3-1 1 2 库仑定律
一 教材内容分析
库仑定律是描述真空中两个静止点电荷的作用力大小和方向的规律。从物理学的发展史来看，库伦定律对电磁学来说，起到了里程碑的意义。另外，库伦定律的发现，从力学的研究成果中获得启示，充分体现“类比法”这一重要研究方法在科学研究中的启发性作用。作为高中物理教学，学生也首先接触力学的知识，并获得了初步的探究方法。因此，在教学中“模拟”科学家的探究过程，学生亲身体验“类比法”在学习探究中重要作用，这应该作为一个重要的教学环节。在探究的过程中，体会物理规律的“简单性”和“统一性与多样性的辩证统一”等思想。另外，以“点电荷”概念为核心，进一步提升对物理理想模型的认识。
二 教学目标
（一）知识与技能目标
1、知道库仑定律的内容，了解它的适用条件；
2、理解点电荷是一个重要的理想模型，并且理解什么情况下带电物体可看着点电荷；
3、会运用库仑定律解决实际问题；
4、了解库仑扭秤实验。
（二）过程与方法目标
1、模拟科学家对库仑定律的探究过程，体验类比法这一重要研究方法；
2、从形式与内容双重角度比较库仑定律与万有引力定律。
（三）情感、态度与价值观目标
1、从理论与实验两方面探究库仑定律，体会类比法在科学研究中启发作用，同时养成类比学习的良好习惯；
2、通过比较库伦定律与万有引力定律，领会自然规律的统一性与多样性；
3、进一步体会“观察现象，提出问题，做出猜测，设计实验、验证假设，形成评价、得出结论”的探究过程，领会科学探究精神，形成正确的科学态度和价值观。
三 教学重难点
（一）重点
1、 库仑定律的运用；
2、库仑定律的适用条件的理解；
3、点电荷理想模型的理解。
（二）难点
1、库仑定律的适用条件的理解；
2、点电荷理想模型的理解。
四 教学流程设计
（一）引进新课
教师：上一节课，我们探究一种新的性质力的产生条件，并对这一条件的进行了认识。这个条件就是物体必须带有电荷。我们不问“电荷是什么”的问题，我们只了解“电荷的种类，它们分别以什么为载体，它们有什么样的相互作用规律，为什么提出电荷量概念，它又有什么规律”。请哪位同学回顾以上所涉及到的知识。
学生：回顾。
教师：我们知道了一种新的性质力，以后我们会给它一个称谓，叫电场力，有时我们又根据具体特点给它特设名称：库仑力或静电力。研究一种性质力，除了知道它的产生条件外，我们更为关注的是这种性质力的大小与方向问题。这节课，我们探究两个带电物体之间的电场力的大小与方向问题，特别是它们可被看做点电荷情况下作用规律。为了叙述方便，我们直接称谓它们为库伦力。
（二）进行新课
1 探究库仑定律
教师：通过上节课的实验，我们应该初步体会到，库仑力的大小，大概跟那些因素有关？又会是什么关系呢？
学生：跟两物体的所带电荷量有关，电荷量越大，它们之间的作用力越大；还跟两物体的之间的距离有关，距离越大，作用力越小；
教师：你是怎么体会到，库仑力的大小与它们之间距离的关系的？我们上节课好像没有专门设计这样的实验啊？！
学生：摩擦过的笔头，不是要靠近纸屑才能把它吸引上来吗？
教师：你观察得真仔细，的确有这个现象存在。 那么两个带电物体之间作用力与两个物体的电荷量及它们之间的距离具有怎样的定量关系呢？现在我们来猜测看看。根据同学们观察实验的初步结论，你会把两带电物体的作用力和它们的电荷量以及距离写成一个怎样的数学表达式呢？两物体所带电荷量及它们之间的距离，我们分别用q1 、q2 和r 来表达。
学生：应该有下面关系
(式1)
设计说明：可能大多数同学会直接给出库仑定律的表达式。这时作为教师，一方面不要否定学生的表达，以免打击同学们的课堂参与积极性；另一方面，教师应该强调：作为一个初探者，当给出某一猜测时，在头脑中都会有初步的理论依据。我们说在科学探究中需要直觉思维，而通过直觉思维获得某一猜测，却往往离不开科学家们扎实的理论功底和深邃的长期思考。所以，这里教师应该引导指出：根据同学们观察实验的初步结论，我们只能够把关系式写成式1 。接着完成以下教学过程。
教师：同学们，先说说（接下来，我们自然会进一步追问）x与y应该有什么关系？有什么理由？
学生：x=y。两带电物体之间的作用力应该遵循牛顿第三定律，两物体之间的作用力与两物体的电荷量的关系应该一样。
教师：很好。这样的推理分析，我们在推导万有引力公式时使用过。那时，我们首先理论分析得到，太阳与行星的之间的万有引力跟行星的质量成正比的关系，然后牛顿根据牛顿第三定律果断地推断：它们之间的万有引力跟太阳的质量也应该成正比关系。
设计说明：根据实际情况，教师做好引导。这正是“类比法”在理论探究中的思维过程的典型例子。
教师：作为一个初探者，同学们希望x和y等于多少？
学生：等于1。
教师：对，这是我们最希望的。我们的科学家最初探究时，也是这样猜测的。因为我们总是信仰“自然规律是简单的”。那到底是不是这样的关系呢？接下来我们应该怎么做？
学生：设计实验验证它。
教师：你的实验设计思路（原理）怎样？
学生：（思考讨论）保持两带电物体之间的距离不变，改变其中一个物体的带电量，测定两物体之间的作用力与其变化关系是否满足正比例关系。
教师：很好！同学们已经领会了“分离变量法”在实验探究思想，知道：研究两带电物体的作用力与电量的关系时，应该保持带电物体之间的距离不变。接下来，我们猜测距离那个指数是什么？
学生：是2。
设计说明：可能学生不敢猜测这个数。这时教师可以引导：1、当然，我依然希望 ，这是最简单的。2、同时，科学家们也信仰“自然界的规律是统一的”，即认为自然界的所有规律都是由某一最根本的规律支配着。科学家总是为之努力着，例如，牛顿之所以发现万有引力规律，这与他坚信地下的运动规律与天上的运动规律是一致的可能有着重要关系。现在依然有不少科学家在追求所谓“大统一理论”而执着追求着。但不管作出何种猜测，最终都应该用实验来验证。
教师：对，当时的著名物理学家卡文迪许等科学家就这样猜测。他们也有这种信仰：两带电物体之间的作用力与两物体之间的万有引力，在形式上可能具有相似性。那么实际上会是2吗？接下来我们应该怎么做？
学生：设计实验验证。设计的思路（原理）是：保持两带电物体的电荷量不变，改变它们之间的距离，测定两物体之间的作用力与距离（或者距离的平方）是否成反比关系。
教师：很好，我们有了设计实验的思路（原理），接下来就设计具体的实验方案来验证它。现在摆在我们面前的是：我们还没有度量电荷量的实验器具，那么我们怎样去度量电荷量的变化关系呢？
学生：先采用感应起电的办法使金属小球带上一定电荷，然后再用相同的不带电金属小球接触它，这样它的电荷量就变成原来的一半。如此下去，我们能得到q 、q/2 、q/4 ……等不同电荷量关系。
设计说明：库仑发现这个关系，应该说艰难的，具有偶然性。因此我们在上一节中分析接触带电时，有意埋下伏笔。
教师：我们利用了接触带电的带电方法，以便建立电荷量之间的关系。实验上的重要难题已经克服了，其它实验问题应该都不难克服了。显然，我们实验方案可以多种多样，每一个人都可以设计出自己的实验方案，有兴趣的同学可以课后去试试。这里老师给出一种实验方案（引用第七届全国中学物理青年教师教学大赛高中赛组江西南昌一中余龙的《电荷、库仑定律》）。讲解实验原理并演示实验，请学生记录相关实验数据。由学生从实验数据中获得实验结果。
实验方案说明：教师应该事先准备好实验器材，并按图示实验原理图安装好实验装置。并分析实验原理。
2 分析库仑定律内容
教师：我们已经得到：两个带电物体之间的作用力，与它们所带电荷量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。据此，是不是说：两个带电小球靠得非常近，例如距离接近零，那么他们之间的作用力将无穷大？我们做实验看看，带电小球有相互作用力吗？可能是无穷大吗？
学生：有相互作用力，但作用力不是无穷大。
教师：这说明，我们得出的结论是初步的，为了得到逻辑严密，描述精确的物理规律，我们还必须用我们人类聪明的大脑，凭借智慧才能把它描述出来。阅读教材，库仑定律的内容是怎样叙述的。请你画出你认为非常关键的字眼。
学生：阅读并画关键词。
教师：你画出的关键词汇有哪些？
学生：真空、静止、点电荷。
教师：也就是说，我们所表达的 数学关系，是有条件的。任何规律的成立，都有其成立的特定条件。所以，在以后使用这些规律分析问题时，千万要注意：所研究问题是否与所使用规律的条件相符。现在我们来分析这些条件。
真空：我们的大气中存在大量的气体物质和物质颗粒，而且还有不少自由带电微粒的存在。它们几乎都在做无规则的运动着，自然对我们所研究的带电物体的作用力有影响。所以我们把这些排开在外。但是，一般境况下，这些因素的影响很小。所以在空气中，我们依然使用 近似处理。
静止：与运动相对。运动着的电荷难道会影响它们之间的相互作用？关于此，科学家们也不是很快才弄明白的。同学们，当你们学习逐渐深入，你们会明白其中原因的。不要等到上大学，在高二阶段，你们就会明白。然而，其中一个电荷静止，另外一个电荷运动，我们依然可以使用库仑定律近似处理。
点电荷：这个请同学们来分析。
学生：分析两个带电物体的相互作用时，如果它们的形状大小对此影响很小，也就是库仑定律公式能够近似处理，那么这两个物体就可以认为是点电荷。
教师：也就是说，点电荷也是一种理想化的物理模型。一般情况下，带电物体的大小与它们之间的距离比较起来，可以忽略不计，此时物体就可以看作点电荷。
3 库仑的实验（学生自学，观看相关实验教学视频）
教师：上节课我们介绍库仑时，知道了库仑在材料方面颇有建树，他就是利用材料学的相关原理制作了他的扭称装置来验证库仑定律的。观察这个装置，我们应该发现，库仑已经注意到减小空气方面的影响。同学们，物理是一门实验科学，任何规律都应该经得起实验的考验。然而物理学的发展更离不开我们人类那聪明的大脑，离不开我们的智慧。同学们，请热爱我们的物理学吧，学习物理，我们不企图通过它获得谋生的技能，而是通过它开启我们的大脑，挖取我们的潜能，启迪我们的智慧。
设计说明：当今很多学生讨厌物理，根本原因是受社会上的“实用主义”的影响。确实，随着自动化、智能化、信息化的深入，通过简单的高中物理知识获得谋生的技能简直是妄想。所以，作为中学物理教师，首先应该摆脱“实用主义”的影响，充分认识到学习高中物理启迪思维的重要作用。据此，我们老师最容易陷入的误区就是：学习物理知识就是为了“做题”，特别是应付高考。如果这样，我们教出来的学生，将不会真正地热爱物理这门学科的。
4 举例：
例1 两个带同种电荷的金属小球，它们的电荷量分别为 q1、q2 ，如果两金属小球的半径大小相对于它们之间的距离 r不可忽略不计，那么它们之间的实际库仑力大小可能为（ ）
A
B 
C 
D 条件不足、无法确定
设计说明：1、进一步理解库仑定律适用条件；2、进一步理解导体、绝缘体、自由电荷等概念，特别是领会导体、绝缘体的微观结构；3、引导学生做变式训练。如：带异种电荷的金属小球；均匀带电的玻璃小球。
例2 3 分析教材上的两个例题。
设计说明：例2，揭示了万有引力与库仑力在原子内质子与电子之间的作用力的大小关系，其实也揭示了两个重要规律的多样性一面；例3，说明了库仑力这种新性质力遵循力学规律（平行四边形法则），而且暗示，它遵循所有力学规律（如牛顿运动三定律、动能定理等），另外这个例题也为讨论电场强度概念埋下伏笔，学生通过此可以更加容易的接受电场强度的叠加原理。
（三）结束新课
教师：通过这节课，你学到了些什么？
学生：谈自己的学习体会。
课件：
博友与网友：如果您愿意尝试使用此教案或课件，请与博主取得联系，博主愿意提供您所需要的任何教学资料。如果您尝试了此教案或课件，请把您的痛苦或者欢乐分享给博主。
评论