力的作用效果(使懸絲扭轉(zhuǎn))可以比較明顯②轉(zhuǎn)化思想：力的大小正比于懸絲扭轉(zhuǎn)角，通過(guò)測(cè)定懸絲扭轉(zhuǎn)角度倍數(shù)關(guān)系即可得到力的倍數(shù)關(guān)系；引進(jìn)理想化模型點(diǎn)電荷；電荷的均分思想。聆聽(tīng)教師介紹庫(kù)侖的研究歷程，針對(duì)定量實(shí)驗(yàn)中遇到的三大困難問(wèn)題，結(jié)合自己已有知識(shí)，思考解決辦法。學(xué)生積極參與討論、思考，大膽提出實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)構(gòu)想：懸絲扭轉(zhuǎn)、利用完全相同的帶電體平分電量、利用刻度尺間接測(cè)量距離等在理論教學(xué)中增添物理學(xué)史的知識(shí)，一方面增強(qiáng)了課程的豐富性和趣味性，另一方面讓學(xué)生真正走進(jìn)科學(xué)，了解和體會(huì)科學(xué)探索的艱辛歷程，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)勇于科學(xué)探索的精神利用已有的知識(shí)進(jìn)行類比和巧妙遷移，幫助學(xué)生迅速接受并掌握新知識(shí)不斷滲透物理學(xué)的科學(xué)研究辦法，使學(xué)生在對(duì)比理解中鞏固科學(xué)思想，加深認(rèn)識(shí)，有利于真正認(rèn)識(shí)到物理研究的內(nèi)涵學(xué)生在完成探究的過(guò)程中，不但能學(xué)到知識(shí)和探索的方法，體驗(yàn)到探索的樂(lè)趣，還能認(rèn)識(shí)到探索自然科學(xué)規(guī)律必須采取認(rèn)真細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度新課教學(xué)（定量實(shí)驗(yàn)）觀察與思考：如圖所示，在干燥的環(huán)境中，高精度電子秤上有兩塊金屬圓片A、B固定在兩個(gè)輕質(zhì)絕緣支架上，下支架放在電子秤檢測(cè)臺(tái)面上，上支架等距貼上紅色紙圈，再穿過(guò)固定支架的小孔。下支架放在電子秤檢測(cè)臺(tái)面上，將電子秤的示數(shù)歸零。將A、B兩塊金屬圓片正對(duì)距離調(diào)為d，然后用起電機(jī)讓兩塊金屬圓片帶上相同的電量（設(shè)為q），通過(guò)讀出電子秤的示數(shù)經(jīng)過(guò)單位換算便可得到B對(duì)A的靜電力的大小。實(shí)驗(yàn)一：保持電量不變，把A、B兩塊金屬圓片的距離定量增大，通過(guò)讀取電子秤示數(shù)，經(jīng)過(guò)單位換算便可得到B對(duì)A的靜電力的大??；探究變量距離實(shí)驗(yàn)二：保持A、B兩塊金屬圓片的距離為d，逐次用另一相同且不帶電的金屬圓片C與A接觸，使A的電量依次減半，通過(guò)讀取電子秤的示數(shù)，經(jīng)過(guò)單位換算便可得到B每次對(duì)A的靜電力的大??；靜電力電量實(shí)驗(yàn)三：保持A、B兩塊金屬圓片的距離為d，逐次用另一相同且不帶電的金屬圓片D與B接觸，使B的電量依次減半，通過(guò)讀取電子秤的示數(shù)，經(jīng)過(guò)單位換算便可得到B每次對(duì)A的靜電力的大??；靜電力電量學(xué)生將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄到表格中，學(xué)生通過(guò)觀察表格數(shù)據(jù)，進(jìn)行描點(diǎn)作圖。運(yùn)用自己的數(shù)學(xué)知識(shí)分析，自行推導(dǎo)擬合出電荷間相互作用的靜電力與電量之間和距離之間的定量關(guān)系本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)：①精度高、由于電量的限制，庫(kù)侖力一般十分微弱，利用精度為0.0001g的電子分析天平可精確測(cè)量.②反應(yīng)快.靜電實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電量會(huì)逐漸減少，快速得到數(shù)據(jù)非常重要.該方案不需要調(diào)節(jié)待測(cè)物體的平衡，五組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在40s內(nèi)即可完成.得出結(jié)論（庫(kù)侖定律）庫(kù)侖定律：在真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力，其大小與它們的電量、的乘積成正比，與它們之間距離的二次方成反比。作用力的方向在它們的連線上。大?。红o電力常量：N·m2/C24、理解：（1）適用條件：適用于計(jì)算真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷間的相互作用力。如果兩電荷間的距離趨于零，則電荷不能視為點(diǎn)電荷，因此不能根據(jù)庫(kù)侖定律得到庫(kù)侖力無(wú)窮大的結(jié)論。（2）點(diǎn)電荷的電性有正負(fù)之分，但在計(jì)算靜電力的大小時(shí)，可用所帶電量的絕對(duì)值進(jìn)行計(jì)算。靜電力的方向在兩點(diǎn)電荷的連線上，再根據(jù)電荷的電性來(lái)判斷是吸引力還是斥力。（3）當(dāng)一個(gè)點(diǎn)電荷受到多個(gè)點(diǎn)電荷的作用時(shí)，可以根據(jù)力的獨(dú)立作用原理并通過(guò)力的合成求出合力。跟讀理解，結(jié)合前面實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論，進(jìn)一步根據(jù)定律描述記憶庫(kù)侖力的表達(dá)形式學(xué)習(xí)理解點(diǎn)電荷概念。培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)歸納能力，抓住定律的要點(diǎn)內(nèi)涵應(yīng)用量綱法解決問(wèn)題突出本節(jié)的易錯(cuò)點(diǎn)：適用條件在將數(shù)學(xué)知識(shí)應(yīng)用在解決物理問(wèn)題時(shí)，不能簡(jiǎn)單進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，還要結(jié)合物理量實(shí)際的物理意義分析結(jié)論?？偨Y(jié)與提升本節(jié)課我們猜想了影響電荷間相互作用力的因素，通過(guò)構(gòu)建理想化模型點(diǎn)電荷簡(jiǎn)化了探究實(shí)驗(yàn)，領(lǐng)略了科學(xué)先驅(qū)探索和發(fā)現(xiàn)庫(kù)侖定律的曲折歷程，學(xué)習(xí)了庫(kù)侖在定量探究中的類比思想、放大思想和均分思想，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了電荷間相互作用力與電量和距離間的關(guān)系，得到了庫(kù)侖定律。學(xué)生在老師的引領(lǐng)下迅速回顧本節(jié)課的知識(shí)內(nèi)容，強(qiáng)化記憶重點(diǎn)和難點(diǎn)通過(guò)總結(jié)讓學(xué)生達(dá)到鞏固知識(shí)，提升課堂效果的目的課后習(xí)題：例題：．氫原子由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成，根據(jù)經(jīng)典模型，電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng)，軌道半徑讓是．已知質(zhì)子的質(zhì)量為，電子的質(zhì)量為，萬(wàn)有引力常量為．（1）電子受到質(zhì)子的靜電力和萬(wàn)有引力的大小。（2）在研究微觀物質(zhì)的相互作用力時(shí)，在庫(kù)侖定律和萬(wàn)有引力定律中，哪一種力可以被忽略呢？請(qǐng)說(shuō)明理由。（1）電子受到質(zhì)子的靜電力：；電子受到質(zhì)子的萬(wàn)有引力：；（2）電子受到質(zhì)子的靜電力與萬(wàn)有引力之比：；答疑習(xí)題：1、兩個(gè)半徑為R的金屬球，球心間距離為r＝3R，帶電荷量均為q，它們之間的庫(kù)侖力F＝keq\f(q2,r2)，對(duì)嗎？答案兩個(gè)規(guī)則的帶電球體相距比較近時(shí)，不能被看作點(diǎn)電荷，此時(shí)必須考慮電荷在球上的實(shí)際分布．若帶同種電荷時(shí)，如圖(a)，由于排斥，電荷分布于最遠(yuǎn)的兩側(cè)，電荷中心距離大于r，此時(shí)F<keq\f(q1q2,r2)；若帶異種電荷時(shí)，如圖(b)，由于吸引，電荷分布于最近的兩側(cè)，電荷中心距離小于r，此時(shí)F>keq\f(q1q2,r2).2、關(guān)于元電荷和點(diǎn)電荷的說(shuō)法正確的是()A．元電荷就是點(diǎn)電荷B．質(zhì)子就是元電荷C．點(diǎn)電荷一定是電荷量很小的電荷D．兩個(gè)帶電的金屬小球，不一定能將它們作為電荷集中在球心的點(diǎn)電荷處理答案D解析元電荷是最小的電荷量，而點(diǎn)電荷是一種理想化的物理模型，二者不是同一物理概念，故A錯(cuò)誤；元電荷是最小的電荷量，不是質(zhì)子，故B錯(cuò)誤；點(diǎn)電荷是將帶電物體簡(jiǎn)化為一個(gè)帶電的點(diǎn)，帶電體能不能看作點(diǎn)電荷，不是看帶電體的體積大小和電荷量大小，而是看帶電體的大小相對(duì)于帶電體間的距離能不能忽略不計(jì)，即兩個(gè)帶電體的大小和形狀對(duì)它們之間相互作用力的影響能不能忽略不計(jì)，所以即使體積很大的帶電體也可能看作點(diǎn)電荷，即使是電荷量很小的電荷也不一定能看作點(diǎn)電荷，兩個(gè)帶電的金屬小球，不一定能將它們作為電荷集中在球心的點(diǎn)電荷處理，故C錯(cuò)誤，D正確．3、兩個(gè)完全相同、可看作點(diǎn)電荷的金屬小球a和b分別帶有等量異種電荷，被固定在絕緣水平面上，這時(shí)兩球間庫(kù)侖引力的大小為F，現(xiàn)用一個(gè)不帶電的、相同的金屬小球c先與a球接觸，再與b球接觸，則a、b兩球間的庫(kù)侖力大小為()A.eq\f(1,8)F B.eq\f(3,8)FC.eq\f(1,4)F D.eq\f(1,2)F答案A解析原來(lái)a球和b球之間是庫(kù)侖引力，a和b帶等量異種電荷，設(shè)a帶正電荷＋Q、b帶負(fù)電荷－Q，a、b間的距離為r.原來(lái)a和b之間的庫(kù)侖引力大小為F＝keq\f(Q2,r2)，第三個(gè)不帶電的金屬小球c與a接觸后，a與c的電荷量都為＋eq\f(Q,2)，c與b接觸時(shí)總電荷量平分，則c、b分開(kāi)后所帶電荷量均為－eq\f(Q,4)，這時(shí)，A、B兩球之間的庫(kù)侖力的大小F′＝keq\f(\f(Q,2)·\f(Q,4),r2)＝eq\f(F,8)，故A正確．4、．如圖所示，在一條直線上有兩個(gè)相距的點(diǎn)電荷、，帶電，帶電．現(xiàn)引入第三個(gè)點(diǎn)電荷，恰好使