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电场教案展示课教案：鲁科版高中物理选修31 第一章 静电场 第3节 电场及其描述 第一章 静电场 第3节 电场及其描述 教材从电荷在电场中受力入手，引入了电场强度的概念，明确它是表示电场强弱的物理量。本节课主要由电场强度、点电荷的电场和电场强度的叠加、匀强电场三部分内容组成。原本都是很抽象的知识，通过与重力场做类比，引入试探电荷的方法，化抽象为具体，引领学生的认知。 一、知识与技能 1粗略了解物理学史上对电荷间相互作用力的认识过程。 2知道电荷间的相互作用是通过电场发生的，电场是客观存在的一种特殊的形态。 3理解电场强度的概念及其定义，会根据电场强度的定义进行有关的计算。知道电场强度是矢量，知道电场强度的方向是怎样规定的。 4能根据库仑定律和电场强度的定义推导点电荷场强的计算式，并能用此公式进行有关的计算。 5知道场强的叠加原理，并能应用这一原理进行简单的计算。 6.利用电场线描述电场，知道匀强电场的特点。 二、过程与方法 1 1经历“探究描述电场强弱的物理量”的过程，获得探究活动的体验。 2领略通过试探电荷在电场中所受静电力的方法来研究电场，体会理想模型、比值法、类比法等物理学研究方法的应用。 三、情感态度与价值观 1体验探究物理规律的艰辛与喜悦。 2学习科学家严谨科学的态度。 1探究描述电场强弱的物理量场强。 2理解电场、电场强度的概念，并会根据电场强度的定义进行有关的计算。 3. 几种特殊电场及其电场线的画法。 充分理解场强的物理意义、学会分析矢量场强的大小和方向。 多媒体课件、电场线模拟演示仪 一、复习提问、新课导入 教师：上一节课我们学习了库仑定律，也就是表示两个点电荷之间静电力大小的公式，请同学来回答。 学生回答： 教师：我们不免会产生这样的疑问： 投影右图。问题1：真空中两个电荷相隔一定的距离，却能够发生相互作用，它们之间难道就没有物质吗？ 学生思考。 教师：假如没有物质，那么电荷的能量从何而来？假如存在物质，这种物质肯定有它的特殊性，因为我们看不见摸不着它。其实真的存在这样的物质，它叫做场。比如重力场。物体和地球之间的相互作用，是通过这种场发生的，这里的场可以叫做重力场。而电荷与电荷之间的相互作用，是通过电场发生的。 重力场 地球 物体 二、新课教学 电场 教师：首先提出电场这种物质的科学家是英国的物理学家、化学家法拉第。他对事物的本质有着非常敏锐的洞察力，在电学上有着突出的贡献。 向学生简要介绍法拉第的求学经历。让电场与重力场做类比即可理解电荷之间的力是如何发生的了。 电荷A 电 场 电荷B 2 教师启发引导：场都是“物质”它和分子、原子组成的实物一样，虽然我们看不见、摸不着，但它们都具有能量、质量和动量，物体受到的万有引力是靠重力场来完成的，电视机、收音机信号的发射与接受是靠电磁场来实现的。 教师板书：电场是存在于电荷周围的一种特殊的物质，场与实物是物质存在的两种形式。 教师：通过库仑定律的学习，我们可以联想到：电场具有怎样的特性呢？ 学生回答：对放入其中的电荷有电场力的作用。 教师：这种力的作用与电场的强弱有关吗？引导学生科学探究。 学生思考 电场强度 教师：下面我们来探讨三个问题。 相同的小球在不同的位置所受作用力不一样，其本质原因是什么呢？ 学生回答：电场强弱不同。 那么如何来描述电场的强弱呢？ 教师启发：像速度、密度等寻找一个物理量来表示。 如何来研究电场？学生思考。 教师引导：电场的本领是对场中的其他电荷具有作用力，这也是电场的最明显、最基本的特征之一。因此在研究电场的性质时，我们可以从静电力入手。对于像电场这样，看不见，摸不到，但又客观存在的物质，可以根据它表现出来的性质来研究它，这是物理学中常用的研究方法。 教师：怎样让它表现出来呢？ 学生回答：在电场中放入电荷。 教师：对放入的电荷有要求吗？比如电量的大小。 学生回答：带电量非常小的点电荷。 教师：下面请同学们仔细观察模拟实验的动画演示，并描述你看到的现象说明了什么。多媒体动画模拟： 不同位置偏角不同 增加试探电荷带电量偏角均增加 学生回答：不同位置受力不同；同一位置试探电荷带电量增加，受力增大。 教师：下面我们再通过表格定量地来看一看： 将表格填完整，并分析、比较表格中的数据有什么特点和规律，看你能否得出如何来描述电场的强弱。多媒体展示表格，学生回答后依次填入：F1、F2、F3及F1F2F3；2F1、3F1、4F1、nF1等。 表一： 试探电荷 q 2q 3q 4q nq 静电力 F1 2F1 3F1 4F1 nF1 表二： 试探电荷 q 2q 3q 4q nq 静电力 F2 2F2 3F2 4F2 nF2 3 表三： 试探电荷 静电力 q F3 2q 2F3 3q 3F3 4q 4F3 nq nF3 学生回答： 不同的电荷，即使在电场中的同一点，所受静电力也不同，因而不能直接用试探电荷所受的静电力来表示电场的强弱； 电场中同一点，比值F/q是恒定的，与试探电荷的电荷量无关； 在电场中不同位置比值F/q不同。 师生共同小结：比值由电荷q在电场中的位置决定，与电荷q的电荷量大小无关，它才是反映电场性质的物理量。 教师：在物理学中我们定义放入电场中某点的电荷所受的静电力F跟它的电荷量q的比值，叫做该点的电场强度。并板书。 1定义：在物理学中我们定义放入电场中某点的电荷所受的静电力F跟它的电荷量q的比值，叫做该点的电场强度。 2.定义式：E=F/q 教师：以前我们还学过哪些物理量是用比值法来定义的？ 学生回答：速度 ，加速度 ，电阻 等等。 教师：从它的定义式可以看出电场强度的单位吗？ 学生回答：可以，N/C 3单位：N/C 教师：在电场中不同位置，同种电荷受力方向不同，说明场强是矢量还是标量？ 学生回答：矢量 教师：电场中同一点放入正电荷和负电荷受力方向不同，如何确定场强的方向呢？ 教师：在物理学中作出了这样的规定。教师板书 4方向：电场中某点电场强度的方向跟正电荷在该点所受静电力的方向相同。 教师：按照这个规定，如果放入电场中的是负电荷呢？ 学生回答：与负电荷在电场中某点所受静电力的方向相反。 地重力加速度g 重力加速度 球 对比理解 负点电场强度E 电场强度 电荷A 4 例1：点电荷是最简单的场源电荷。设一个点电荷的电荷量为+Q，与之相距为r的A点放一试探电荷，所带电荷量为+q。 试用所学的知识推导A点的场强的大小，并确定场强的方向； 若所放试探电荷为-2q，结果如何？ 如果移走所放的试探电荷呢？ 师生共同归纳总结： 1点电荷电场的场强大小与方向。 2电场强度是描述电场性质的物理量，在静电场中，它不随时间改变。电场中某点的场强完全由电场本身决定，与是否放入电荷，放入电荷的电荷量、电性无关。 注意：辨析E=FQQ和E=K2的关系，强调E=K2的适用条件。 qrr点电荷的电场强度 例2.如图所示，真空中有两个点电荷Q1+30×10-8C和Q230×10-8C，它们相距01m，A点与两个点电荷的距离r相等，r01m。求： 电场中A点的场强； 在A点放入电量q1×10-6C，求它受的电场力。 教师：题中场源电荷不止一个，如何来确定电场中某点的场强？ 学生：平行四边形定则 场强的叠加 教师：根据场强的叠加原理对于一个比较大的不能看成点电荷的带电物体产生电场的场强如何确定？ 学生思考后回答：无限等分成若干个点电荷。 教师：根据以上方法，同学们设想一下一个半径为R的均匀带电球体外部产生电场的场强，如何求解？ 学生思考后回答：等效成电荷量集中于球心的点电荷。 电场线 师：来看演示实验。让一小球带上电，它周围有一些细线，观察细线会“自觉”地“站”起来，而且“站”得很有规律，可以间接地反映出电场的分布也是具有一定的规律的，可以用一组曲线来形象直观地描述它的分布规律这就是我们今天要研究的“电场线”。 1电场线：在电场中画出一些曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟该点的场强方向一致，这样的曲线叫做电场线 电场线不是电场里实际存在的线，而是形象地描述电场的假想的线，电场虽然抽象但它是客观存在的物质，电场线虽然形象但它仅是假想的线 2电场线的特点 在静电场中，电场线起始于正电荷，终止于负电荷 5 对孤立的正电荷，可认为负电荷在无穷远处，电场线由正电荷出发伸向无穷远；对孤立的负电荷，可认为正电荷在无穷远处，电场线由无穷远处伸向负电荷 电场线上每一点的切线方向跟该点的场强方向一致 过电场线上某点的切线方向是指跟电场线的行进方向一致的那个方向，如图所示 电场线的疏密程度表示电场强度的大小，电场线越密的地方，场强越大；电场线越稀的地方，场强越小 两条电场线不能相交 电场中某处的场强大小和方向是惟一确定的，如果两条电标场线相交就不能惟一地确定出场强方向，同时在相交点处由于电场线密不可分，因而也不可能反映出场强的大小 几种常见的带电体周围的电场线分布 1点电荷的电场线分布：正电荷的电场线从正电荷出发延伸到无限远，负电荷的电场线无限远处延伸到负电荷，如图所示 2两个等量点电荷的电场线分布：等量异种电荷的电场线从正电荷出发到负电荷终止；等量同种电荷的电场线从正电荷出发延伸到无限远，或从无限远延伸到负电荷，如图所示 3点电荷与带电平板的电场线分布，如图所示 4带等量异种电荷两靠近的平行金属板间的电场线分布如图所示 6 上述几种电场中的电场线分布情况可以由感应起电机使静电羽带电，根据静电羽丝线的分布情况来演示、模拟出电场线的大致分布情况 匀强电场 1匀强电场：电场强度的大小和方向处处相同的电场，叫做匀强电场 2匀强电场的电场线：是一组等间隔的平行线 3匀强电场的实例：两块靠近的平行金属板，大小相等，互相正对，分别带有等量的正负电荷，它们之间电场除边缘附近外是匀强电场 三、课堂小结 通过本节课的学习，我们知道电荷间的相互作用是通过电场发生的，电场是存在于电荷周围的一种特殊的物质，它最基本的特征是对放入其中的电荷具有力的作用。正是利用电场的这一特性，引入了试探电荷，研究其所受静电力特点，来探究描述电场强弱的物理量电场强度。电场强度是用比值法定义的，它是矢量，既有大小，又有方向。用电场线形象描述电场，理解匀强电场的特点。 7 一、基础过关 1如图1所示，带箭头的直线是某一电场中的一条电场线，在这条线上有A、B两点，用EA、EB表示A、B两处的场强，则 ( ) AA、B两处的场强方向相同 B因为A、B在一条电场上，且电场线是直线，所以EAEB C电场线从A指向B，所以EAEB D不知A、B附近电场线的分布情况，EA、EB的大小不能确定 2真空中两个等量异种点电荷电量的值均为q，相距r，两点电荷连线中点处的场强为 ( ) A0 B2kqr2 C4kqr2 D8kqr2 3四种电场的电场线如图2所示一正电荷q仅在电场力作用下由M点向N点作加速运动，且加速度越来越大则该电荷所在的电场是图中的 ( ) 4图3表示一个电场中a、b、c、d四点分别引入检验电荷时，测得检验电荷所受电场力与电量间的函数关系图像，那么下列说法中正确的是 ( ) A该电场是匀强电场 B这四点场强的大小关系是EdEaEbEc C这四点场强的大小关系是EaEbEcEd D无法比较这四点场强大小关系 5如图4，真空中三个点电荷A、B、C，可以自由移动，依次排列在同一直线上，都8 处于平衡状态，若三个电荷的带电量、电性及相互距离都未知，但ABBC，则根据平衡条件可断定 ( ) AA、B、C分别带什么性质的电 BA、B、C中哪几个带同种电荷，哪几个带异种电荷 CA、B、C中哪个电量最大 DA、B、C中哪个电量最小 6在x轴上有两个点电荷，一个带正电荷Q1，另一个带负电荷Q2，且Q12Q2，用E1、E2表示这两个点电荷所产生的场强的大小，则在x轴上，E1E2的点共有_处，其中_处的合场强为零，_处的合场强为2E2。 二、能力提升 1如图8所示，A、B为体积可忽略的带电小球，QA2×10-8C，QB2×10-8C，A、B相距3cm在水平外电场作用下，A、B保持静止，悬线都沿竖直方向试求： 外电场的场强大小和方向？ AB中点处总电场的场强大小和方向 2如图9，A、B两小球带等量同号电荷，A固定在竖直放置的10cm长的绝缘支杆上，B平衡于光滑的绝缘斜面上与A等高处，斜面倾角为30°，B的质量为52g，求B的带电量 附：法拉第生平简介 Michael Faraday，17911867，英国物理学家、化学家。 法拉第出生在萨里郡纽因顿的一个铁匠之家，由于家境贫寒，法拉第没能在学校受到完整的初等教育。13岁，他便在一个图书装订商门下做学徒工。工作虽然劳累，但 他利用业余时间读了很多书籍，并对科学着了迷。他从自己微薄的工资收入中挤出钱来拼凑成简陋的实验室，以进行一些简单的实验。 20岁时，他从别人那里得到了几张英国化学家戴维的讲演的 入场券。对于这个贫穷的孩子来讲，有幸听到戴维的讲演，让他兴奋不已。于是他整理了戴维这些演讲的记录，将其装订了送给戴维，两年后法拉第就被录用为戴维实验室的一名助手。由于他的勤奋好学和不懈努力，很快就取得了众多有价值的实验成果。后来他接替戴维，成为皇家研究院的实验室主任，并被法国科学院吸纳为院士。法拉第有“电学之父”的美誉。 9