《库仑定律》教学设计071

《库仑定律》教学设计【教学任务分析和设计思想】

1、库仑定律是静电学的重要知识，是学习电场强度的基础，按大纲要求属于理解级的学习水平，本节课只对定律进行简单的应用

2、本节课的演示实验对学生建立电场概念可起到重要作用，应做好这一实验演示，为电场概念的教学打下基础（由于效果问题我采用了动画和图片）

3、电荷间相互作用力的平方反比规律具有极为重要的意义，利用其与万有引力定律相似的特点进行类比推理，这是物理学的重要研究方法之一，以及实验研究过程中的控制变量的设计思想，在教学中应作适当说明

4、点电荷是一个理想化的模型，教学中应让学生了解这一研究方法及其重要意义，知道求解复杂带电体间作用力的基本原则

5、扭秤实验的设计思想是物理学史上的重要实验思想，通过本部分知识的介绍，应让学生了解转化、放大，以及处理电荷电量问题上的采用的守恒、对称思想在物理实验中的重要性

6、库仑定律有着丰富的培养学生人文素养的物理学史的题材，涉及库仑定律运用的问题也很多，本节课出于从提高学生学习兴趣和培养学生科学素养的考虑，教学过程中有意让学生循着科学家的思维方法和探索途径来“发现”规律，从而受到科学研究方法的熏陶，因而偏重于对规律形成过程的教学和对定律的理解，并适当顾及解题应用【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、提出问题一猜想与假设——实验验证一一得出结论一~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】创设情景-------------提出问题--------------猜想假设--------------------定性探究反思评价卜_应用分析]~得出结论『库仑扭秤实验【教学过程设计】

（一）、创设情景，提出问题师这就是我们熟悉的静电起电机在两极之间能产生高达上万伏的电压，哪位勇敢的同学能自告奋勇上来试一试？师:（边叫学生演示边讲）请大家注意观察两小球之间会有什么现象.演示静电起电机高压放电师看到了吗象什么？生闪电师谢谢这位同学，现在让我们观察一下大自然的闪电.展示自然界中的闪电现象师为了研究闪电和刚才实验中的电现象本质是否一样,初中时介绍过这样一位科学家，他冒着生命危险做了著名的风筝实验,大家还记得他是谁吗？生富兰克林.师对,那么从这堂课开始我们将在初中的基础上进一步研究电现象,首先请大家先回忆一下下面这些电学知识.展示初中的电学内容对学生的回答在必要的地方进行重复!!师现在老师手上的物体是不带电的，那里面有电荷吗？生有师为什么不显电性呢？生正负中和师对,里面的正负电荷数量相等.谁有办法让这不带电的物体带电呢？生摩擦演示丝绸和PVC管摩擦师（边演示边讲）现在老师用丝绸和PVC管摩擦,看到带电了吗？生没有师怎样判断是否带电了.生会吸引轻小的物体.师那我们就试试能不能吸引轻小的物体请大家仔细观察这些小纸片.演示PVC管吸引小纸片.生哦.师我们把刚才的起电方式叫摩擦起电”板书”摩擦起电”师摩擦起电是不是我们创造了电荷？生不是师为什么却带电了呢？生电荷的转移师对，摩擦起电的本质不是创造了电荷，而是电荷的转移板书电荷的转移师我们在实验室总不能老是用吸引轻小物体来检验带电啊!我们必需用一种仪器,老师现在带了一种.这叫什么仪器？生验电器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一控制变量法，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a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F=mg-tga,即a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a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1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Foe2,Foe—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r学生活动阅读资料并得出——把静电力与万有引力类比，从而获得启示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，F a〜

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一~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Foe1＞基本上验证了F与r之间的平方反比2±

0.04K关系r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3X10T6,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1/2,1/4,1/8,1/16等的电荷，从而顺利的验证得出FocQ Q思想方法守恒、对称2

（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F=kQQjr2学生活动，阅读教材，教师点拨归纳

1、Qi、Q2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，后来测得左=

9.0*19M桃2/

24、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一一带电的几何点

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）、巩固与应用分析相互作用力左夕闯:

9.0x10*1*1=9乂］丫209学生活动:例

1、两个点电荷的带电量名=%=1C,相距尸=1根，且静止于真空中，求它们之间的教师说明这时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Qi=lC,Q2=-2C的电荷，在真空中相距r时，相互作用力为F

①今将Qi、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

1、复习整理

2、课本、

4、5P

12033、查找库仑定律的历史资料、综述库仑扭秤实验的原理和思想方法（限时3天）（搜索引擎百度，google；关键词库仑定律，库仑扭秤实验）

4、预习新课附录（课前预先发给学生阅读的有关库仑定律建立的历史背景资料）库仑定律的发现和验证库仑定律的发现和验证是类比推理的产物18世纪中叶，牛顿力学已经取得辉煌胜利，人们借助于万有引力的规律进行类比推理，对电力和磁力作了各种猜测，其中比较有影响的有德国柏林科学院院士爱皮努斯1759年对电力作了研究，他假设电荷之间的斥力和引力随带电物体的距离的减小而增大，于是对静电感应现象作出了更完善的解释1760年，D•伯努利也猜测电力会不会跟万有引力一样，服从平方反比定律？美国化学普利斯利在做了空罐实验（也叫冰桶实验）后，于1767年在《电学历史和现状及其原始实验》一书中写到“难道我们就不可以从这个实验得出结论电的吸引与万有引力服从同一定律”普利斯利的这一结论并不是凭空想像出来的，而是类比推理得到的苏格兰科学家罗比逊对爱皮努斯的猜测很感兴趣，就设计了一个杠杆装置，测出了电力和距离的关系，约为fz—其中3=

0.06,为指数偏差罗比逊认为，指数偏大原因应归于实验12+d误差，由此得出结论，电力服从平方反比定律卡文迪许于1773年用两个同心金属球壳设计了一个巧妙的实验装置，进行了同心金属实验,经过多次重复实验，确定电力服从平方反比定律，指数偏差不超过002卡文迪许成功的关键在于掌握了牛顿万有引力定律这理论武器，通过数学推理，将直按测量变为间接测量，并且用上了示零法精确判断结果可惜他的实验结果和结论没有及时公开发表，直到1810年他去世时，手稿仍在自己身边，这样他就与定律的冠名失之交臂库仑在研究电力时也是把它跟万有引力类比，事先建立了平方反比的概念，这一思想可从史料中反映出来，库仑结合前人经验发明了扭秤（库仑扭秤），并且扭秤精确地测量了电力与距离的关系，若用反比表示，其指数偏差可达

0.04（要比卡文迪许测的指数偏大一倍），他在类比推理思想的支配下，并结合实验误差分析，库仑推断应服从平方反比关系，从而建立了库仑定律从库仑定律的发现经过，我们可以看到，类比推理在科学研究中所起的作用是多么巨大如果不是先有万有引力定律的发现，单靠具体实验数据的积累，不知何年才能得到严格的库仑定律表达式。