2019-2020年人教版高中物理選修3-1 第一章 第3節(jié) 電場強度 教案1.doc

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2019-2020年人教版高中物理選修3-1 第一章 第3節(jié) 電場強度 教案1 三維目標 知識與技能 1．知道電荷間的相互作用是通過電場發(fā)生的，知道電場是客觀存在的一種特殊物質(zhì)形態(tài)； 2．理解電場強度的概念、定義式及有關(guān)的計算，知道電場強度是矢量及方向是怎樣規(guī)定的； 3．根據(jù)庫侖定律和電場強度的定義式推導(dǎo)點電荷場強的計算式并能進行有關(guān)的計算； 4．知道電場的疊加原理并應(yīng)用這個原理進行簡單的計算。 5．知道什么是電場線，知道用電場線可以形象地表示電場的方向和強弱； 6．知道一個點電荷，兩個等量點電荷、點電荷與帶電平行板間的電場線的分布； 7．知道什么是勻強電場，以及勻強電場的電場線的分布； 8．知道兩塊靠近的平行金屬板，大小相等，互相正對，分別帶有等量的正負電荷，它們之間的電場（除邊緣附近外）是勻強電場。 過程與方法 1．通過分析電場中不同點的電場力F與電荷電量q的比例關(guān)系，使學(xué)生理解F/q比值反映的是電場的強弱。通過類比方法、比值法定義物理量，提高學(xué)生研究問題的能力； 2．知道電場疊加的一般方法。 3．用電場線形象化地描述電場，使學(xué)生達到運用形象思維上升到抽象思維的境界。 情感態(tài)度與價值觀 1．使學(xué)生學(xué)會由個別事物的個性來認識一般事物的共性的認識事物的一種重要的科學(xué)方法；培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會分析和處理電場問題的一般方法。 2．通過電場的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生對物質(zhì)的認識觀。 3．使學(xué)生從一些特殊事物找出它們的共性而得到一般的規(guī)律； 4．通過各種電場中電場線的描繪，滲透物理學(xué)中的美學(xué)教育。 教學(xué)重點 電場、電場強度和電場線的概念，電場強度的定義式。 教學(xué)難點 1．電場概念的理解、應(yīng)用電場的疊加原理進行簡單的計算。 2．對E＝和E＝的理解。 3．對理解電場線的性質(zhì)。 教學(xué)方法 歸納推理法、講授法、實驗分析法、歸納總結(jié)法。 教具準備 有機玻璃棒一根、絲綢一塊，絕緣導(dǎo)體球大小各一個，細絲線一條，鐵架臺一個。感應(yīng)起電機一臺，盛有蓖麻油與奎寧的針狀結(jié)晶或頭發(fā)屑混和物的玻璃培養(yǎng)皿一個，一對電極球，一對平行板電極，常見電場的電場線分布的投影片。 課時安排 2課時 教學(xué)過程 ［新課導(dǎo)入］ 問題：庫侖定律的文字表述、公式、適用條件？ 文字表述，真空中兩個點電荷之間相互作用的電力，跟它們的電荷量的乘積成正比，跟它們距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上。 適用條件：真空(干燥空氣)中，點電荷。 公式：F＝，求解靜電力F時，利用公式將q1、q2代絕對值，求得大小，方向依據(jù)同斥異引判定。 問題：電荷間相互作用的引力和斥力是如何實現(xiàn)的？ 電荷間相互作用不需要直接接觸，它們間的的引力和斥力是通過第三者間接作用而完成的。 萬有引力曾被認為是一種既不需要媒介，也不需要經(jīng)歷時間，而是超越空間與時間直接發(fā)生的作用，并被稱為超距作用。盡管牛頓本人不贊成這種說法，并指出：“沒有其他東西做媒介，一個物體可以超越距離通過真空對另一個物體作用……在我看來，這種思想荒唐之極。”然而，他未能解決這個問題，因而仍然有人把萬有引力說成是典型的超距作用。 庫侖的平方反比定律似乎表明，靜電力像萬有引力一樣，也是一種超距力，然而，超距作用的觀點不可避免地帶來一些神秘色彩，與人類的理智和科學(xué)追求不符，是18～19世紀的多數(shù)科學(xué)家難于接受的。使人們擺脫這一困境的是英國人法拉第，一位對事物本性有深刻洞察力的科學(xué)家。 完成電荷間相互作用的東西我們看不見，摸不著，但它確確實實存在，是一種客觀存在的特殊的物質(zhì)形態(tài)，把它稱為場。本節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)有關(guān)電場的問題。 ［新課教學(xué)］ 一、電場 1．概念 電荷A 電荷A的電場 電荷B 電荷B的電場 產(chǎn)生 產(chǎn)生 施力 施力 19世紀30年代，法拉第提出一種觀點，認為在電荷的周圍存在著由它產(chǎn)生的電場，處在電場中的其他電荷受到的作用力就是這個電場給予的。例如，電荷A對電荷B的作用力，就是電荷A的電場對電荷B的作用；電荷B對電荷A的作用力，就是電荷B的電場對電荷A的作用。 存在于電荷周圍，能傳遞電荷間相互作用力的一種特殊物質(zhì)，稱為電場。 電荷之間的相互作用是通過電場來發(fā)生的。只要有電荷存在，電荷的周圍就存在著電場。 近代物理學(xué)的理論和實驗證實并且發(fā)展了法拉第的觀點。電場以及磁場已被證明是一種客觀存在，并且是互相聯(lián)系的，統(tǒng)稱為電磁場。變化的電磁場以有限的速度──光速，在空間傳播。它和分子、原子組成的實物一樣具有能量、質(zhì)量和動量，因而場與實物是物質(zhì)存在的兩種不同形式。 應(yīng)該指出的是，只有在研究運動的電荷，特別是運動狀態(tài)迅速變化的電荷時，上述電磁場的實在性才突顯出來。在本章中，只討論靜止電荷產(chǎn)生的電場，稱為靜電場。這種情況下，可以認為電場只是描述電荷相互作用的一種有效而且方便的方法。 2．電場的基本性質(zhì) （1）對放入其中的電荷有力的作用 放入電場中的任何帶電體都將受到電場力的作用，這種力稱為電場力。且同一點電荷在電場中不同點處受到的電場力的大小或方向都可能不一樣。 （2）電場能使放入電場中的導(dǎo)體產(chǎn)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象 （3）電場具有能量 當帶電體在電場中移動時，電場力將對帶電體做功，這表示電場具有能量。 電場具有力和能的特征。 3．電場的屬性 （1）特殊性 不同于生活中常見的物質(zhì)，看不見、摸不著、無法稱量、可以疊加。 （2）物質(zhì)性 是客觀存在的，具有物質(zhì)的基本屬性──質(zhì)量和能量。 二、電場強度 電場明顯的特征之一是對場中其他電荷有力的作用，因此在研究電場的性質(zhì)時，可以從靜電力入手。 1．試探電荷與場源電荷 （1）試探電荷 ①試探電荷（檢驗電荷） 為了研究電場的存在及其強弱分布，必須在電場中放入電荷，以測量電場對它的作用力，引入的電荷叫做試探電荷。 用來檢驗電場是否存在及其強弱分布情況的電荷，稱為試探電荷或檢驗電荷。 ②試探電荷必須滿足的條件 a．電量充分小 試探電荷的電量應(yīng)當充分小，放入至后，不致影響原來要研究的電場。即放入后，對場源電荷分布的影響要足夠小，從而可以忽略。 b．體積充分小 試探電荷的體積要充分小，相對于場電荷要能被看作點電荷，這樣便于用來研究電場中各點的情況。 （2）場源電荷 形成電場的電荷稱為場源電荷。 2．電場強度 電場的力的性質(zhì)用什么物理量來描述呢？ +Q +q A FA +q B FB 【演示】將絕緣導(dǎo)體球放在桌面上，用絲線將小球懸于鐵架臺上，用與絲綢摩擦過的有機玻璃棒反復(fù)多次使兩球帶電。實驗過程中緩慢移到鐵架臺到不同位置。 現(xiàn)象：小球偏離一定角度。將鐵架臺緩慢移到不同位置，偏角不同。 結(jié)論：小球處于絕緣導(dǎo)體球的電場中的不同位置，所受電場力的大小和方向不同，如圖。 這表明電場的強弱和方向是與位置有關(guān)的。 問題：不同點電荷在電場中同一點所受電場力相同嗎？ 【演示】將兩球位置固定，用摩擦起電后的有機玻璃棒給兩球帶電，細線偏離一定角度。用不帶電的有機玻璃棒接觸小球后拿開。 現(xiàn)象：用不帶電的有機玻璃棒接觸小球后，小球的電量減小了，絲線偏離的角度減小。 結(jié)論：說明電場力減小，即不同點電荷在電場中同一點所受電場力不同。 根據(jù)上面的結(jié)論可知，試探電荷在電場中受到的電場力與試探電荷有關(guān)，電場中某確定點的電場力的大小和方向具有不確定性，不可以用電場力來描述電場本身的力的性質(zhì)。 然而，人們很自然地會想到，如果把一個很小的電荷q1用做試探電荷，它在電場中的某個位置受到的靜電力是F1，另一個同樣的電荷q1在同一位置受到的靜電力一定也是F1；現(xiàn)在把兩個這樣的電荷一同放在這里，它們總的電荷量是2q1，它們所受的合力很可能就是2F1。依次類推，三個這樣的電荷放在這里，電荷量是3q1，受到的靜電力可能是3F1……也就是說，試探電荷在電場中某點受到的力F很可能與試探電荷的電荷量q成正比 F＝Eq 式中E是比例常數(shù)，與試探電荷q無關(guān)。 實驗表明，我們的推測是正確的：試探電荷在電場中某個位置所受的力，的確與試探電荷的電荷量成正比。實驗還表明，在電場的不同位置，比例常數(shù)E一般是不一樣的，它反映了電場在這點的性質(zhì)。 物理學(xué)中引入一個新的物理量“電場強度”來描述電場的力的性質(zhì)。 （1）定義 放入電場中某點的電荷所受的電場力F跟它的電荷量q的比值，叫做該點的電場強度，簡稱場強。 （2）公式 E＝（量度式，適用于任何電場） 這是利用比值定義法定義電場強度的，是物理學(xué)中定義物理量經(jīng)常采用的方法。在物理學(xué)中，常常用比值定義一個物理量，用來表示形容對象的某種性質(zhì)，如密度、速度等。比值定義法，在定義一個新的物理量的同時，也確定了這個新的物理量與原有物理量之間的關(guān)系，這是任何采用比值定義法定義的物理量的共同特點。 （3）場強的大小和方向 電場強度是反映電場本身力的性質(zhì)的物理量，有大小和方向，是矢量。 ①大?。旱扔趩挝浑姾闪康碾姾墒艿降碾妶隽Φ拇笮　? ②方向：跟正電荷在該點所受的電場力的方向相同。 物理學(xué)中規(guī)定，電場中某點的電場強度方向跟正電荷在該點所受的靜電力的方向相同。按照這個規(guī)定，負電荷在電場中某點所受的靜電力的方向跟該點的電場強度方向相反。 （4）場強的單位 在國際單位制中，場強的單位是牛頓每庫侖，符號為N/C。如果1C的電荷在電場中的某點受到的電場力是1N，這一點的電場強度就是1N/C。電場強度的另一單位是伏特每米，1N/C＝1V/m。 （5）電場強度的物理意義 問題：E由F、q決定嗎？ 分析：E表示電場本身的屬性，與F、q無關(guān)，即E跟電場中某點有無試探電荷和試探電荷的電荷量的多少，電性如何、所受電場力均無關(guān)。 公式E＝是量度式，E可用該公式計算，但不是由它決定的，不能說E與F成正比，與q成反比。 電場強度是表示電場的強弱和方向的物理量，反映了電場本身的力的性質(zhì)，由電場本身決定，與試探電荷無關(guān)，具有唯一性。 拓展：那F由E、q決定嗎？ 分析：F由E、q決定，F(xiàn)＝Eq（決定式），這是計算電荷在電場中受到的電場力的通用計算公式。 三、點電荷的電場、電場強度的疊加 1．點電荷的電場 電場強度是描述電場性質(zhì)的物理量，在靜電場中，它不隨時間改變。在某一電荷的電場中，不同位置的電場強度一般是不同的。電場強度與產(chǎn)生它的場源電荷有什么關(guān)系呢？電場強度由電場本身決定，由電場本身的哪些因素決定呢？下面以點電荷為例分析。 （1）真空中點電荷的場強公式 點電荷是最簡單的場源電荷。設(shè)一個點電荷的電荷量為Q，與之相距r的試探電荷的電荷量為q，根據(jù)庫侖定律，試探電荷所受的力為 F＝ 依電場強度的定義，E＝，所以，該點電場強度的大小為 （決定式） 式中k＝9.0109Nm2/C2。Q為場源電荷的電荷量，r為電場中研究點到Q的距離，均為電場本身的物理量。 ＋Q P E －Q P E （2）適用條件 真空（干燥空氣）、點電荷。 （3）點電荷場強方向 如果場電荷Q是正電荷，E的方向就是沿著PQ連線并背離Q；如果場電荷Q是負電荷，E的方向就是沿著PQ連線并指向Q。 由此進一步證明：確定電場中的確定點，其場強無論大小，還是方向都是確定的，跟此點有無電荷、電荷的電荷量、電荷的電性、所受電場力等均無關(guān)。 但電荷在電場中所受電場力的大小和方向，除了與場強的大小、方向有關(guān)，還與該點的試探電荷的電荷量、電荷的電性等有關(guān)。 問題討論： 在以點電荷為球心的球面各點的場強是否相同？ 場強是矢量，以點電荷為球心的球面上各點的場強大小相同，但方向不同，所以場強矢量不同。 2．電場強度的疊加 （1）電場的疊加原理 問題：如果空間中有幾個點電荷同時存在，此時各點的場強是怎樣的呢？ ＋Q1 P E1 －Q2 E E2 由于場強是矢量，類似于力，矢量均滿足獨立性原理和疊加原理，故電場互相疊加，形成合電場，則某點的場強等于各個電荷單獨存在時在該點產(chǎn)生的場強的矢量和，即利用平行四邊形定則進行合成。 這說明電場的作用是可以疊加的。例如：圖中P點的場強，等于＋Q1在該點產(chǎn)生的電場強度E1和－Q2在該點產(chǎn)生的電場強度E2的矢量和。 電場中某點的電場強度為各個電荷單獨存在該點產(chǎn)生的電場強度的矢量和。 （2）均勻帶電球體的電場 一個比較大的帶電物體不能看做點電荷。在計算電場時，可以把它分做若干小塊，只要每個小塊足夠小，就可以把每小塊所帶的電荷看成點電荷，然后用點電荷電場強度疊加的方法計算整個帶電體的電場。 可以證明，一個半徑為R的均勻帶電球體（或球殼）在球的外部產(chǎn)生的電場，與一個位于球心的、電荷量相等的點電荷產(chǎn)生的電場相同球外各點的電場強度也是 式中r是球心到該點的距離（r＞R），Q為整個球體所帶的電荷量。 【例題】如圖所示，在真空中有兩個點電荷Q1＝＋3.010－8C和Q2＝－3.010－8C，它們相距0.1 m。求電場中A點的場強，A點與兩個點電荷的距離r相等，r＝0.1 m。 解析：真空中點電荷Q1和Q2的電場在A點的場強分別為E1和E2，它們大小相等，方向如圖。 Q1 A E1 Q2 E E2 合場強E、場強E1、場強E2矢量三者構(gòu)成一正三角形，故合場強E的方向與Q1和Q2的連線平行。合場強的大小為 E＝E1cos60＋E2 cos60＝2E1cos60 即E＝E1＝E2＝＝2.7104V/m 場強的方向與兩點電荷的連線平行，并指向負電荷一側(cè)。 注意：用求解E時，同樣應(yīng)注意Q代電荷量的絕對值，方向根據(jù)場源電荷Q的電性確定。 拓展：求Q1和Q2連線中點處的場強。 四、電場線 電場強度是很重要的物理量。如果知道了電場中各點的場強E，便可由F＝qE很方便地求出電荷在電場中任意點所受電場力的情況，即掌握了電場的力的性質(zhì)。 在電場中不同點的場強的大小、方向一般是不同的，即場強在空間的分布是很復(fù)雜的。怎樣才能方便地了解電場中各點場強的情況呢？ 在初中學(xué)習(xí)磁場時，我們形象地用磁感線來描述磁場。在描述電場時，最好也用一個圖象來直觀地表示，英國物理學(xué)家法拉弟首先采用一個簡潔的方法描述電場，那就是畫電場線。 1．電場線 A C B 在電場中畫出的一條條有方向的曲線，曲線上每點的切線方向表示該點的電場強度方向，這樣的曲線就叫做電場線。 問題：如電場線是直線，場強E方向如何？ 結(jié)論：場強E的方向與電場線的指向一致。 2．幾種典型的電場線分布 清楚了電場線的概念，接下來熟悉幾種典型的電場線的分布。 （1）點電荷的電場線 電場線的方向（箭頭指向）即場強的方向，故對正的場源電荷，箭頭向外；對負的場源電荷，箭頭向內(nèi)。 (由平面內(nèi)的電場線分布建立立體空間內(nèi)的電場線分布) （2）等量異種點電荷的電場線 (由平面內(nèi)的電場線分布建立立體空間內(nèi)的電場線分布。思考：若異種電荷不等量，電場線怎樣？) （3）等量同種點電荷的電場線 (由平面內(nèi)的電場線分布建立立體空間內(nèi)的電場線分布。思考：等量同種負電荷的電場線怎樣？) （4）點電荷與帶電平板的電場線 (思考：若點電荷與平板的電性互換電場線怎樣？若點電荷與平板帶同種電荷電場線怎樣？) （5）帶等量異種電荷的平行金屬板間的電場線 3．電場線的實驗?zāi)M 【演示】 模擬電場線 電場線的形狀可以用實驗來模擬。把頭發(fā)屑懸浮在蓖麻油里，加上電場，微屑就按照電場強度的方向排列起來，顯示出電場線的分布情況，如圖所示，是兩種情況下的照片。 問題：電場線是否真實存在？ 結(jié)論：電場線不是真實存在的線，實驗和舉例中并沒有實際畫出的電場線，只是奎寧的針狀結(jié)晶或頭發(fā)屑、頭發(fā)排列而成的形狀。電場線不是電場里實際存在的線，而是形象地描述電場的假想的線。我們無法從電荷周圍的電場中去抓出一把電場線來。 如圖，帶電人體的頭發(fā)由于靜電斥力而豎起散開，其形狀也大致顯示出電場線的分布。 電場線是為形象描述電場而引入的假想的線，不是電場里實際存在的線。 4．電場線的物理意義 問題：從典型的電場線分布，歸納出電場線怎樣表示電場的強弱？ 分析：在離場源電荷越近的地方，場強越強，從上述實驗可看出，在離場源電荷越近的地方，電場線越密，所以可用電場線的疏密表示場強的強弱。 （1）電場線中某點的切線方向表示該點的場強方向； （2）電場線的疏密程度表示場強的相對大小。 5．電場線的特點 由以上幾種典型電場的電場線的分布圖可以歸納出電場線的特點如下： （1）電場線上某點的切線方向表示該點的場強方向，電場線的疏密程度表示場強的相對大小。 （2）電場線不是真實存在的，是形象地描述電場的假想的線。 （3）電場線是不封閉的曲線，從正電荷或無窮遠處出發(fā)，終止于負電荷或無窮遠處，電場線不會在沒有電荷的地方中斷。 （4）靜電場中任意兩條電場線都不相交。 靜電場中任意一點只有惟一確定的場強矢量，若兩條電場線交于一點，則交點處存在兩個場強方向，這顯然是不可能的，故任兩條電場線不相交。 （5）靜電場中任意兩條電場線也不相切。 若兩條電場線相切，則表示切點處的場強趨近于無窮大，這在實際中是不可能發(fā)生的，故任意兩條電場線都不相切。 （6）僅在電場力作用下，電場線一般不是電荷的運動軌跡。 【問題討論】 ①當電場線為直線時 當電荷僅受電場力，且初速度為零或初速度方向與電場線在同一直線上時，電場線與電荷的運動軌跡重合。 當電荷僅受電場力，但初速度方向與電場線不在同一直線上時，電場線與電荷的運動軌跡不重合。 ②當電場線為曲線時 做曲線運動的物體，其運動方向不斷在改變，因此法向力不能為零。當電荷僅受電場力時，沿著曲線的電場線運動時，運動到任一位置，受到的電場力方向一定沿電場線的切線方向，法向力為零，沒有法向力的來源。由此可知，當電場線為曲線時，電荷僅受電場力作用時一定不會沿著電場線運動，即電場線為曲線時，電場線與電荷的運動軌跡一定不重合。 五、勻強電場 1．定義 電場中各點電場強度的大小相等、方向相同，這個電場就叫勻強電場。 2．勻強電場的電場線 勻強電場的場強處處大小和方向都相同。方向相同，電場線應(yīng)彼此平行；大小相同，電場線應(yīng)等間距。 勻強電場的電場線是間隔相等的平行直線。 問題：帶等量異種電荷的平行板間的電場線有何特點？說明什么？ 結(jié)論：除邊緣附近外，電場線是間距相等的平行直線。說明場強的大小、方向都相同。所以，帶等量異種電荷的平行板間的電場為勻強電場。 ［小結(jié)］ 通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們認識了物質(zhì)存在的一種形式──場，并學(xué)會了用場的性質(zhì)來研究它，要體會這種研究方法。 電場是一種存在于電荷周圍的客觀存在的特殊物質(zhì)形態(tài)，電場的基本性質(zhì)是對放入其中的電荷有力的作用。 用電場強度來描述電場本身的力的性質(zhì)，E＝是采用比值定義法定義的，不由F、q（試探電荷）決定，根據(jù)公式（真空中點電荷），E由Q（場源電荷），r（與場源電荷的距離）決定，即場強由電場本身的性質(zhì)決定。 如果有幾個點電荷同時存在，它們的電場就互相疊加，形成合電場.這時某點的場強等于各個電荷單獨存在時在該點產(chǎn)生的場強的矢量和。 我們還學(xué)習(xí)了物理學(xué)中研究問題的一種重要方法──用電場線形象地描述抽象的電場。電場線的方向→場強的方向，電場線的疏密→場強的大小。了解了幾種典型的電場線的分布和電場線的特點。 學(xué)習(xí)了最簡單的也是中學(xué)階段應(yīng)用最多的勻強電場及其電場線特點。 ［布置作業(yè)］ 教材第4頁“問題與練習(xí)”。