物理选修3选修3-1第一章 静电场3 电场强度教案

[高二物理教案13-2]

13.21  电场   电场强度

一、教学目标

1．知识目标：

（1）通过对电场概念的学习，使学生明确场的特点，描写场的方法，并能在头脑中建立起场的模型和图象。

（2）理解场电荷、检验电荷的概念，理解和掌握电场强度的概念。

（3）掌握点电荷的电场强度公式。

（4）理解和掌握电场的叠加原理，会计算简单的点电荷组产生的电场。

2．能力目标：

用比值定义物理量、类比方法的重要研究方法的介绍，培养学生的科学研究能力。

3．物理方法教育目标：

（1）树立“场”在空间上有分布的观念，并培养学生的空间想象力。

（2）通过“检验电荷”的概念，使学生明确物理测量的有效性的观念。

（3）对点电荷场强公式的分析，使学生明确理想模型建立的条件。

二、教学重点、难点

1．“场”是物理学中的重要概念，“场”的概念比较抽象，在中学物理中，本章又是初次较深入地研究“场”，所以“场”概念的引入，“场”观念的建立，既是本节的重点也是本节的难点。

2．电场强度的概念、场的叠加原理也是本节的重点。

三、教学方法：

计算机辅助教学

四、教    具：

计算机、投影仪、大屏幕、自制CAI课件

五、教学过程：

（一）复习提问

两个点电荷电量分别为+4Q、-Q，固定在相距为L的两点，在何处放一个什么样的第三点电荷可使第三点电荷保持静止？

在两点电连线延长线上，-Q的一侧距-Qx=L处（复习库仑定律）。

与第三个电荷电量无关（为建立场强与检验电荷无关，及由力的合成向场的叠加过渡做铺垫）。

（二）引入新课

两个电荷间存在着相互作用力，上一节我们定量地研究了两个点电荷之间的相互作用力的规律——库仑定律。

提出问题：在力学中，我们所学过的弹力、摩擦力均是接触力，只有相互接触的两个物体之间才有可能产生弹力、摩擦力。两个电荷之间并不接触，它们之间的相互作用力是如何实现的呢？

（三）进行新课

1．在同学回答的基础上总结出：两个电荷之间的相互作用力是通过电场实现的。任何一个电荷在其周围空间产生电场，另一个电荷处在它产生的电场中，另一个电荷受到电场对它的作用力——称为电场力。

（如同学提出重力、引力，顺便提出重力场、引力场的概念，如无人提出暂不引入重力场、引力场。）

电荷在其周围空间产生电场，静止的电荷产生的电场是静电场。电场对处在场中的其他电荷有力的作用。

2．对任何事物的认识和理解，都要从它与其他事物的相互关系（相互作用）入手，从中找出它的基本性质，对电场的认识也应如此。为了认识电场，找到描写电场性质的物理量，我们先引入两个基本概念：场电荷和检验电荷。

场电荷：产生电场的电荷。

提出问题：什么样的电荷能产生电场？什么样的电荷不能产生电场？！为什么还要提出场电荷呢？

在总结同学的回答时，强调指出这与以前在力学、热学中研究问题时一样，是研究对象的选取的问题。

检验电荷：放在我们所研究的电场中，用来检验该电场的性质的电荷。

检验电荷必须具备的条件：（1）点电荷；（2）电量足够小，使得当将检验电荷引入电场中时不改变场电荷的分布。

提出问题：为什么检验电荷必须具备以上两个条件？

先总结必须满足第二个条件的原因，强调对于任何物理测量，只有当测量工具（仪器）的引入不改变被测对象的性质时，或对被测对象的影响小到可以忽略不计时，这种测量才有意义，否则这种测量是无意义的。

对于必须满足第一个条件的原因，留在以后解决。

3．引入电场强度的概念

（1）将同一个检验电荷q，分别放在电场中的不同点，它所受的电场力的大小和方向一般说来是不同的。

提问：这一实验结果，说明了什么问题？

总结同学回答的情况，强调：同一电场中不同点的性质是不同的，研究电场必须一点一点地研究，即电场在空间有分布。同时回答检验电荷必须是点电荷的原因。

（2）集中研究电场中的某一点P。

将电量为q1的检验电荷放在P点，测得它所受的电场力大小为F1；将电量为q2的检验电荷放在P点，测得它所受的电场力大小为F2；……将电量为qn的检验电荷放在P点，测得它所受的电场力的大小为Fn。

实验发现：在电场中的同一点，检验电荷的电量q发生变化，它所受的电场力的大小F也随之变化（成正比的变化），而电场力的大小F与检验电荷电量q的比值不变，即

这个比值不随检验电荷电量变化，说明它与检验电荷无关，它只与电场中这点（P）有关，它只由电场中这一点决定，所以这个比值可以用来描写电场中该点的性质，将它叫做电场中该点的电场强度的大小。

4．电场强度的定义

电场强度（简称场强）是描写电场有关力的性质的物理量，它是矢量。

检验电荷在电场中某点所受电场力的大小F与检验电荷的电量q的比值F/q，叫做电场中该点的电场强度的大小，即

在国际单位制中，电场强度的单位是牛/库。

5．请同学根据库仑定律和电场强度的定义，推导点电荷的电场强度的表达式。

（1）先求距场电荷Q为r的一定点P的场强大小和方向。

（2）再将r看成是变量（P点为动点），可得出点电荷Q的电场中任意一点的电场强度的表达式。

（3）从表达式，进一步说明电场中任一点的电场强度的大小和方向与检验电荷无关，完全由场电荷Q和该点的位置所决定。

（4）正的点电荷与负的点电荷在空间各点产生的电场强度的方向（为以后引入电场线做准备）。

6．研究点电荷所产生的电场强度，从力的叠加（力的合成）引出场的叠加。

（1）两个等值异号的点电荷+Q、-Q，相距为L，求连线中点的场强；连线延长线距-Qx点处的场强；连成的垂直平分线上距中点为x处点的场强；当x ＞＞L时，这两点的场强。

（2）在正方形（边长为a）的四个顶点处各固定一电量为+Q的点电荷，在过四边形对角线中心O垂直于平面的轴线上距O点x处的场强。

对顶的两个点电荷在该点产生的场，在垂直于x轴上的分量相互抵消。

（3）半径为r的均匀带电圆环，电量为q，在其轴线上距环心O距离为x的一点的场强方向沿轴线，其指向由电荷种类确定。

小结：有了点电荷的场强公式和场的叠加原理，原则上可求任意电荷分布的电场各点的电场强度。强调点电荷的场强公式的重要性。

例题精讲

例1  场电荷Q=2×10－4C，是正点电荷；检验电荷q=2×10－5C，是负电荷，它们相距r=2m而静止且都在真空中，如图所示。求：

（1）q受的电场力。

（2）q所在的B点的场强EB。

（3）只将q换为q＇=4×10－5C的正点电荷，再求q＇受力及B点的场强。

（4）将受力电荷拿去后再求B点场强。

在A与B的连线上，且指向A。

=4.5×105N/C方向由A指向B。

（4）因E与q无关，自然q=0也不会影响E的大小与方向，所以拿走q后场强不变。

例2  如图（a）所示，点电荷q与9q静止于真空中，相距r，它们均为正电荷，求：

（1）连线中点A的场强EA；

（2）求场强为0的点位置。

解  （1）在A点放q＇=1C，它受力情况如图5（c）所示，F为q对q＇的作用力，9F为9q对q＇的作用力，而合力为8F方向指向q，所以

（2）先分析E=0的点可能的位置范围，因在该点放+1C时，它受力为零，所以q与9q对+1C作用力一定等大反向，因而两力共线，由此可以断定E=0的点在q与9q的连线上，当+1C放于q以左及9q以右的连线上时，它受的两个力都同向，因而不可能抵消，所以E=0的点一定在两点电荷中间的连线上。

令E=0的点O距q为x，如图（b）所示，＋1C电荷在O点受力为零，所以有

（2）E=0的点在q与9q之间，距q为r/4。

说明

1．对于电场强度概念的理解注意：

无论放正、负检验电荷，E的方向定义为+q受力方向，类似于电流方向定义为正电荷移动方向，无论是谁移动形成电流。

（2）电场强度为自身性质，与检验电荷无关。

2．我们研究的电荷均处于真空中，如处于空气中也可近似认为是在真空中。

思考题：

1．场强E是描写电场有关力的性质的物理量。为什么不直接用检验电荷所受的电场力F来描写，而要引入电场强度这个物理量？

目的：进一步巩固场强的概念，明确场强E与电场力F的联系与区别。

2．由点电荷的场强公式，能否求点电荷所在处（即r=0）的场强？结果如何？为什么？

目的：进一步使学生明确，点电荷（理想模型）建立的条件。

〔如时间富裕，在课堂上讨论，如时间不够，请学生在下面思考、讨论，下节课再做总结〕

（四）课堂小结（配合flash课件演示。)

1．电场的性质：电荷在其周围空间产生电场，电场对处在场中的其他电荷有力的作用。

2．“场”的特点：在空间有分布，同一电场中的不同点，电场强度的大小和方向不同。

3．电场强度的定义

4．点电荷的场强公式

5．叠加原理

（五）布置作业

1．复习本节课文。

2．思考练习二第（1）、（2）题。

3．将练习二（3）、（4）、（5）、（6）（7）题做作业。

六、说明

如学生基础较好，场的叠加全讲；如不好，只讲第一个问题即可。

附：板书设计

二、电场   电场强度

1．电场　 电场是一种客观存在着的物质

2．电场强度

放入电场中某一点的电荷受到的电场力跟它的电量的比值，叫做这一点的电场强度，

简称场强，单位牛每库，N/C

电场力、电场强度是矢量

规定　 电场中某点场强方向跟正点电荷在该点所受电场力的相同。

3．点电荷电场的场强

4．电场的叠加