2021学年2 库仑定律教学设计

这是一份2021学年2 库仑定律教学设计，共11页。教案主要包含了教学目标，核心素养，静电力计算等内容，欢迎下载使用。

课题
库仑定律
单元
9
学科
物理
年级
高二
教材
分析
本节课所采用的教材是人教版高中物理必修3第9章第2节的内容，本节内容的核心是库仑定律，它不仅是电磁学的基本定律，也是物理学的基本定律之-。库仑定律阐明了带电体相互作用的规律，为整个电磁学奠定了基础。
教科书在库仑定律教学的处理上，首先通过“演示”栏目中“探究影响电荷间相互作用力的因素”的定性实验导入。在此基础上，展示库仑定律建立的历史背景。一方面突现类比的方法在该定律建立过程中所起的重要作用；另一方面，库仑的实验是建立该定律的重要基础，该实验结果有力地证实了多位科学家的猜想。所以，本节的教学要特别注意实验教学。
教学目标与核心素养
一、教学目标
1．掌握库仑定律，知道点电荷的概念，并理解真空中的库仑定律。
2．会用库仑定律进行有关的计算。
3. 知道库仑定律的文字表述及其公式表达。通过静电力与万有引力的对比，体会自然规律的多样性和统一性。
4.了解库仑扭秤实验。
二、核心素养
物理观念：明确点电荷是个理想模型。知道带电体简化为点电荷的条件，感悟科学研究中建立理想模型的重要意义。。
科学思维：渗透理想化方法，培养学生由实际问题进行简化抽象建立物理模型的能力
科学探究：通过演示实验，定性了解电荷之间的作用力大小与电荷量的多少以及电荷之间距离大小的关系。
科学态度与责任：通过元电荷的教学，渗透物质无限可分的辩证唯物主义观点。
重点
库仑定律和库仑力的教学。
难点
关于库仑定律的教学。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
“同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引”这句话是用来定性描述电荷间的相互作用的，直到18世纪中叶人们才开始对电荷间的相互作用进行定量的研究。今天就让我们踏着科学家的足迹去定量研究电荷之间的相互力吧！
学生回忆电荷间的相互作用

引起学生对电荷间的相互作用进行定量的研究的兴趣
讲授新课
一、电荷之间的作用力
演示实验：探究影响电荷间相互作用力的因素
实验器材：带正电的带电体A、丝线、带正电的小球、铁架台
实验步骤：（1）带正电的带电体A置于铁架台旁，把系在丝线上带正电的小球先后挂在P1 、P2 、P3 等位置。
（2）带电体A与小球间的作用力会随距离的不同怎样改变呢？
（3）在同一位置增大或减小小球所带的电荷量，作用力又会怎样变化？ 电荷之间作用力的大小与哪些因素有关？
出示图片：库仑定律的演示动画
在学生总结的基础上教师总结
实验结论：通过上面的实验可以看到，电荷之间的作用力随着电荷量的增大而增大，随着距离的增大而减小。
思考：电荷之间的作用力会不会与万有引力 具有相似的形式呢？也就是说，电荷之间的相互作用力， 会不会与它们电荷量的乘积成正比，与它们之间距离的二次方成反比？
卡文迪许和普里斯特等人都确信“平方反比”规律适用于电荷间的力。定量讨论电荷间的相互作用则是两千年后的法国物理学家库仑。他设计了一个十分精妙的实验（扭秤实验），对电荷之间的作用力开展研究。库仑做了大量实验，于1785年得出了库仑定律。
1.库仑定律内容
真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。这个规律叫作库仑定律。这种电荷之间的相互作用力叫作静电力或库仑力。
2.适用条件
严格说，这个定律只适用于真空中的两个静止的点电荷。
说明：实际上对空气中两个静止点电荷，或运动速度不大的两个点电荷也可以用库仑定律它们的静电力。
3.点电荷
(1)当带电体之间的距离比它们自身的大小大得多，以致带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们之间的作用力的影响可以忽略时，这样的带电体可以看作带电的点，叫作点电荷。
(2)点电荷是理想化的物理模型
点电荷是只有电荷量，没有大小、形状的理想化模型，类似于力学中的质点，实际中并不存在。
(3)点电荷只具有相对意义
点电荷是一个相对的概念，一个带电体能否看作点电荷，是相对于具体问题而言的，不能单凭其大小和形状确定。
从宏观意义上讨论电子、质子等带电粒子时，完全可以把它们视为点电荷。
二、库仑的实验
1.库仑的实验
实验装置
库仑的实验装置：库仑扭秤
器材组成
细银丝、绝缘架、带电的金属小球A和C、不带电的小球B
出示图片：库仑扭秤
实验原理：A和C之间的作用力使悬丝扭转，通过悬丝扭转的角度来比较力的大小。
实验方法：控制变量法
实验步骤（1）探究F与r的关系
①装置如图：细银丝的下端悬挂一根绝缘棒，棒的一端是一个小球A，另一端通过物体B使绝缘棒平衡，悬丝处于自然状态。
再次出示库仑扭秤图片
②把另一个带电的金属小球C插入容器并使它接触A，从而使A与C带同种电荷。
③将C和A分开，再使C靠近A，A和C之间的作用力使A远离。扭转悬丝，使A回到初始位置并静止，通过悬丝扭转的角度可以比较力的大小。
④保持A、C的电量不变，改变A和C之间的距离r，记录每次悬丝扭转的角度，就可以找到力F与距离r的关系。
（2）探究F与q的关系
①使一个带电金属小球与另一个不带电的完全相同的金属小球接触，前者的电荷量就会分给后者一半。多次重复，可以把带电小球的电荷量q分为 ······
②保持A、C的距离不变，通过上述方法改变A、C的电量q1、q2，记录每次悬丝扭转的角度，便可找出F与q1、q2的关系。
知识拓展
出示视频：用微量天平做库仑定律实验视频
实验结论
（1）保持A、C电量不变时，F与距离r的二次方成反比 F∝1/r2
（2）保持A、C之间距离不变时，F与 q1、q2 的乘积成正比 F∝ q1q2
综合上述实验结论，可以得到如下关系式：
2.库仑定律的表达式：
（1）式中的k是比例系数，叫做静电常量。
（2）方向：在两点电荷的连线上，同种电荷相斥，异种电荷相吸。
（3）在国际单位制中，电荷量的单位是库仑（C），力的单位是牛顿（N），距离的单位是米（m）。通过实验测定 k 的数值是
k＝9.0×109 N·m2 / C
思考讨论：有人根据推出当r→0时，F→∞，你认为他的说法正确吗？
参考答案：从数学角度分析似乎正确，但从物理意义上分析，这种看法是错误的。因为当r→0时，两带电体已不能看作点电荷，库仑定律及其公式也就不再适用了。
三、静电力计算
库仑是一个非常大的电荷量单位根据库仑定律，两个电荷量为 1 C 的点电荷在真空中相距1m 时，相互作用力是 9.0×109 N。差不多相当于一百万吨的物体所受的重力！
通常，一把梳子和衣袖摩擦后所带的电荷量不到百万分之一库仑，但天空中发生闪电之前，巨大的云层中积累的电荷量可达几百库仑。
1.库仑定律的应用
库仑定律既可以计算库仑力的大小，还可以判断库仑力的方向。当带电体带负电荷时，不必将负号代人公式中，只将电荷量的绝对值代入公式算出力的大小，再依据同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引来判断方向。
【例题 1】在氢原子内，氢原子核与电子之间的最短距离为 5.3×10 -11 m。试比较氢原子核与电子之间的静电力和万有引力。
分析 氢原子核与质子所带的电荷量相同，是 1.6×10 -19 C。电子带负电，所带的电荷量也是 1.6×10 -19 C。质子质量为 1.67×10 -27 kg，电子质量为 9.1×10 -31 kg。根据库仑定律和万有引力定律就可以求解。
解：根据库仑定律，它们之间的静电力
根据万有引力定律，它们之间的万有引力
氢原子核与电子之间的静电力是万有引力的 2.3×1039 倍。可见，微观粒子间的万有引力远小于库仑力。因此，在研究微观带电粒子的相互作用时，可以把万有引力忽略。
2.静电力的叠加原理
（1）如果存在两个以上点电荷，那么，每个点电荷都要受到其他所有点电荷对它的作用力。两个点电荷之间的作用力不会因第三个点电荷的存在而有所改变。
（2）两个或两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力，等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的矢量和。
说明：库仑定律是电磁学的基本定律之一。库仑定律给出的虽然是点电荷之间的静电力，但是任何一个带电体都可以看成是由许多点电荷组成的。所以，如果知道带电体上的电荷分布，根据库仑定律就可以求出带电体之间的静电力的大小和方向。
例如：均匀带电球、均匀带电球壳：对球外空间的点电荷作用，可以等效为电荷集中在球心的点电荷，再用库仑定律求力。
【例题2】真空中有三个带正电的点电荷，它们固定在边长为 50 cm 的等边三角形的三个顶点上，每个点电荷的电荷量都是 2.0×10 -6 C，求它们各自所受的静电力。
一个点电荷所受的静电力
分析：根据题意作图。每个点电荷都受到其他两个点电荷的斥力，因此，只要求出一个点电荷（例如 q3 ）所受的力即可。
解:根据库仑定律，点电荷 q3 共受到 F1 和 F2 两个力的作用。其中
q1 ＝ q2 ＝ q3 ＝ q
每两个点电荷之间的距离 r 都相同，所以
根据平行四边形定则可得
F ＝ 2F1cs 30°＝ 0.25 N
点电荷 q3 所受的合力 F 的方向为 q1 与 q2 连线的垂直平分线向外。
每个点电荷所受的静电力的大小相等，数值均为 0.25 N，方向均沿另外两个点电荷连线的垂直平分线向外。
课堂练习
1.“点电荷”是指_________________________
是一种理想化模型。库仑定律是电磁学的基本定律之一，可表述为：真空中两个静止________之间的相互作用力，跟它们电荷量的乘积成____比，跟它们距离的二次方成_____比，作用力的方向在它们的________上。
答案：当带电体本身的大小和形状对带电体间的作用力影响可忽略不计时；点电荷；正；反；连线。
2.固定的A、B两个点电荷都带负电，相距10cm，今将第三个点电荷C放在A、B之间连线上距A为2cm，C恰好处于静止状态，则A、B两点电荷电量之比QA:QB =______。
答案： 1:16
3.真空中有两个静止的点电荷，若保持它们之间的距离不变，而把它们的电荷量都变为原来的3倍，则两电荷间的库仑力将变为原来的( )
A．7倍 B．8倍 C．9倍 D．10倍
答案：C
4．某同学为了探究影响电荷间相互作用力的因素，进行了以下的实验:M是一个带正电的物体，把系在丝线上的带正电的轻质小球先后挂在P1、P2、P3位置，发现丝线偏离竖直方向的角度逐渐变小，这个实验结果说明电荷之间的作用力（ ）
A．随着电荷量的增大而增大
B．与两电荷量的乘积成正比
C．随着电荷间距离的增大而减小
D．与电荷间距离的平方成反比
答案：C
5. 如图所示，O是一个放置在绝缘支架上的带电小球，P是用绝缘丝线悬挂的另一带电小球。由于它们之间存在相互作用，P静止时悬线与竖直方向成一夹角：现将带电小球O向右移动少许，使O、P间距离减小，当小球P再次静止时，与原来状态比较，悬线与竖直方向的夹角（ ）
A．增大 B．减小C．没有变化
D．如何变化不能确定
答案：A
拓展提高
1.有两个完全相同的金属小球A和B(它们的大小可忽略不计)，分别带电荷量q和5q，当它们在真空中相距一定距离时，A球对B球的斥力为F，若用绝缘手柄移动这两个小球，使它们相接触后分别再放回原处，则它们间的作用力变为（ ）
A．F B．1.8F C．3F D．6F
答案：B
2.如图所示，绝缘轻杆长为L，一端通过铰链固定在绝缘水平面，另一端与带电量大小为Q的金属小球1连接，另一带正电、带电量也为Q的金属小球2固定在绝缘水平面上。平衡后，轻杆与水平面夹角为30°，小球1、2间的连线与水平面间的夹角也为30°．则关于小球1的说法正确的是（已知静电力常量为k）（ ）
A．小球1带正电，重力为Kq2/L2
B．小球1带负电，重力为Kq2/L2
C．小球1带正电，重力为Kq2/3L2
D．小球1带负电，重力为Kq2/3L2
答案：A
3.两个用相同材料制成的半径相等的带电金属小球（可看成点电荷），其中一个球的带电量的绝对值是另一个的5倍，当它们静止于空间某两点时，静电力大小为F。现将两球接触后再放回原处，则它们间静电力的大小可能为（ ）
A．7/5 FB．4/5 FC．11/5 FD．9/5 F
答案：BD
阅读课文说出实验器材了解实验步骤
观看库仑定律的演示动画并总结实验结论
学生思考
学生记忆库仑定律内容并说出它的适用条件
阅读课文记忆了解点电荷
阅读课文观察库仑扭秤的组成、原理、步骤，了解实验中应用的控制变量法
通过实验总结实验结论
学生思考讨论
在老师的引导下学生分析计算
阅读课文了解
静电力的叠加原理
在老师的引导下学生分析计算
学生练习
为掌握本实验做铺垫
锻炼学生的观察和总结能力
为下面的库仑定律的内容理解记忆打下基础
加强学生对库仑定律的理解
锻炼学生的自主学习能力
为理解库仑的实验打下基础
掌握库仑定律的公式
加强对库仑定律的理解
规范学生的计算步骤
理解掌握.静电力的叠加原理，为下面例题的完成打下基础
规范学生的计算步骤
巩固本节的知识
课堂小结
1.库仑定律的表达式
（1）式中的k是比例系数，叫做静电常量。k＝9.0×109 N·m2 / C
（2）方向：在两点电荷的连线上，同种电荷相斥，异种电荷相吸
2.适用条件 ：适用于真空中的两个静止的点电荷。
3.静电力的叠加原理
（1）两个点电荷之间的作用力不会因第三个点电荷的存在而有所改变。
（2）两个或两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力，等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的矢量和。
梳理自己本节所学知识进行交流
根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。
板书
一、电荷之间的作用力
1.库仑定律内容
2.适用条件
严格说，这个定律只适用于真空中的两个静止的点电荷。
3.点电荷
二、库仑的实验
1.实验方法：控制变量法
库仑定律的表达式
（1）式中的k是比例系数，叫做静电常量。k＝9.0×109 N·m2 / C
（2）方向：在两点电荷的连线上，同种电荷相斥，异种电荷相吸
三、静电力计算
1.库仑定律的应用
2. 静电力的叠加原理