粤教版高中物理选修3-1：《探究静电力》教案3-新版

1.2 探究静电力

【教学目标】

1、知识与技能：

①、了解库仑定律的建立过程和相关的物理学史。

②、知道点电荷的物理意义。

③、理解真空中的库仑定律以及适用条件。

④、知道静电力常量k的物理意义、数值和单位。

⑤、会用库仑定律解决涉及点电荷静电力计算的简单问题。

2、过程与方法

①、提出问题——猜想与假设——实验验证——得出结论——反思评价

②、控制变量的科学研究方法，理想化模型、放大、转化、类比、以及对称、守恒的思想方法。

3、情感态度与价值观

利用库仑定律建立的过程以及相关的物理学史培养学生的科学素养。

【重点】库仑定律的建立过程对库仑定律的理解和应用。

【难点】探究库仑定律的定性演示和库仑扭秤实验的验证过程。

【教学准备】多媒体课件、静电力演示器材、有关库仑定律建立的历史背景资料

【教学流程】

【教学过程设计】

（一）、创设情景，提出问题

我们已经学习了电荷、静电感应、电荷守恒的初步知识，现在再来看一个演示实验。

演示实验：用毛皮摩擦过的橡胶棒使验电器张开。

设问一：这个想象说明什么？验电器的工作原理是什么？

学生：电荷之间存在相互作用，同种电荷相斥、异种电荷相吸。

动画演示：电荷间的相互作用。

设问二：那么带电体相互吸引和排斥的力有多大？猜想一下带电体间的作用力与哪些因素有关呢？

（二）、猜想假设，设计方案，定性探究

学生猜想：电荷量、距离、形状、体积、质量等。

设问：到底是怎样的关系呢？如何验证你的想法？

交流对话：指导学生得出验证实验的设计思想——控制变量法，研究作用力跟某一因素的关系时，要先控制其它因素不变。这是实验设计的精髓。

动画演示一：电量不变，改变带电体间距离，观察小球悬线偏离竖直方向的夹角α随距离的变化情况。

实验分析与思考：偏角大小与电荷间作用力大小有何关系？

分析得出αtg mg F ?=，即α越大，F 就越大。F 随间距r 的增大而减小。 动画演示二：保持距离不变，观察偏角α随电荷量变化的情况。

学生活动，归纳得出：①两电荷间的作用力随距离增大而减小；

②两电荷间的作用力随电量的增大而增大。

（三）、库仑的猜想和库仑扭秤实验

设问：以上研究的还只是定性的关系，两电荷的相互作用力与电荷量Q 、间距r 到底有怎样的定量关系呢？请你猜测一下。

学生讨论、猜想：最好是最简单的正比和反比关系。

启发与设问：18世纪法国物理学家库仑也研究了这个问题，他的猜想是2

1,r F Q F ∝∝ 你知道他为什么会这样猜想的？请根据相关资料说明你的观点。

设问：是否只有库仑首先有这种猜想？

学生：其实这一点在他以前已有科学家猜到了，比如爱皮努斯、伯努利、普利斯利、卡文迪许等，库仑的重要贡献在于，用他制作的十分精细灵敏的扭秤装置验证了这个猜想。

库仑扭秤实验的验证过程：（投影与解说）

1、结构简介。

2、如何解决力的准确测量？

①操作方法，力矩平衡：静电力力矩＝金属细丝扭转力矩，θ~F

②思想方法：放大、转化

3、F 与r 关系的验证。

①设计思想：控制变量法——控制Q 不变

②结果：库仑精确地用他的扭称实验测量了两个带电小球在不同距离下的静电力，证实了自己的猜测。若用平方反比关系表示，指数偏差可达±0.04，即04.021

±∝r F ，基本上验证了F 与r 之间的平方反比关系。

库仑的实验又带有直观性和定量性质，发表之后就广泛流传并为科学界所接受，称之为库仑定律。

③后续研究：鉴于库仑总结出二次方反比定律所依据的实验精确度不高，而库仑定律是电磁学的基本定律，是否精确地满足二次方反比关系，又至关重要，所以从1785年库仑定律发表以后直到现代，科学家一直设法检验距离r 的方次与“2”之间究竟有多大偏差，1971年的实验表明，这个偏差如果有，也不会大于3×10-16，可见，库仑定律是一个经过实验检验的精确度极高的物理定律。

4、如何解决电量测量问题？

设问：该实验的精髓在于控制，库仑先控制电量不变，研究了F 与r 的关系；再控制r 不变，要研究F 与电量Q 的关系，又遇到了困难，因为在当时电量单位还未确定还无法测量电量，那么库仑又该如何定量的比较一个带电体所带的电量呢？

原来库仑已认识到，两个完全相同的金属小球，一个带电、一个不带电，两者相互接触后电量被两球等分，各自带有原有总电量的一半。这样库仑就巧妙地

解决了这个问题，用这个方法依次得到了原来电量的16/18/14/12/1，，，

等的电荷，从而顺利的验证得出21Q Q F ?∝

思想方法：守恒、对称。

（四）、理解库仑定律

投影库仑扭秤实验得到的结论：库仑定律

在真空中两个点电荷间的作用力跟它们的电量的乘积成正比 , 跟它们间距离的平方成反比 , 作用力的方向在它们的连线上。 公式：221r Q kQ F =

学生活动，阅读教材，教师点拨归纳：

1、Q 1、Q 2是电荷量的绝对值；库仑力的方向：沿连线，同性相斥，异性相吸。

2、库仑力同样具有力的共性，比如遵守牛顿第三定律。

3、k 为静电力常量，后来测得229/100.9C m N k ??=

4、适用条件：真空，点电荷

①点电荷同质点一样也是一个理想化模型——带电的几何点。

②若带电体间的距离比它们自身的尺寸大得多，以至带电体的形状和大小对库仑力的影响可以忽略不计，这样带电体就可以看作点电荷。

③对于任一带电体可以看作由许多点电荷组成，所以若知道带电体的电荷分布，根据库仑定律和力的合成法则可以求出带电体间的静电力的大小和方向。

注：在中学物理的实际应用中，常要把实际带电体等效为点电荷，如把均匀带电小球等效为位于球心的点电荷。

（五）、巩固与应用分析

例1、两个点电荷的带电量C q q 121==，相距m r 1=，且静止于真空中，求它们之间的相互作用力。

N r q kq F 9292211091

11100.9?=???== 学生活动：

教师说明：这时F 与k 在数值上相等，这就是k 的物理意义，即k 在数值上等于两个带电荷量为1库的点电荷，在真空中相距1米时的相互作用力。

例2、（见课本例题：试比较电子和质子间的静电力和万有引力）。教师说明：正因为例题告诉我们的原因，在研究微观带电粒子相互作用时，经常可以忽略万有引力。但对宇宙天体万有引力却是决定性的，决定了它的运动与演化规律。

例3、两个相同的均匀带电小球，分别带有Q 1=1C ，Q 2=－2C 的电荷，在真空中相距r 时，相互作用力为F 。

①今将Q 1、Q 2、r 都加倍，作用力多大？

②只改变两电荷的电性，作用力如何变化？

③只将r 增大2倍，作用力如何变？

④将两个小球接触一下，仍放回原处，作用力如何变化？

⑤为使两小球接触后，静电力的大小不变，两球应如何放置？

学生活动，要求分析并迅速得出：作用力不变；不变；作用力大小变为F/9，方向不变；大小变为F/8，方向由原来的相吸变为相斥；距离变为8

r即可。

（六）、反思评价

知识小结：（略）

我国早在东汉时期就已经掌握了电荷间相互作用的定性规律。

两千年后，法国物理学家库仑借助于扭秤实验定量的研究和验证了电荷间相互作用的规律，得出了库仑定律。

从库仑定律的发现过程，我们可以看出，类比推理在科学研究中所起的作用是多么的巨大。如果不是先有万有引力定律的发现，单靠实验数据的积累，不知何年才能得到严格的库仑定律表达式。

库仑定律和万有引力定律都遵从二次方反比规律，人们至今还不能说明这两个定律为什么如此相似。它们有没有内在的联系，会不会是某一种力的不同的表现形式呢？物理学家还在致力于这方面的研究。

（七）、作业