《探究电荷相互作用规律》教学设计
【教学目标】
知识与技能：知道点电荷的概念，理解带电体简化为点电荷的条件；理解真空中的库仑定律，知道静电力常量；会运用真空中的库仑定律分析与求解点电荷间的静电力大小及方向。
过程与方法：通过点电荷模型的建立，体验理想化方法在物理研究中的作用；通过定性实验及库仑的研究过程，体验和感悟类比、理想化方法及实验探究等物理学的基本研究方法与思想。
情感态度价值观：通过对库仑定律发现过程的初步了解，体会科学研究的长期性与连续性，体会科学家坚忍不拔的科学精神及实事求是的科学态度；通过对库仑扭秤的结构与原理的认识，通过库仑定律的简洁表达式体会物理科学的简洁美；通过对库仑定律与万有引力定律的比较，体会物理规律的多样性与统一性的和谐，感悟物理学的和谐美。
【教学重点】
库仑定律的表达式及建立过程
【教学难点】
点电荷概念的建立及库仑定律的运用
【教学资源】
实验器材：起电机，通草球，细丝线，铁架台，库仑扭秤等。
课件：库仑扭秤结构、原理及实验PPT。
【教学过程】
一、情境创设——引入课题
1.教师讲述，提出问题：我们知道，电荷间存在相互作用的静电力，同种电荷相互推斥，异种电荷相互吸引。那么，电荷间的静电力的大小及方向与哪些因素有关系？有什么样的关系？
2.组织学生思考讨论：想想看，物体间的万有引力与那些因素有关系？有什么关系？
3.引导学生提出猜测：应该与两带电体的电量及它们间的距离有关系。
二、实验探究，验证猜测——新课教学
1.问题讨论：将质量一定的小球用细线静悬空中，在小球上作用水平拉力，使细线偏离竖直位置一定角度后，小球静止。请导出水平拉力与细线偏角的关系式，说说拉力大小与偏角大小的定性关系。
（水平拉力越大，偏角越大。偏角的大小与水平拉力的大小相对应。）
2.实验演示——验证猜测：运用课本第11页图1-8所示装置及课文所述步骤进行演示。
3.分析讨论，得出结论：两个带电体相互作用的静电力大小与带电体所带电量及它们间的距离有关。在距离一定时，带电量越大，静电力越大，带电量越小，静电力越小；在带电量一定时，距离越大静电力越小，距离越小静电力越大。
4.类比猜测：
（1）将上述关于静电力大小的初步结论与万有引力比较，看二者有哪些相似之处？
（2）引导学生比较归纳静电力与万有引力的相同之处：不需直接接触，就会发生力的作用；力的方向沿两物体的连线；力的大小随距离增大而减小，随距离减小而增大。
（3）运用类比——提出猜想：万有引力的大小与两物体距离平方成反比，与此类似，静电力的大小也可能与两带电体间的距离平方成反比。
三、历史的回顾：定量探究——库仑的研究
1.人类研究静电现象的历史简介：
教师讲述：人类认识静电现象，最早的记载是古希腊哲学家泰勒斯（公元前600年左右，略早于中国孔子的生活时代）发现了当时的希腊人摩擦琥珀吸引羽毛。在中国，西汉末年已有“顿牟（玳瑁）掇芥（细小物体之意）”的记载；晋朝时有关于摩擦起电引起放电现象的记载：“今人梳头，解著衣时，有随梳解结有光者，亦有咤声”。公元16世纪英王御医吉尔伯特在研究静电现象时，首先根据希腊文“琥珀”创造了英文中的“电”这个词。但对静电现象的科学研究却开始于2000年后的18世纪，其主要原因，一是当时的社会发展水平尚未出现对“电”的需求，二是科学技术水平落后，无法对研究提供知识、技术和设备支持。
2.人类研究静电现象时遇到的主要困难：
（1）学生阅读课本第11页课文“定量研究的困难”部分。
（2）引导学生归纳出三个困难：一是一般物体的带电量较小，静电力非常小，没有精密仪器测量非常小的力；二是没有电量的单位，无法衡量和控制电荷的多少；三是物体有一定的大小和形状，电荷在物体上的分布情况不清楚，不好确定两带电物体之间的距离。
（3）教师讲述：对静电力的科学研究，关键是上述问题的解决，谁能解决上述问题，谁就能取得研究的成功。
3.静电力的科学研究之路：
（1）学生阅读课本第14页“信息浏览”了解库仑之前科学家的研究。
教师讲述：受万有引力定律的启示，在库仑之前先后有科学家提出并验证静电力与距离的平方反比定律，不知是出于谦虚还是其他原因，他们当时未公开自己的成果。
（2）学生阅读课本第12页，并思考问题：在当时的科技水平下，库仑是怎样克服以上三个困难的？
（3）出示库仑扭秤，同时展示库仑扭秤原理PPT课件，组织学生讨论上述问题。
（4）归纳小结，得出结论：
根据扭丝的灵敏扭转形变，巧妙显示横杆的偏转角度，用角度的大小表示静电力的大小，实现了对微小力的测量；
依据电荷只分布在金属球的表面及对称原理，库仑用“倍减”的方法，使金属球的带电量成倍变化，实现了对电量变化的控制；
库仑将金属球的电量想象成集中在球心这一点上，忽略金属球的大小和形状，建立起了“点电荷”模型，克服了带电物体间的距离不好确定的困难。
4.库仑的研究结果
教师讲述：1784年库仑根据他长期对金属线扭力进行实验研究的经验，结合上述方法，制造出了“库仑扭秤”。1785年成功证实了静电力的平方反比规律。
（1）静电力与距离的关系：引导学生研究课本第13页“库仑当时得到的一些数据”，提示学生，由于使用偏转角度来表示静电力大小的，因此数据中的“ 转角比”表示的就是静电力之比，得出初步结论——静电力大小与距离平方成反比。
（2）在保证距离一定的情况下，库仑验证了静电力大小与其中的一个带电体的电量成正比；依据牛顿第三定律，运用类比，提出静电力的大小也与另一带电体的电量成正比
（3）1785年，库仑公布了它关于静电力的研究成果，后世称为“库仑定律”。
5.库仑定律
（1）内容：
引导学生总结归纳：真空中两个静止的点电荷之间相互作用力的大小，跟它们的电荷量q1、q2的乘积成正比，跟它们距离r的平方成反比，作用力的方向沿着它们的连线。用公式表示为：
（2）静电力常量k：
教师讲述：公式中的k称为静电力常量，若静电力、电荷量、距离的单位分别为牛（N）、库（C）、米（m），则：。
历史上，还是在库仑的研究结果公布之前，英国科学家卡文迪许就测出了这一常量，它测出的数值，与用现代精密设备及手段测出的数字几乎一样。
（3）适用条件：
教师讲述：真空中静止的点电荷。
学生阅读课本第12页左下角“旁批”并与质点对比，理解什么是点电荷及实际的带电物体简化为点电荷的条件。
教师讲述：点电荷是理想模型，是对具有一定大小和形状的带电体在一定条件下忽略其大小和形状的一种理想化简化处理。按这一简化，带电物体就成了带电的几何点。
实际的物理现象都比较复杂，影响物理现象的因素较多，其中有些因素其主要的作用，决定着物理现象的方向与进程，有些因素则起次要的作用，对物理现象不是起决定作用，忽略它们，不会影响物理现象的本质。研究物理现象时，为简化研究过程，得出简介的结论，科学家采用忽略次要因素，抓住主要因素的方法，这一方法就是理想化方法。运用理想化方法对物理现象中的物体、过程进行简化，建立起的理想化物体、理想化过程，就是物理模型。如质点、匀速直线运动、 点电荷都是理想模型。
（4）库仑定律的历史意义：
教师讲述：奠定了电磁现象定量研究的基础，开辟了电磁研究的量化时代，是经典电磁理论体系建立和完善的基础。
6.思考讨论：
案例1.由库仑定律公式可以推出：当两带电体的距离非常小，小到接近零时，它们间的静电力将无穷大。这一结果对吗？为什么？
组织学生从库仑定律的适用条件及点电荷概念，进行分析讨论，得出结果：不对，当两带电物体的距离小到接近零时，它们不能被简化成点电荷，这时它们之间的静电力不能运用库仑定律计算。
教师讲述：任何物理规律都有适用条件和范围，运用物理规律，先要分析规律的适用条件；运用物理规律的数学表达式分析物理现象时，要考虑式中各量的物理意义，不能仅从数学量的关系进行分析。
四、交流评价——归纳总结
1.教师讲述：
（1）定量研究静电力的科学方法：类比猜测与定量研究。
定量研究是对理论探究结果或科学假设的验证，而类比是提出科学假设的有效方法之一。所谓类比，就是寻找比较接近的事物或现象间的相同之处。德国哲学家康德说过：“每当理智缺乏可靠的论证思路时，类比这个方法往往指导我们前进。”这是对类比在科学研究中的地位与作用的精辟论述。
（2）库仑定律的运用：对于真空中或空气中静止的两个带电物体，当它们自身的大小和形状（线度）相比于它们间的距离可以忽略时，它们可以被简化成点电荷，可用库仑定律分析求解它们之间相互作用的静电力大小和方向。运用公式计算静电力大小时，只代入电量的绝对值计算出静电力的大小，然后按“同种电荷相推斥，异种电荷想吸引”的原则，在两点电荷连线上确定出每个带电体所受静电力的方向。当空间有多个电荷时，可按照上述方法分别确定出各电荷对某一电荷的静电力，然后运用平行四边形法则确定该电荷所受静电力的合力。
（3）库仑定律建立的意义：从库仑定律的建立过程可以看出，社会的生产力、科技发展的需求是科学研究的动力，科技与生产力的发展水平制约着科学研究的进程；在比较低下的科技及生产力水平下，科学家正是依靠坚忍不拔的科学精神和创造性思维，独辟蹊径，突破各种困难取得科学研究的突破；科学研究的突破对科技、生产力及人类思想的进一步发展又会产生巨大的推进作用。
2.案例研究：
案例2：课本第13页“案例分析”
3.练习与讨论：
（1）课本第15页“家庭作业与活动”1
（2）课本第15页“家庭作业与活动”2
4.教师讲述：在同距离时，两带电物体间的静电力远大于万有引力，在研究微观粒子间的相互作用时，常忽略它们间的万有引力。这也是抓主要矛盾，无论在科学研究还是生产生活中，合理取舍，抓主要矛盾，往往是成功的关键。
5.阅读课本第14页“多学一点”，了解如何计算介质中静电力。
【布置作业】
1.复习课文，书面完成课本第15页“家庭作业与活动”3——5
2.查阅有关资料，撰写小论文《库仑与库仑定律》
3.预习课文《静电与生活》，查阅资料了解静电的利与弊及人类在生产生活及科研中对于静电是如何趋利避害的。
【板书设计】
探究电荷相互作用规律
定量研究静电力的困难
库仑解决困难的方法
库仑定律
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