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《電荷、庫侖定律》教學(xué)設(shè)計(jì) 高二年級(jí) 學(xué)科：物理 主備人：柴新艷 備課組長(zhǎng)：鄭仕潮 教學(xué)目標(biāo)： 1、知識(shí)目標(biāo)：知道正負(fù)電荷及其規(guī)定，定性的了解兩種電荷之間的作用規(guī)律，掌握起電的三種方式及其實(shí)質(zhì)，學(xué)會(huì)用庫侖定律詳細(xì)計(jì)算。 2、能力目標(biāo)：通過對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的觀察，總結(jié)出規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生概括總結(jié)的能力，理解電荷的物理模型。 3、情感目標(biāo)：滲透物理方法的教育，運(yùn)用理想化模型的研究方法，突出主要因素、忽略次要因素，抽象出物理模型——點(diǎn)電荷。 教學(xué)重點(diǎn)： 　　1、電荷的產(chǎn)生和一些基本概念； 2、庫侖定律的內(nèi)容及應(yīng)用； 教學(xué)難點(diǎn)： 1、 電荷守恒定律的計(jì)算 2、 庫侖定律的相關(guān)計(jì)算 教學(xué)過程： 一、 電現(xiàn)象的歷史回顧 公元前600年左右，希臘人發(fā)現(xiàn)了摩擦過的琥珀吸引輕小物體的現(xiàn)象。 16世紀(jì)，英國(guó)御醫(yī)吉爾伯特提出了電荷的概念。 18世紀(jì)，美國(guó)科學(xué)家富蘭克林提出了正負(fù)電荷的概念。 二、 電荷守恒定律 問題一、初中學(xué)過自然界有幾種電荷，它們間的相互作用如何？電荷的多少用什么表示？ 問題二、一般情況下物體不帶電，不帶電的物體內(nèi)是否存在電荷？如何使物體帶電？ 問題三、摩擦起電的實(shí)質(zhì)是什么？ 1、 兩種電荷， 正電荷：用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷。 負(fù)電荷：用毛皮摩擦過的橡膠棒所帶的電荷。 2、 兩種電荷之間的關(guān)系 同種電荷相互排斥 異種電荷相互吸引 3、幾個(gè)基本概念 讀課本p4頁回答下列問題 問題一、電荷的多少如何表示？它的單位是什么？ 電荷量：電荷的多少，簡(jiǎn)稱電量。單位:庫侖 C 比較電荷帶電的多少,要比較的是其電荷量的絕對(duì)值 電荷量的正負(fù)不表示電荷量的大小,只代表電荷的性質(zhì) 問題二、什么是元電荷？一個(gè)電子就是一個(gè)元電荷嗎？ 一個(gè)電子所帶電量為元電荷 所有帶電體所帶電荷量只能是元電荷的整數(shù)倍 問題三、元電荷的數(shù)值是多少？它的數(shù)值最早是由哪位物理學(xué)家測(cè)定的？ 元電荷的值美國(guó)科學(xué)家密立根 問題四、什么是比荷？電子的比荷是多少？ 帶電體的電荷量與質(zhì)量的比值叫做比荷 例1、關(guān)于元電荷的理解，下列說法中正確的是 ( D 　) A．元電荷就是電子 B．元電荷是表示跟電子所帶電荷量數(shù)值相等的電荷量 C．元電荷就是質(zhì)子 D．物體所帶的電荷量只能是元電荷的整數(shù)倍 練習(xí)1、科學(xué)家在研究原子、原子核及基本粒子時(shí)，為了方便，常常用元電荷作為電量的單位，關(guān)于元電荷，下列論述正確的是( ) 　A.把質(zhì)子或電子叫元電荷． 　B.1.60×10-19C的電量叫元電荷． 　C.電子帶有最小的負(fù)電荷，其電量的絕對(duì)值叫元電荷． 　D.質(zhì)子帶有最小的正電荷，其電量的絕對(duì)值叫元電荷． 練習(xí)2、帶電微粒所帶的電荷量不可能是下列值中的（ ） A. 2.4×10-19C B. B.-6.4×10-1 9C C.-1.6×10-18C D.4.0×10-17C 4、起電的三種方式 （1） 摩擦起電： a.物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu) b.摩擦起電的原因 當(dāng)兩個(gè)物體互相摩擦?xí)r，一些束縛得不緊的電子往往從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，于是原來電中性的物體由于得到電子而帶負(fù)電，失去電子的物體則帶正電。 c.起電實(shí)質(zhì) 電子的得失，電荷從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。 d.結(jié)果 兩個(gè)相互摩擦的物體帶上了等量異種電荷 例2、掛在絕緣細(xì)線下的兩輕質(zhì)導(dǎo)體球，由于電荷的相互作用靠近或遠(yuǎn)離，如圖所示，則：（ BC ） 　 A 甲圖中兩球一定帶異種電荷； B　甲圖中至少有一個(gè)帶電； C　乙圖中兩球一定帶同種電荷； D　乙圖中兩球可能只有一個(gè)帶電。 練習(xí)3、關(guān)于摩擦起電，下列說法中正確的是 (　C 　) A．兩個(gè)物體相互摩擦?xí)r一定會(huì)發(fā)生帶電現(xiàn)象 B．摩擦起電的兩個(gè)物體一定帶有等量同種電荷 C．在摩擦起電現(xiàn)象中負(fù)電荷從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體 D．在摩擦起電現(xiàn)象中正、負(fù)電荷同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)移 （2） 接觸起電 a. 起電原因 不帶電的物體與帶電體接觸，能使不帶電的物體帶上電，這種方式稱為接觸起電。 b. 起電實(shí)質(zhì) 電荷從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體 例3、半徑相同的兩個(gè)金屬小球A、B帶有相等的電荷量,相隔一定的距離,今讓第三個(gè)半徑相同的不帶電的金屬小球先后與A、B接觸后移開.①若A、B兩球帶同種電荷,接觸后的電荷量之比為:__________.②若A、B兩球帶異種電荷,接觸后兩球的帶電荷量之比為:___________. 練習(xí)4、把兩個(gè)完全相同的小球接觸后分開，兩球相互排斥，則兩球原來帶電情況可能是（ ） A．其中一個(gè)帶電，一個(gè)不帶電 B．兩個(gè)小球原來帶等量異種電荷 C．兩個(gè)小球原來帶同種電荷 D．兩個(gè)小球原來帶不等量異種電荷 作業(yè)1、有三個(gè)相同的絕緣金屬小球A、B、C，其中小球A帶有2.0×10-5C的正電荷，小球B、C不帶電．現(xiàn)在讓小球C先與球A接觸后取走 ，再讓小球B與球A接觸后分開，最后讓小球B與小球C接觸后分開，最終三球的帶電荷量分別是多少？ （3） 感應(yīng)起電: 利用靜電感應(yīng)使物體帶電 a. 起電機(jī)理—靜電感應(yīng) 當(dāng)一個(gè)帶電體靠近導(dǎo)體時(shí)，由于電荷間相互吸引或排斥，導(dǎo)體中的自由電荷便會(huì)趨向或遠(yuǎn)離帶電體，使導(dǎo)體靠近帶電體的一端帶異號(hào)電荷，遠(yuǎn)離帶電體的一端帶同號(hào)電荷。這種現(xiàn)象叫做靜電感應(yīng)。 b. 起電實(shí)質(zhì) 電荷的重新分配，電荷從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分 c.結(jié)果： 使導(dǎo)體靠近帶電體的一端帶異號(hào)電荷，遠(yuǎn)離的一端帶同號(hào)電荷 例3、如圖所示，當(dāng)帶正電的球C移近不帶電的枕形金屬導(dǎo)體時(shí)，枕形導(dǎo)體上的電荷移動(dòng)情況是：（ ） 枕形金屬導(dǎo)體上的正電荷向B端移動(dòng)，負(fù)電荷不移動(dòng) B、枕形金屬導(dǎo)體上的帶負(fù)電的電子向A端移動(dòng)，正電荷不移動(dòng) C、枕形金屬導(dǎo)體上的正、負(fù)電荷同時(shí)分別向B端和A端移動(dòng) D、枕形金屬導(dǎo)體上的正、負(fù)電荷同時(shí)分別向A端和B端移動(dòng) 練習(xí)5、如圖所示，將帶有負(fù)電的絕緣棒移近兩個(gè)不帶電的導(dǎo)體球，兩個(gè)導(dǎo)體球開始時(shí)互相接觸且對(duì)地絕緣，下列方法中能使兩球都帶電的是 (　　) A．先把兩球分開，再移走棒 B．先移走棒，再把兩球分開 C． 使棒與甲球瞬時(shí)接觸，再移走棒 D．先使乙球瞬時(shí)接地，再移走棒 5、起電的本質(zhì) 無論是哪種起電方式,其本質(zhì)都是電荷的轉(zhuǎn)移，而不是創(chuàng)造電荷. 5、電荷守恒定律 表述一： 電荷既不能創(chuàng)造,也不能消滅,它只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體,或從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分,在轉(zhuǎn)移的過程中，系統(tǒng)的電荷總數(shù)保持不變 表述二： 一個(gè)與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和總是保持不變。 課堂練習(xí) 1、用一根與毛皮摩擦過的硬橡膠棒，靠近不帶電驗(yàn)電器的金屬小球a，然后用手指瞬間接觸一下金屬桿c后拿開橡膠棒，這時(shí)驗(yàn)電器小球a和金箔b的帶電情況是（　?。? 　A、a帶正電，b帶負(fù)電 B、a帶負(fù)電，b帶正電 　C、a、b均帶正電 D、a、b均帶負(fù)電 作業(yè)2、有三個(gè)完全一樣的絕緣金屬球，A球帶的電荷量為q，B、C均不帶電?，F(xiàn)要使B球帶的電荷量為3q/8，應(yīng)該怎么辦？ 3、如圖所示,A、B是被絕緣支架分別架 起的金屬球,并相隔一定距離,其中A帶正電,B不帶電,則以下說法中正確的是: A.導(dǎo)體B帶負(fù)電; B.導(dǎo)體B左端出現(xiàn)負(fù)電荷,右端出現(xiàn)正電荷,并且電荷量大小相等; C.若A不動(dòng),將B沿圖中虛線分開,則左邊的電荷量小于右邊的電荷量; D.若A、B接觸一下,A、B金屬體所帶總電荷量保持不變. 4、有A、B、C三個(gè)完全相同的金屬球，A帶1.2×10－4C的正電荷，B、C不帶電，現(xiàn)用相互接觸的方法使它們都帶電，則A、B、C所帶的電荷量可能是下面哪組數(shù)據(jù) (　　) A．6.0×10－5C,4.0×10－5C,4.0×10－5C B．6.0×10－5C,4.0×10－5C,2.0×10－5C C．4.5×10－5C,4.5×10－5C,3.0×10－5C D．5.0×10－5C,5.0×10－5C,2.0×10－5C 拓展 驗(yàn)電器與靜電計(jì)在作用上的不同 驗(yàn)電器的主要作用有： （1）檢驗(yàn)導(dǎo)體是否帶電。 （2）檢驗(yàn)導(dǎo)體所帶電性。 靜電計(jì)也稱作指針式驗(yàn)電器，這說明它完全具備驗(yàn)電器的各種作用。由于靜電計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)，使得它又具備驗(yàn)電器不能替代的某些作用。 （1）定量測(cè)量?jī)蓪?dǎo)體間的電勢(shì)差。 （2）定量測(cè)量某導(dǎo)體的電勢(shì)。 練習(xí)1 一個(gè)帶正電的驗(yàn)電器如圖所示， A B + + 當(dāng)一個(gè)金屬球A靠近驗(yàn)電器上的金屬球B時(shí)，驗(yàn)電 器中金屬箔片的張角減小，則（ ） A．金屬球A可能不帶電 B．金屬球A一定帶正電 C．金屬球A可能帶負(fù)電 D．金屬球A一定帶負(fù)電 練習(xí)2 用毛皮摩擦過的橡膠棒靠近已帶電的驗(yàn)電器時(shí)，發(fā)現(xiàn)它的金屬箔片的張角減小，由此可判斷（ ） A．驗(yàn)電器所帶電荷量部分被中和 B．驗(yàn)電器所帶電荷量部分跑掉了 C．驗(yàn)電器一定帶正電 D．驗(yàn)電器一定帶負(fù)電 三、庫侖定律 人們對(duì)電荷的認(rèn)識(shí)是通過研究并認(rèn)識(shí)電荷間的相互作用而獲得的。沿襲牛頓對(duì)力的定義，將電荷間的相互作用力成為庫侖力或靜電力。這個(gè)力就是我們這節(jié)課要研究的核心問題。 （一）、庫侖力 q1 q2 靜止電荷之間的相互作用，稱為靜電力或庫侖力。 （二）、探究影響電荷間相互作用的因素 1、猜想：庫侖力可能與帶電體的電荷量和兩者之間的距離有關(guān) 2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ①實(shí)驗(yàn)裝置（如右圖所示）：引導(dǎo)學(xué)生從研究目的出發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，使實(shí)驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的作用。 ②觀察現(xiàn)象：（結(jié)合視頻演示） 改變小球電量和兩小球間距離，觀察小球偏離豎直方向的夾角大小，對(duì)應(yīng)于兩球間靜電力的大小。 ③實(shí)驗(yàn)結(jié)果：電荷之間的作用力隨電荷量增大而增大，隨距離的增大而減小（定性）。 （三）、庫侖定律 1、庫侖定律：真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上 2、表達(dá)式 3、適用條件 A．真空中 B．點(diǎn)電荷（理想模型） （1）.當(dāng)帶電體間距離比它們自身的大小大很多，當(dāng)帶電體的形狀、大小及電荷分布狀況對(duì)它們間作用力的影響可忽略不計(jì)時(shí)，可將其看做有電荷量的點(diǎn)（r《R） （2）.均勻帶電球體或球殼對(duì)其外部點(diǎn)電荷的作用，r是兩球心間的距離 （3）公式不適用于r→0的情況 4、注意： （1）k：比例系數(shù)，稱為靜電力常量。國(guó)際單位：，靜電力常量是一個(gè)與帶電體周圍介質(zhì)有關(guān)的量，真空中（空氣中近似相等），物理意義：兩個(gè)電荷量為1C的點(diǎn)電荷在真空中相距1m時(shí)，相互作用力是9.0×109N。 課堂練習(xí)： 估算一下，這么大的庫侖力相當(dāng)于多重的物體相距1米時(shí)的萬有引力？G=6.67×10-11Nm2/kg2 （1010kg） （2）使用庫侖定律計(jì)算時(shí)，點(diǎn)電荷電量用絕對(duì)值代入公式進(jìn)行計(jì)算，談后根據(jù)同性相斥、異性相吸判斷方向 A B C （3）庫侖力（靜電力）具有自己獨(dú)特的大小和方向，同時(shí)它也具有力的一切性質(zhì)（獨(dú)立性、合成和分解時(shí)遵守平行四邊形定則，相互作用力） （四）、庫侖扭秤實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)原理 如右圖所示。當(dāng)帶同種電的C球與A球靠近時(shí)，A球受到庫侖力的作用帶動(dòng)金屬絲扭轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)上方的旋鈕使AB回到原位置，根據(jù)兩次刻度值差求出AC間的作用力的大小。庫侖扭秤測(cè)量出了靜電力常量的值。 （五）、庫侖定律與萬有引力定律 問題：分析庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)中小球在水平面內(nèi)受力狀況 問題：兩球AC間的萬有引力是否影響扭秤扭轉(zhuǎn)？ 例1：已知?dú)浜说馁|(zhì)量是1.67×10-27kg，電子的質(zhì)量是9.1×10-31kg，在氫原子內(nèi)它們之間的最短距離為5.3×10-11m。試比較氫原子中氫核與電子之間的庫侖力和萬有引力 在一般尺度下，帶電體間的庫侖力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于萬有引力，萬有引力的影響可以忽略。 q1 q3 q2 F1 F2 F 練習(xí)1、真空中有三個(gè)點(diǎn)電荷，它們固定在邊長(zhǎng)50cm的等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上，每個(gè)點(diǎn)電荷都是+2×10-6C，求它們各自所受的庫侖力 例2、兩個(gè)半徑相同的金屬小球其球心間距r遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于球半徑R，帶電荷量之比為1：7，兩者相互接觸后再放回原來位置上，則相互作用力可能為原來的（ ） A. 4/7 B. 3/7 C. 9/7 D. 16/7 變式1、 兩個(gè)相同的帶電導(dǎo)體小球所帶電荷量的比值為1∶3，相距為r時(shí)相互作用的庫侖力的大小為F，今使兩小球接觸后再分開放到相距為2r處，則此時(shí)庫侖力的大小為： A、1/12F B、1/6F C、1/4F D、 1/3F 作業(yè)3、大小相同的金屬小球，所帶電量的值分別為Q1、Q2，且Q1=1/3Q2,把Q1,Q2放在相距較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)，它們間的作用力大小為F，若使兩球相接觸后再分開放回原位置，求它們間作用力的大?。? 練習(xí)2、要使真空中的兩個(gè)點(diǎn)電荷間的庫侖力增大到原來的4倍，下列方法中可行的是：（ ） A、每個(gè)點(diǎn)電荷的帶電量都增大到原來的2倍，電荷間 的距離不變 B、保持點(diǎn)電荷的帶電量不變，使兩個(gè)電荷間的距離增大到原來的2 倍 C、使一個(gè)點(diǎn)電荷的電荷量加倍，另一個(gè)點(diǎn)電荷的電荷量保持不變，同時(shí)將兩個(gè)點(diǎn)電荷間的距離減小為原來的1/2 D、保持點(diǎn)電荷的電荷量不變，將兩個(gè)點(diǎn)電荷的距離減小到原來的1/2 三、點(diǎn)電荷、帶電體的靜電平衡 在真空中某處同時(shí)存在幾個(gè)點(diǎn)電荷、帶電體，由于相互間庫侖力的作用而保持平衡狀態(tài)的現(xiàn)象。處理方法： ①庫侖定律 ②受力分析 題型一、如圖所示，用兩根同樣長(zhǎng)的細(xì)繩把兩個(gè)帶同種電荷的小球懸掛在一點(diǎn)。兩球的質(zhì)量相等，A球所帶的電荷量大于B球所帶的電荷量。兩球靜止時(shí)，懸線與豎直線的偏角分別為α和β，則( ) A、 α>β B、 α=β C、 α<β θ b a O 練習(xí)1、兩小球用等長(zhǎng)的絕緣細(xì)線懸掛于同一點(diǎn)O，兩小球因帶同號(hào)電荷而使球b懸線豎直地靠在墻上，a球被推開一定角度而平衡。今令其失去部分電量，結(jié)果θ角變小后又重新平衡，則關(guān)于懸線對(duì)a球的拉力大小變化情況為（ ） A.一定增大 B.一定減小 C.一定不變 D.無法確定 變式2、 如圖1所示，用兩根絕緣絲線掛著兩個(gè)質(zhì)量相同不帶電的小球A和B，此時(shí)，上、下絲線受的力分別為TA、TB；如果使A帶正電， 題型二、A B 在一條直線上有兩個(gè)相距0.4m的點(diǎn)電荷A、B，A帶電荷量為+Q，B帶電荷量為-9Q?，F(xiàn)引入第三個(gè)點(diǎn)電荷C，恰好使三個(gè)點(diǎn)電荷處于平衡狀態(tài)。則C應(yīng)帶什么性質(zhì)的電荷，電荷量為多少？ 三個(gè)點(diǎn)電荷平衡規(guī)律: 三點(diǎn)共線，兩同夾異（同性在兩邊，異性在中間），兩大夾小，近小遠(yuǎn)大 練習(xí)2、 A、B兩個(gè)點(diǎn)電荷，相距為r，A帶有9Q的正電荷，B帶有4Q的正電荷 ⑴如果A和B固定，應(yīng)如何放置第三個(gè)點(diǎn)電荷q，才能使此電荷處于平衡狀態(tài)？ ⑵如果A和B是自由的，又應(yīng)如何放置第三個(gè)點(diǎn)電荷，使系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，且求第三個(gè)點(diǎn)電荷的電量q的大小及電性. 結(jié)論： ①當(dāng)A、B已固定，只要求C球受力平衡，則C球的位置是唯一確定的，對(duì)其電量、電性無要求 ②當(dāng)A、B未固定，要求三球均平衡，則對(duì)C球的位置、電量、電性都有要求 作業(yè)4：將本題中B的電荷量改為－4Q，其余不變 F1 A B 變式1、光滑絕緣水平面上帶電小球A、B質(zhì)量分別為m1=2g，m2=1g，它們的電荷量相等，q1= q2=10-7C。A球帶正電，B球帶負(fù)電?，F(xiàn)在水平恒力F1向右作用于A球，這時(shí)A、B一起向右運(yùn)動(dòng)，且保持距離d=0.1m不變。試問：F1多大？它們?nèi)绾芜\(yùn)動(dòng)？ 作業(yè)5、如圖所示，在光滑絕緣的水平面上沿一直線等距離排列三個(gè)小球A、B、C，三球質(zhì)量均為m，相距均為L(zhǎng)，若三球均帶電，且qA= + 10q，qB= + q，為保證三球間距不發(fā)生變化，將一水平向右的恒力F作用于C球，使三者一起向右勻速運(yùn)動(dòng)。求：（1）F的大?。唬?）C球的電性和電量。 練習(xí)2、在豎直放置的半徑為R的光滑半圓形絕緣細(xì)管的圓心O處放一點(diǎn)電荷?，F(xiàn)將質(zhì)量為m、電荷量為+q的小球從半圓的水平直徑端點(diǎn)A靜止釋放，小球沿細(xì)管滑到最低點(diǎn)B時(shí)，對(duì)管壁恰好無壓力，則置于圓心處的點(diǎn)電荷帶什么電？電量大小為多少？ 拓展：如圖在正方形的三個(gè)頂點(diǎn)處各固定一個(gè)點(diǎn)電荷Q1、Q2,電性如圖，則在另一個(gè)頂點(diǎn)再放一個(gè)q電荷，要使q靜止，Q1、Q2的大小關(guān)系如何？ q的電荷量和電性能不能確定？ 小結(jié)： 1、 自然界中的兩種電荷 2、 3種起電方式 接觸帶電——電荷轉(zhuǎn)移 摩擦起電——電子得失 感應(yīng)起電——電荷重新分布 3、 電荷守恒定律 4、 庫侖定律 （1）公式：F＝kQ1Q2/r2 k＝9.0×109N.m2/C2 （2）條件： ①真空 ②點(diǎn)電荷：同質(zhì)點(diǎn)、單擺一樣，是一個(gè)理想化的模型，一個(gè)科學(xué)的抽象 11