3-1 1 3 电场强度
一 教材内容分析
《普通高中物理新课程标准》涉及本节内容的要求是：了解静电场；初步了解电场是物质存在的形式之一；理解电场强度；会用电场线描述电场。教材首先从“驳斥”物理史上占据一定地位的超距作用这样一个错误观念中引入“场”的思想，并从电磁场这一客观存在上揭示电场的存在。笔者认为，这对于初学者来说依然非常抽象。因此，笔者首先提供一种较“感性”的生活场景，以期学生体验“场”的概念，然后以类比方式引出电场、及电场强度、电场线等概念。此后引导同学们自学教材第一段内容，并适当地扩展一些物理学史上的相关内容。这样处理，符合中学生从感性到理性，从具体到抽象的认知规律。本节内容涉及的概念比较多，而且非常抽象，承接库仑定律、启发电势、电势差，乃至整个电磁学，所以同学们学好本节内容，领悟（抽象问题的）学习方法就尤为重要。因此，这节内容预备两个课时，分别以电场强度、电场线两个核心概念展开教学。
二 教学目标
（一）知识与技能目标
1 了解电场概念，知道电场是物质存在的形式之一；
2 理解电场强度概念，并能用电场强度公式计算，如点电荷作为场源的，相关电场的电场强度；
3 理解电场强度的叠加原理，并能用此进行相关问题的计算；
4 知道均匀带电的球或球壳外电场的电场强度特征；
5 知道电场线概念、意义及性质，并能用它来分析电场相关问题。
（二） 过程与方法目标
1 体会电场是描述电荷相互作用的一种有效而且方便的方法；
2 在探究电场属性（电场强度）过程中体会用比值定义物理概念的方法；从比值定义法的普遍意义上理解电场强度概念和性质；
3 会用“力线”这一形象直观方法描述抽象问题。
（三） 情感、态度与价值观目标
认识到科学于由“谬误”到“纠正谬误”中螺旋式发展，对科学史上的历史事件有着正确的认识观，树立正确的科学态度，培养科学精神。
三 知识重难点分析
（一）重点
1 电场强度概念的理解及其定义式的运用；
2 电场线概念、性质的理解与运用。
（二） 难点
1 电场强度定义式的运用；
2 利用电场线分析电场强度问题。
四 教学流程设计
（一）第一课时：电场强度
1 引入新课
教师：利用课前五分钟的休息时间，请同学们欣赏《花开紫金》视频。欣赏完之后谈自己的感受：“看完这段视频，似乎我没有看到花的存在，而只侵润在这样的感受里：多美的地方啊，多美的场所，那个‘场’（有意舍去一个字）一定很香吧！”我想同学们也是这个体会。今天我也给大家带来了一片芳香。打开一瓶芳香剂，在一片芳香中进入课堂。
教师：今天我给我们的教室取一个名字——芳香场。问前排同学：香吗？在问后排同学：香吗？
学生：（前排）香；（后排）有点香。
教师：（装着感冒的样子）今天老师却不能与同学们一起分享这片芳香，老师鼻塞。同学们，芳香场香不香，是由我们的鼻子决定，还是芳香场本身决定？
学生：芳香场本身决定。
教师：当然，要检测芳香场有多香？离不开使用我们的鼻子，然而我们又要避开我们鼻子的因素，例如灵敏度的影响。怎样避免？如果把我们闻到的香味程度定义为A，把灵敏度定义为B，芳香场本身的芳香强度定义为C，那么你觉得这三者会是什么关系？
学生：C=A/B 。
教师：这是什么定义方法啊？
学生：比值定义法。
教师：同学们已经会使用比值定义法定义某一物理量了。真棒！讲解比值定义法的一般规律：用比值定义法定义的物理，一般是用来描述某一事物的某一方面的固有属性、功能或者本领，这种固有属性、功能或者本领一般情况下只与事物本身因素决定。例如材料的密度是由材料本身决定的，与材料所构成物体的大小、形状无关，也跟物体的质量无关；又如刘翔跨栏的平均速度，是由刘翔本身的跨栏技巧及其体能决定的，应该说跟我无关。请后排同学站到前面来，问：是后面香，还是前面香？
学生：前面香。
教师：看来芳香场不同地方的芳香强度还是不一样的。同学们，芳香场，你看到了，摸到了没有？
学生：没有。
教师：虽然我们看不到，摸不着，但它的确存在，因为我们用鼻子体验到了。今天，老师身上带有电荷，我来到一个地方，发现自己受到力的作用，我把这样一个地方叫做电场，受到的力，叫做电场力。接下来，我就来探究电场的性质，以及电场的强度又是如何定义的？
设计说明：这个课堂引入，可用时长一点，力争做到“体验逼真，逻辑严密，内容丰富”，学生真实地体验芳香场的存在，切身感受香味程度、灵敏度、芳香强度的关系，以及芳香场的芳香强度的性质特征（或者决定因素）。这个引入做得精彩，那么很自然地就解决了本节课堂学习——电场的存在，电场力、电荷量和电场强度的关系，以及电场强度的性质特征。注意，这里先避免谈及香味剂这一场源的决定性因素。等后面分析点电荷的电场强度特征的时候，再做类比——体会到电场也不是平白无故产生的。
2 进入新课
（1）电场 电场强度
板书：3 电场强度
一 电场 电场强度（大小）
教师：电场的强度，由置入该场的检验电荷所受电场力决定的吗？（有了准备充分的引入，可以直接切入实质问题。）
学生：电场强度由电场本身决定，与电场力无关。
教师：检验电荷受到的电场力，跟电场肯定有关，此外，还跟自己本身因素有关，那么跟什么因素有关？
学生：跟其本身的电荷量有关。
教师：我们用F表示电场力， q表示检验电荷的电荷量，E表示电场强度，那么我们怎样定义电场强度？
学生：E=F/q 。
教师：很好。但是，这也还仅仅是根据我自己的生活常识或者思维习惯类比推理得到，是一种猜想。我们的猜想对不对呢？接下来我们应该怎么做？
学生：设计实验验证。
教师：同学们已经养成了一种习惯，任何物理规律都通过实验来验证。那么，我们的实验原理应该怎样？
学生：改变检验电荷的电荷量，测定其电场力F，然后看 F/q这个比值是否为固定不变的量（常数），如果是，那么就说明由 定义的电场强度与检验电荷无关，而是由电场本身决定，这正是我们所希望的。
板书：电场强度的大小： ，是描述电场性质的物理量，是电场的固有属性。
接下来的实验教学环节，可由实际情况选择进行——或由教师演示实验、或由学生本身设计实验完成——关键看实验器材准备是否充足。建议创造条件，完成这一实验教学环节。
教师：现在我们知道：电场会对置入其中的电荷施加力的作用。请同学们回忆，什么叫做力？
学生：力是物体间的相互作用。
教师：我们知道力有四个性质：物质性、相互性、方向性和独立性。那时，我们讲，离开了物体不能产生力，物体是由什么组成的？
学生：物质组成。
教师：也就是说，离开物质，不可能产生力，这就是所谓的物质性。我们看到的物体是一种有形的物质。电场，看得到摸得着吗？
学生：看不到也摸不着。
教师：但是，我们可以通过验电电荷体验到电场的存在，因为电场对置入其中的电荷施加了力的作用。因此我们说：电场是一种看不到摸不着的特殊形式的物质。
教师：下面我们还可以通过一种特殊的电场，从理论上推理论证我们的猜想。请看例1。
（2）点电荷的电场强度
教师：电场不是凭空产生的。我们把激发电场的那个东西，称之为场源。就像我们的芳香场一样，不是凭空产生的，是由芳香剂激发产生的。下面，我们来分析点电荷作为场源所激发的电场性质。
例1 分析电荷量为Q的点电荷作为场源的电场强度大小，及其分布特征？
板书：二 点电荷的电场强度大小。
接下来的教学环节：由学生自己分析完成，必要时作出合理引导。学生能够得到结论：
E=kQ/r^2。
教师与学生：从上面结论中分析点电荷的电场强度分布特征，并说明点电荷的电场强度与检验电荷的电荷量及其受到的电场力无关，而由场源电荷量Q及到它的距离r决定，即由电场本身决定。
（3）电场强度的方向
教师：我们知道力是有方向的，是矢量，同样的电场力也是矢量；而电荷量是标量。那么电场强度应该是矢量还是标量？
学生：是矢量。
教师：那么电场强度的方向如何定义呢？我们在分析矢量问题时，总是会说到“正方向”或“负方向”，那么什么是正方向，什么是负方向？为了讨论方便，我们的做法就是规定一个方向为正方向，那么与之相反的方向就是负方向。同样的道理，为讨论方面，科学家们就统一了意见，对电场强度的方向做了规定。请同学们阅读课本。
板书：电场强度的方向
电场强度是矢量，电场中某点的电场强度的方向跟正电荷在该点所受到的电场力的方向相同。（补充在板书“一 电场强度”后）
例2 分析正点电荷、负点电荷作为场源的电场强度方向。
教师与学生：完成上面例题。
（4）电场强度的叠加（板书 三 电场强度的叠加）
教师：如果某一电场是有多个点电荷激发，那么该电场的电场强度怎样？请看例题3。
例3 如图所示的电场中，两个场源点电荷的分别为+Q1和-Q2,那么P点处电场强度大小为多少，方向又如何？
教师与学生：完成此例题。
设计说明：设计此例题，一方面对电场强度定义式的运用进行训练；另一方面，引出电场强度的叠加原理。
教师与学生：分析结论，得出电场强度的叠加原理：电场中某点的电场强度为各个点电荷在该点产生的电场强度的矢量和。
板书或课件呈现上面结论。
教师：有些电场，不是由分离的多个点电荷激发产生，而是由不可分割的“面电荷”或者“体电荷”（这两个概念不必深究，可以举例点到为止）。那么计算面电荷或者体电荷激发电场的电场强度时，把它们无限的分割为无数多个点电荷，然后计算这些点电荷的电场强度的矢量和。这种思想，我们在推导匀变速直线运动位移公式使用过。当然，这里将会涉及到的计算方法，在高中阶段不作要求。但是，我们却可以利用这个思想，帮助我们分析理解某些特殊情况下的问题。请看例题：
板书：四 均匀带电球体（环）外的电场强度
例4 在上节课我们讲到一个问题。两个均匀带电的玻璃小球，它们的电荷量分别为Q 、q ，尽管小球的半径与它们之间的距离r比较起来不能忽略不计，但它们之间的库仑力可以这样计算：认为小球的电荷量全部集中于球心并看作电荷，然后利用库仑定律进行计算。接下来，分析完成下面问题：
1、带电量为+Q的均匀带电小球半径为R，它所激发的电场在球外某点P(r>R)的电场强度大小是多少？方向如何？
2、带电量为+Q的均匀带电球环半径为R，它所激发的电场在球环外某点P(r>R)的电场强度大小是多少？方向如何？（提示，利用上小题结论，并采用分割思想分析解答。）
设计说明：均匀带电球体（环）所产生的电场在球外的某点的电场强度可用公式 表达，这一严格证明需要用到高斯定理。显然这已经超出了高中阶段要求。而本例题通过巧妙设计——以比较容易（或已）接受的知识为逻辑起点——化解了这个难题。很多教参，包括人教版的教学用书，都采用传授式教学方法灌输给同学们，这有悖新课标教学理念。这也是运用建构主义理论指导教学的典型案例。
（5）教材第一部分内容（引导自学）
教师：阅读这部分材料，同学们学到些什么？
学生：讨论陈述。
教师：我从中学到了：第一，科学家并不是神仙，跟普通人一样，也会犯错误；第二，科学家所犯的错误，一般不是因为科学家的探究态度不端正，而是受到历史或者时代的限制；第三，科学家所犯的错误，不是完全没有价值的，一般都为后来者奠定了思考源泉，使真理变得更加明晰；也就是说，科学其实就是在“谬误”与“纠正谬误”中持续向前推进和发展的；第四，真理的发现具有偶然性和必然性的辩证关系。由法拉第首先提出场的观念，这是偶然性；随着历史车轮的推进，场的观念迟早会被揭示，这是必然性。如果法拉第等前辈科学家们未能提出，那么必定有在坐的某个同学提出。不是吗？我们就提出芳香场。当然，我们这样说，并不是否定法拉第为此作出的杰出贡献，接下来我们敬仰伟大的科学家法拉第所作出的贡献（介绍法拉第）。
3 结束新课
教师：同学们，通过这节课，你学到了些什么？
学生：回答。
（二）第二课时 电场线
1 新课引入
教师：上节课，通过芳香场的类比方法，很好地帮助了我们理解电场及其有关性质。请同学们回顾上节课内容，完成下面填空或问题。
1 电场是一种看不到也摸不着的特殊物质；
2 电场强度是描述电场性质的物理量，由电场本身性质决定，与检验电荷受到的电场力无关，与检验电荷的电荷量无关；
3 电场强度是矢量（填矢量或标量），大小为 E=F/q（定义式）；电场中某点的电场强度的方向跟放入该点的正电荷所受到的电场力的方向相同；
4 点电荷的电场强度大小为E=kQ/r^2 ，方向又如何？
5 多个点电荷的产生的电场中某点的电场强度为各个点电荷在该点产生的电场的电场强度的矢量和。
学生：回顾。
教师：电场是一种看不到也摸不着的特殊物质。这是一个非常抽象的物理观点，最初有些科学家对此都很难接受理解。为此，电场观念创始人法拉第发明了一套直观形象方法，帮助我们对电场及其性质的理解。这一方法就是电场线方法。接下来我们探究学习这一方法，及其性质。
2 进入新课
板书 一 电场线的定义及其性质
教师：我们阅读以下教材内容，了解法拉第给出的电场线的定义。
学生：阅读。
教师：请同学们结合这个定义，在草稿纸上分别画出正点电荷和负电荷所产生电场的电场线。注意画图时力争对称美观。
学生：操作。
教师：点评分析同学们的练习。从同学们“作品”中选出最美观的一副，并引导同学们观察，从中我们能得出什么结论。
学生：思考。
设计说明：这个环节要探究完成下面结论：（1）电场线从正电荷或无限远出发，终止于无限远或负电荷；（2）在同一幅图中（这需要强调说明，并给出理由），电场线较大的地方，电场线交密，电场线较小的地方电场线交疏。
教师：实际上，上面第二条结论，对电场强度大小的描述，加上对电场强度方向的描述，才是电场线完整的定义。所以，以后我们要用电场线直观形象地描绘某一电场的电场强度大小和方向时，就要认真仔细，尽量根据电场强度的大小按相同比例地画出电场线的疏密程度，也注意准确描绘出电场线的方向。
板书：二 等量异号电荷的电场线
教师：我们已经正电荷或负点电荷的电场线，那么两个等量异种电荷电场线又如何呢？请同学们在草稿纸上画出。
学生：操作
教师：给出课本上的电子图片，引导学生注意以下几个要点：（1）两电荷的连线上，电场强度先变小后变大，方向由正电荷指向负电荷；（2）两电荷的连线的中垂线上，电场强度的方向相同，从两线交点至无限远，大小越来越小；（3）与连线或中垂线为轴对称的任何两点的电场强度大小相等。（除上面要点外，还请同学们注意图片箭头的所组成的形状特征——为等势面。特别指出，虽是点到为止，意在留下深刻影响。）
学生：在教师引导线观察电场线的特征。
板书：三 等量同种电荷的电场线
教师：那么等量同种电荷的电场线呢？（以正电荷为例）也请同学们在草稿纸上试着画出。
学生：操作
教师：给出课本上的电子图片，引导学生注意以下几个要点：（1）两电荷的连线上电场强度先变小后变大，中心处电荷为零，方向在中心处发上改变（与等量异种电荷电场线比较：电场强度有最小值，当不是零；方向也不发生变化）；（2）两电荷的连线的中垂线上，从两线交点至无限远，电场强度先变大后变小，方向分别指向无限远（也注意比较）；（3）与连线或中垂线为轴对称的任何两点的电场强度大小相等（除上面要点外，还请同学们注意图片箭头的所组成的形状特征——为等势面。特别指出，虽是点到为止，意在留下深刻影响）。
学生：在教师引导下观察。
教师：那么如果是两个负电荷呢？
学生：电场线分布特征完全一样，就是方向在相应的地方发生改变。
教师：有些电场是由多个点电荷，甚至是面电荷，体电荷激发的。用电场线所描绘电场强度，是“合”电场强度，而不是某个点电荷的电场强度。也就是说，任何电场的任何一个点的电场强度都是唯一的。根据这一点，我们又可以得出电场线的一个很重要的性质，这条性质是？
学生：思考（可作答也可不作答）
教师：（数秒后）电场线在电场中不相交。
教师：电场线还有几条很重要的性质，我们这里先不给出。等我们学习进一步深入，我们会慢慢地接触到。那时，同学们一定要做好汇总，写到你的笔记本上去。这是很重要的学习方法之一哦。
板书：四 匀强电场
教师：如果电场各点的电场强度的大小相等，方向相同，这个电场就叫做匀强电场。请同学们根据电场线的定义，画出匀强电场的电场线。
学生：操作。
教师：匀强电场也是一种理想化的模型，什么样的场源能近似产生匀强电场呢？显然，少数几个分离的点电荷是不可能产生的，那么我们提到的面电荷可不可以呢？
学生：思考，不必作答。
教师：给出如右图，并引导同学们观察，并分析其特征。
3 课堂思考题
思考题1 一条电场线能描述出电场强度大小吗？
思考题2 辨析：某一带电物体在某一电场的作用下，从静止开始运动起来，物体的运动轨迹与电场线必定重合。
4 课堂总结，结束新课
教师：同学们，通过这节课，你学到了些什么？
学生：叙述自己的收获。
以下是课件图片
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