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2019-2020年新課標魯科版3-1 選修三1.3《電場及其描述》 WORD教案4 【教學目的】 1、了解電場,了解場是一種物質.場和實物是物質存在的不同形式.電場存在于電荷周圍,電荷通過電場這種物質間接對另一電荷施加靜電力的作用. 2、理解電場強度,會計算電場強度.理解其矢量性與疊加性,但不要求作復雜的疊加運算. 3、知道電場線的物理意義.會用電場線描述電場的強弱和方向,了解點電荷電場和勻強電場等幾種電場線的分布特征. 【教學重點】 理解電場強度,會計算電場強度.理解其矢量性與疊加性,但不要求作復雜的疊加運算.知道電場線的物理意義.會用電場線描述電場的強弱和方向,了解點電荷電場和勻強電場等幾種電場線的分布特征 【教學難點】 了解電場,了解場是一種物質.場和實物是物質存在的不同形式.電場存在于電荷周圍,電荷通過電場這種物質間接對另一電荷施加靜電力的作用 【教學媒體】 實驗器材：有水龍頭的實驗室．梳子．絲綢.玻璃棒.帶絕緣座的金屬球.絕緣細線.鐵架臺.帶電小球 課件：視頻——模擬電場線實驗，《揭密》片段，F(xiàn)LASH課件——模擬電場線 【教學過程】 【新課導入】 利用視頻＿《揭密》中＂大師＂遠處＂發(fā)功＂推動桌面上裝水的搪瓷臉盆，實際上是桌下的人用強磁鐵＂吸引搪瓷（里面是鐵）運動．教師聲稱自己也會發(fā)功，（演示實驗）用梳過頭的梳子吸引細小水流＿請學生來揭密．導出電荷之間的作用力與磁體之間的作用力都可以不通過接觸產生．因此施力體比較隱蔽，常被魔術師借用，甚至被騙子利用，我們對這些看起來似乎是不可思議的現(xiàn)象，首先要用科學的方法去分析，要仔細觀察思考，不被騙． 彈力和摩擦力都需要直接接觸．而重力（萬有引力）則和電荷之間的作用力與磁體之間的作用力一樣，都可以不通過接觸產生．這種作用力是怎么從一個物體到另一個物體的呢？這在歷史上有過長期的爭論：一種觀點認為這種作用力是超距作用，從一個物體到另一個物體是直接的不需要介質也不需要時間，這種方式可以表示為：電荷電荷；另一種觀點以在19世紀30年代法拉第為代表，認為這些力是通過一種叫＂場＂的媒介傳遞的．帶電體或磁體周圍產生了一種由電或磁產生的物質，法拉第把它們稱為電場和磁場，（地球周圍則形成引力場），場則對放入其中的某些物體（如電場對放入場中的電荷）產生作用力．這種作用方式可以表示為：電荷電場電荷；；好比是漁民撒開漁網，撞入網中的魚就＂中招＂了． 【新課內容】 1. 場是真實存在的： 教師提問：如何判斷超距作用和場這兩種觀點誰正確？ （學生討論）如果超距作用是正確的，則這種電荷間的作用力與中間介質無關，且不需要時間． 教師指出：實際上法拉第通過實驗發(fā)現(xiàn)電荷間的作用力與中間介質有關，不同的介質作用力不同．現(xiàn)代物理學還發(fā)現(xiàn)這種作用力從一個物體到另一個物體需要時間，這都證明了場的存在．＂場＂雖然不象實物，它看不見，摸不著，但是客觀存在的．在后來的許多物理學家的研究下，發(fā)現(xiàn)場也與實物一樣有質量和能量．電荷周圍有電場，磁體周圍有磁場，物體周圍有引力場．因此我們現(xiàn)在學習電場的研究方法可以推廣到磁場和引力場的研究中． 場已被證明是一種客觀存在的物質形態(tài)，電視臺和無線電廣播電臺就是靠激發(fā)電磁場的方式發(fā)送各種節(jié)目信號的。雖然電磁場“看不見”“摸不著”，但是我們卻可以在遠離發(fā)射塔的地方，用電視機和收音機接受到它們發(fā)送的節(jié)目信號，這就是電磁場客觀存在的很好例證。本節(jié)課我們就來學習描述電場的重要概念。 2. 電場力的概念以及利用電場力檢測電場的存在。 提問：我們怎樣研究電場呢？比如：怎么知道某一空間(老師的講臺上)是否存在電場? 討論：方法一：檢查周圍是否有形成電場的電荷? 方法二：電場能夠對處于場中的電荷施加力的作用?？衫秒姾蓹z驗其是否受電場給的力來檢查電場的存在。（如圖1）拿一個帶電體放入這個區(qū)間,看它是否受力產生狀態(tài)變化. 哪種方法更好呢？ 通過討論提出：由于帶電體能吸引輕小物體，所以最好用來檢驗的帶電體本身電量較小，我們稱這種帶電體為檢驗電荷或試探電荷。(演示實驗:用試探電荷檢驗電場是否存在。如圖1所示，使有絕緣支柱的大金屬球帶電作為場源電荷，使絲線吊著的小鋁箔球帶少量電荷，用它代替檢驗電荷q。) 教師指出：這種力稱為電場力．它與原來說的靜電力、庫侖力是一回事。原來我們說電荷q１對電荷q2產生靜電力（或說庫侖力）,現(xiàn)在應該怎么說? 回答：電荷q1產生電場,這個電場對電荷q2產生作用力。 電場對放入其中的帶電體能產生電場力，這是電場的基本性質之一。所以我們可以選擇一個帶電量很小、線度也很小的試探電荷q，分別放入帶電體Q所產生的電場中的不同位置，觀察檢驗電荷q受到的電場力有何特點。 3. 電場強度 （1） 實驗探究場強的定義： 實驗一：教師有意將試探電荷緩慢地移過不同位置.引導學生仔細觀察絲線的傾斜方向。 現(xiàn)象：鋁箔球在電場中不同方位均有偏轉，說明此地都有電場，但絲線傾斜的方向不同。說明不同位置電場力不同。 實驗二：鋁箔球逐漸遠離場源，注意觀察絲線偏離豎直方向的角度。 現(xiàn)象：偏角逐漸減小。 問：由這兩個實驗我們能得到什么結論？ 學生答后教師歸納：以上兩個實驗表明，在電場中不同點，電場對檢驗電荷施加的電場力的大小和方向一般是不同的。比如在A點電場對電荷施加方向向右的作用力，在D點電場對電荷施加方向向左的作用力，在A點電場對電荷的作用力大，在B點電場對電荷施加的作用力小。 提問：形成這一不同的原因在于施力的電場呢還是在于受力的電荷? (學生討論并說明理由) 教師歸納：由于試探電荷自身沒有變化，所以我們說這是不同處的電場對電荷施加電場力的能力不同,哪里的電場比較強呢?怎么說明? 討論：用檢驗電荷受到的電場力，行嗎？（學生討論——估計多數(shù)學生會說可以，電場力大的說明電場強，教師保留問題，繼續(xù)實驗三） 實驗三：把鋁箔球放在電場中同一位置，減小它的帶電量，注意觀察絲線的偏角。 學生總結實驗結論——在電場中同一點，檢驗電荷所受電場力隨它所帶電量的減小而減小，所以，電場力不能用于描述電場。 教師歸納：要描述電場，需要找一個與檢驗電荷的電量無關而只由電場決定的物理量。電場對電荷的作用力與電場的性質和試探電荷都有關. 那我們用什么描述電場呢？如果不同試探電荷放在不同電場中受力,又怎么比較電場的強弱呢? 學生討論（教師可提示類比功率或速度大小的比較) 教師：如果我們能夠做更精確的實驗，就會發(fā)現(xiàn)：在電場中同一點，電場力不僅隨檢驗電荷的電量的減小而減小，隨電場力的增大而增大，而且跟檢驗電荷的電量之間存在定量關系。比如：在A點有；在B點有 在電場中同一點，比值F／q是一個與檢驗電荷和電場力無關的量，而在電場中不同點，比值一般不同，因而比值反映電場的性質。所以我們可以用它來描述電場，并把它定義為電場強度。 （2） 電場強度 i 定義：放入電場中某點的電荷受到的電場力與它電量的比值，叫這一點的電場強度，簡稱場強。 ii 符號：E iii 定義公式：；公式表明電場中某點的場強在數(shù)值上等于單位電荷在該點受到的電場力。其中F為試探電荷q在場中某點受到的電場力，E為該點場強。注意，電場E不是電荷q產生的，所以E的大小與q無關。因此不能說E與q成反比，與F成正比。 iv 單位：N／C v 規(guī)定電場中某點場強的方向為正電荷在該點受到的電場力的方向。所以場強是矢量。 一般電場中不同點，場強的大小及方向不同，場強大的地方，電場強，場強小的地方，電場弱，通常我們也把場強的大小和方向叫做電場的強弱和方向。 圖3 由于我們是從一般電場出發(fā)引入場強的定義的，所以適用于一切電場。 例1：如圖3所示是某區(qū)域的電場線圖，A、B、C是電場中的三點。 a) 說明哪點的場強最大？ b) 標出A、B、C三點的場強方向。 c) 若在C點放一負電荷，標出負電荷受到的電場力的方向。答案略。 （3） 真空中點電荷電場的場強 圖4 下面我們以一個特殊的電場——真空中點電荷產生的電場為例，分析場強的物理意義。 例2：在真空中A點有一正點電荷Q=2.010-4C，把試探點電荷q=2.010-5C的負電荷置于B點，它們相距r=2m，如圖所示。求：（1）q受的電場力；（2）q所在點的電場強度；（3）只將q點電荷換成q/=4.010-5C的正電荷，再求q/受力和B點的場強；（4）將受力電荷拿走，再求B點場強。*（5）若將Q拿走呢？答案略。 解析:在點電荷Q形成的電場中,距Q為r處放入點電荷q，q受的電場力即庫侖力，根據(jù)場強定義或該處場強為（r可取任意值），因此即為點電荷在真空中場強公式，其中Q為場源電量，r為某點到場源的距離。k為靜電常數(shù)。+q受力方向即為該點場強方向（如圖所示）。若把+q換成-q，所受電場力方向正與場強方向相反，但仍與圖中相同，說明場強不以電荷和力為轉移。即正電荷場強向外，負電荷場強向內，離場源電荷越遠，場強越小。 幾點注意: i 是適用于點電荷在真空中的電場，但是決定式；而適用各種電場，是定義式，而非決定式. 場強的大小與方向跟檢驗電荷的有無、電量、電性沒有關系。 圖5 ii 場強的大小只由場源電荷和場點到場源的距離來決定。離場源電荷越近的點場強越大，離場源電荷越遠的點場強越小。 （4） 場強的疊加——對于多個電荷產生的電場，同樣遵從平行四邊形法則。兩個電荷+Q和－Q同時存在時，實驗表明它們產生的電場互相獨立、互不影響，P點的場強是E1和E2疊加的結果，遵從平行四邊形法則，如圖5所示（板畫）。 圖6 例3：（X軸上A、B兩處分別放有兩個點電荷（圖6），A處為－Q,B處為+2Q,在x軸上某處,兩個電荷各自產生電場強度數(shù)值為EA和EB,則( ) A.EA=EB之點,只有一處,該處合場強為0; B. EA=EB之點有兩處,一處合場強為0,另一處合場強為2EA C. EA=EB之點共有三處,其中兩處合場強為0;另一處合場強為2EA D. EA=EB之點共有三處,其中一處合場強為0,另二處合場強為2EA 解析：根據(jù)題意畫出圖6。 在AB之間某點x1,－Q在x1處產生的場強，+2Q產生的場強。當時，EA=EB。EA方向向左，EB的方向向左，合場強E=2EA。 圖7 在A點左側x2處，Ax2=rA，Bx2=rB，存在。 EA=EB，EA的方向向右，EB的方向向左，合場強E=0。 在B點右側x3處， Ax2＞Bx2， 不可能， EA=EB不存在。 所以EA=EB之點有兩處,且合場強一為0,另一為2EA,答案應選B. 由上面例題可見：電場強度概念能定量描述各點電場的性質。但電場中各點場強的大小和方向的分布是非常復雜的，我們如何方便而又形象地了解電場中各點場強的分布情況呢？最好畫圖。 如圖5所示，在正電荷周圍電場中畫了很多場強矢量，從這個圖上我們可以很方便地了解正電荷周圍各點的電場分布情況，但它還不是最好的，因為電場中有無數(shù)個點，我們不能畫出無數(shù)個矢量，法拉第為我們提供了一種很好的方法，就是用電場線來形象地描述電場。 4. 電場線 （1） 電場線是描述電場強度分布的一族曲線.描述方法:用曲線的疏密描述電場的強弱,用曲線某點的切線方向表示該點場強方向. （2） 實驗觀察（課件歸納）各種電場的電場線：如圖8。 圖8 實驗模擬幾種典型的電場線。 問1：任意兩條電場線都不會相交，這是為什么？ 教師歸納：如果相交，則交點就會有兩個切線方向，而同一點場強的大小和方向是唯一的。問2：根據(jù)我們所看到的幾種電場線，誰能歸納一下電場線的方向有什么特點？ 圖9 圖8 從圖9中可看出,E1為+Q在A處的場強,E2為－Q在A處的場強,E為E1與E2的合場強,正好為電場線在A的切線。兩個點電荷形成的電場中,每條電場線上每個點符合上述的關系。 教師歸納：電場線總是從正電荷出發(fā)，終止于負電荷或無窮遠，如果只有負電荷，則電場線來自無窮遠，終止于負電荷。它是不閉合的曲線. 大家要特別注意一個問題：我們雖然可以用實驗模擬電場線的分布，但是，電場線并不是電場中真實存在的曲線，它只是我們?yōu)榱诵蜗蟮孛枋鲭妶龆氲?。大家知道，法拉第首先提出了電場，并用電場線形象地描述電場的分布，這在物理學中是非常重要的。雖然法拉第當時認為電場線是真實的曲線，這是不對的，但是，法拉第的場線思想?yún)s是非常寶貴的。用場線來形象地描繪矢量場的分布這種方法一直被普遍地采用著。 總結：電場線具有以下特點： i. 在靜電場中,電場線從正電荷起,終于負電荷, ii. 電場線不能相交,否則一點將有兩個場強方向. iii. 電場線不是電場里實際存在的線,是為使電場形象化的假想線. 5. 勻強電場 圖10 （1） 實驗觀察：兩塊靠近、正對且等大平行的金屬板,分別帶等量正負電荷時的電場線。 現(xiàn)象：它們之間的電場是電場線互相平行的直線,線間距離相等邊緣附近除外. 畫出電場線如圖10所示 （2） 提問：象這樣的電場線說明了其場強分布有何特點？ 討論：其場強（邊緣除外）大小處處相等，方向與板垂直，從正板到負板。 圖11 教師指出：在電場的某一區(qū)域里,如果各點場強大小和方向都相同,這個區(qū)域的電場叫勻強電場我們把這種電場稱為“勻強電場”。 例4：書P18/例——解答略。 例5：如圖11所示,一個質量為30g帶電量C的半徑極小的小球,用絲線懸掛在某勻強電場中,電場線與水平面平行.當小球靜止時,測得懸線與豎直夾角為30,由此可知勻強電場方向為 ,電場強度大小為 .(g取10m/s2) 解析:分析小球受力,重力mg豎直向下,絲線拉力T沿絲線方向向上,因為小球處于平衡狀態(tài),還應受水平向左的電場力F.小球帶負電,所受電場力方向與場強方向向反,所以場強方向水平向右。 小球在三個力作用之下處于平衡狀態(tài).三個力的合力必為零。得：F=mgtg30 又因為 所以有： E=mgtg30/q= 隨堂鞏固練習： 1、下述說法中正確的是（ ） A、電場線是客觀存在的 B、電場線上某點的切線方向與與電荷在該點受力方向可以不同 C、電場線與電荷運動的軌跡是一致的 D、沿電場線方向,場強一定越來越大. 圖12 1. 如圖12所示,正電荷q在電場力作用下由p向Q做加速運動,而且加速度越來越大,那么可以斷定,它所在的電場是圖中哪能一個?( ) 3、真空中兩個帶電量分別為Q和4Q的正點電荷,位于相距為30cm的A、B兩點,將另一個正電荷q置于AB連線上的C點,q受的合力恰好為零,C點距A點 cm處.若將電荷q取走,C點場強為 N/C。 4、試推算出等量異種電荷與等量同中電荷的電場線分布情況。 【課后作業(yè)】 第一課時：教材本節(jié)課后1、2, 教材全練P7-8 第二課時：教材本節(jié)課后3、4；教材全練P9-10 【課后反思】