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視頻標(biāo)簽：庫(kù)侖定律
所屬欄目：高中物理優(yōu)質(zhì)課視頻
視頻課題：教科版高中物理選修3-1第一章《庫(kù)侖定律》南京
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選修3-1第一章《庫(kù)侖定律》南京市第九中學(xué)
庫(kù)侖定律》教學(xué)設(shè)計(jì)
【教學(xué)目標(biāo)】
1、通過實(shí)驗(yàn)探究電荷間作用力與電荷量、距離的定量關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力。
2、知道庫(kù)侖定律的適用條件，能用類比的方法構(gòu)建模型，培養(yǎng)學(xué)科思維。 3、了解庫(kù)侖定律及其發(fā)現(xiàn)過程，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)思維，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度。 4、能用庫(kù)侖定律解決相關(guān)問題。 【教學(xué)流程】
【教學(xué)設(shè)計(jì)】
一、新課引入：提出問題、合理猜想
由前面的學(xué)習(xí)，同學(xué)們知道自然界中有兩種電荷，正電荷和負(fù)電荷，并且電荷之間是存在作用力的，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。電荷間的作用力遵循什么規(guī)律呢？這就是本節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容——庫(kù)侖定律。
提問：電荷之間的作用力大小受哪些因素影響？請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)生活和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合理的分析。（學(xué)生自主分析）
提問：根據(jù)很多現(xiàn)象我們發(fā)現(xiàn)，電荷所帶電荷量q越大，力F就越大；電荷之間的距離r越大，力F就越小，他們之間的定量關(guān)系我們會(huì)嘗試從什么比例關(guān)系探究呢？
師、生共同討論：我們可以先假設(shè)F和q成正比，F(xiàn)和r成反比，但是類比于萬(wàn)有引力定律也可以假設(shè)F和r2成反比。
設(shè)計(jì)思路：直接拋出課題，引入本節(jié)課需要解決的問題，讓學(xué)生由生活、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合理分析與猜想，并讓學(xué)生知道物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析是從最簡(jiǎn)單的規(guī)律開始假設(shè)的。
二、定量探究：解決實(shí)驗(yàn)困難、收集數(shù)據(jù)
演示實(shí)驗(yàn)器材介紹：大金屬球放在一個(gè)絕緣支架上，包有錫箔紙的小物件用細(xì)線懸掛，若給他們帶上同種電荷，小物件因?yàn)槭艿脚懦饬ΧD(zhuǎn)。
提問：我們用這樣過一個(gè)裝置探究F與q、r的關(guān)系需要注意什么？同學(xué)們覺得在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中我們會(huì)遇到哪些困難呢？
學(xué)生回答：當(dāng)研究多個(gè)變量時(shí)需要用控制變量法：在q一定時(shí)，研究F和r的關(guān)系；在r一定時(shí)，研究F與q之間的關(guān)系。并提出在實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的F沒辦法直接用測(cè)力器測(cè)量，距離r有如何測(cè)量，電荷量q又不知其大小。
演示實(shí)驗(yàn)器材介紹：我們用帶電體下方木板上刻度來測(cè)量距離r，對(duì)于這個(gè)較大的金屬球，當(dāng)它周圍的電荷很小或者很少時(shí)，它所帶的電荷就會(huì)在其表面均勻分布，所以測(cè)量距離時(shí)量的是球中心位置到小物件的距離。我已將大金屬球的位置定為“零”刻度線，那么它們之間的距離可以根據(jù)標(biāo)識(shí)直接讀數(shù)；若根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要大金屬球不在零刻度線上，同樣也可以測(cè)量距離——兩個(gè)刻度求差。
提出問題、合理猜想 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù) 分析結(jié)論、了解歷史 例題精講、能力提升
演示實(shí)驗(yàn)器材介紹：力的大小如何測(cè)量呢？由小物件的受力分析圖可知，當(dāng)物件重力G一定時(shí)，他所受到的作用力F與tanθ成正比，當(dāng)θ很小時(shí)，θ的弧度值與正切值近似相等，所以作用力F與θ成正比，我們可以用θ的測(cè)量來替代F的大小。
設(shè)計(jì)思路：本實(shí)驗(yàn)完全由學(xué)生來設(shè)計(jì)是不現(xiàn)實(shí)的，讓學(xué)生自主分析實(shí)驗(yàn)困難，就能體會(huì)到實(shí)驗(yàn)裝置的精妙之處，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，學(xué)會(huì)處理類似的實(shí)驗(yàn)問題。
1、定量探究F與r的關(guān)系 演示實(shí)驗(yàn)：（1）將起電機(jī)兩個(gè)小球分開較遠(yuǎn)，其中一個(gè)小球與大金屬球接觸，使其帶電。（2）用絕緣筷將小物件輕觸大金屬球，小物件因?yàn)閹贤N電荷而被排斥開，請(qǐng)一位同學(xué)讀出偏角θ，另一位同學(xué)移動(dòng)木板上方的豎直標(biāo)識(shí)，使標(biāo)識(shí)位于小物件的正下方，讀出對(duì)應(yīng)的的刻度，得到距離r。（3）移動(dòng)懸線所在支架，讓小物件逐漸靠近大金屬球，穩(wěn)定后移動(dòng)木板上的標(biāo)識(shí)，使其始終在小物件的正下方，請(qǐng)同學(xué)讀出2-3組偏角θ和距離r。（4）將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同步填寫在事先準(zhǔn)備好的表格中。
實(shí)驗(yàn)次數(shù) 偏角θ 距離r r2 θ·r2
1 2 3 4 師、生共同處理數(shù)據(jù)：若F與r2成反比，那么θ就與r2的乘積為一個(gè)常數(shù)，用excel表格這個(gè)的計(jì)算功能快速計(jì)算，觀察結(jié)果（乘積保留兩位有效數(shù)字、距離單位取“m”）。
師、生共同總結(jié)：盡管數(shù)據(jù)有偏差，但是我們應(yīng)該有些“感覺”，θ與r2的乘積為一個(gè)定值，也就說F與r2成反比。
設(shè)計(jì)思路：本實(shí)驗(yàn)裝置是由教師直接展示給學(xué)生的，為了讓學(xué)生明白其操作原理，設(shè)置了問題——在F、q、r的測(cè)量中我們會(huì)遇到哪些困難？又是如何解決的？讓學(xué)生知其為什么，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力。同時(shí)，再次鞏固“控制變量法”。該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)雖然偏差較大，但是能讓學(xué)生充分“有感覺”，體會(huì)到定量探究過程，培養(yǎng)科學(xué)思維。
本實(shí)驗(yàn)有以下幾個(gè)注意事項(xiàng)①小物件采用包有錫箔紙的圓柱形輕質(zhì)泡沫，效果遠(yuǎn)優(yōu)于小球；②實(shí)驗(yàn)過程中由于所處地域濕度較大，太陽(yáng)燈最好一直處于打開狀態(tài)，且可以用打火機(jī)加熱的方式減少大金屬球上的“毛刺”，減少電荷損失；③實(shí)驗(yàn)過程時(shí)間不宜太久，以減少電荷量損失帶來的影響，所以請(qǐng)學(xué)生讀數(shù)之前熟悉刻度、精準(zhǔn)讀數(shù)，師生合作完成。
2、定量探究F與q的關(guān)系
提問：我們剛剛還有一個(gè)難題沒有解決就是電荷量q的測(cè)量，該怎么辦呢？ 提示：在物理定量實(shí)驗(yàn)中有時(shí)候?qū)τ诓环奖銣y(cè)量的物理量可以采用讓其“成倍”增加的方法。此方法在探究“做功與動(dòng)能變化”的實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用過，通過用不同根數(shù)相同的橡皮筋對(duì)小車做功，得到1W、2W、3W……的變化，看動(dòng)能的增加量。
介紹：讓一個(gè)金屬球帶上一定量的電荷q，再用一個(gè)和它完全一樣但不帶電的金屬球與之相碰，那么q就會(huì)平均分，每個(gè)球帶電q/2，放掉一個(gè)金屬球的電
荷再次相碰，就可以得到q/4的電量，以此類推可以得到q/8、q/16……
演示實(shí)驗(yàn)：（1）用起電機(jī)給大金屬球和小物件重新帶上同種電荷，小物件因?yàn)槭艿脚懦饬ΧD(zhuǎn)；（2）確定此時(shí)兩個(gè)物體之間的距離r0，記錄下此時(shí)的偏角θ；（3）保證相同大小的金屬球不帶電，與大金屬球相碰，調(diào)整小物件離金屬球的距離，保證距離保持r0不變，再次記錄偏角θ；（4）以此類推，記錄2-3組數(shù)據(jù)，記錄在表格中。
實(shí)驗(yàn)次數(shù) 電荷量q 偏角θ
1 q 2 q/2 3 q/4
師、生共同總結(jié)：盡管數(shù)據(jù)有偏差，但是我們應(yīng)該有些“感覺”，θ與q成正比，也就說F與q成正比。
設(shè)計(jì)思路：本實(shí)驗(yàn)操作有一個(gè)需要特別注意的地方——當(dāng)電荷量減少時(shí)，懸線偏角減小，那么距離r就變小，所以需要適當(dāng)移動(dòng)小物件所在的架子，使得距離保持r0不變，每次改變電荷量都需要這樣的操作，調(diào)節(jié)之后的θ才有效。
三、關(guān)于實(shí)驗(yàn)結(jié)論的討論
1、關(guān)于“庫(kù)侖定律”適用條件的討論。
總結(jié)：我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)雖然有偏差，但是這有限的探究已經(jīng)使我們能感受到電荷之間的F與r2成反比、與電荷量q成正比。這就是庫(kù)侖定律的內(nèi)容：真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上。電荷之間的作用力也可以稱為“庫(kù)侖力”。
提問：在這個(gè)結(jié)論中有什么是值得我們注意，但是剛剛探究中又沒有在意的？
學(xué)生回答：真空、靜止、點(diǎn)電荷 提問：什么是點(diǎn)電荷呢？它可能和我們學(xué)過的哪一個(gè)物理模型很相像？（質(zhì)點(diǎn)）什么情況下可以把物體看成質(zhì)點(diǎn)？
總結(jié)：當(dāng)帶電體間的距離比它們自身的大小大得多，以致帶電體的形狀、大小及電荷分布狀況對(duì)它們之間作用力的影響可以忽略，這樣的帶電體就可以看做帶電的點(diǎn)，叫做點(diǎn)電荷，這是一個(gè)理想化模型。
提問：我們剛才實(shí)驗(yàn)中的小物件和金屬球可以看成是點(diǎn)電荷嗎？
學(xué)生討論：小物件肯定可以，大金屬球好像也可以，測(cè)距離時(shí)取的中心點(diǎn)。 總結(jié)：對(duì)于這樣周圍幾乎沒有干擾電荷且電荷分布均勻的球體來說可以看成點(diǎn)電荷。這樣的方法我們?cè)谀睦镉眠^？（計(jì)算地球?qū)Φ乇砦矬w吸引力時(shí)，把地球看成質(zhì)點(diǎn)，距離取地球半徑）
提問：庫(kù)侖定律表達(dá)式中還有系數(shù)k，他的大小是如何知曉的呢？
演示器材：庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ�，認(rèn)識(shí)其主要結(jié)構(gòu)及作用。扭秤是用扭轉(zhuǎn)角度替代力的大小，用半分法改變電荷量。
設(shè)計(jì)思路：“類比”的方法是探究和學(xué)科學(xué)習(xí)中非常重要的方法。扭稱實(shí)驗(yàn)雖不能當(dāng)堂實(shí)現(xiàn)，但能使學(xué)生體會(huì)它的巧妙之處，體驗(yàn)科學(xué)家的探究過程。對(duì)于
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F庫(kù)侖
定律的討論有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)思維。
2、關(guān)于“庫(kù)侖定律”發(fā)現(xiàn)歷史的討論。 介紹：一個(gè)物理定律的發(fā)現(xiàn)不會(huì)是一帆風(fēng)順的，它或許需要一個(gè)時(shí)代的物理學(xué)家堅(jiān)持不懈、星火相傳的努力，庫(kù)侖定律也是如此：1716年，英國(guó)物理學(xué)家普利斯特利通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)靜電力與萬(wàn)有引力的情況非常相似，為此他首先提出了靜電力距離平方反比的規(guī)律猜想；1772年，英國(guó)物理學(xué)家卡文迪許遵循普利斯特利的思想以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該定律；1785年法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鲈O(shè)計(jì)制作了一臺(tái)精確的扭秤，用扭秤實(shí)驗(yàn)證明了同號(hào)電荷的斥力遵從距離平方反比規(guī)律。之后，他也設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置去證明吸引力同樣適用。
介紹：很稀罕今天在課堂上的探究數(shù)據(jù)不是特別好，那么這些科學(xué)家得到的數(shù)據(jù)是不是就是完美的呢？卡文迪許和庫(kù)侖的數(shù)據(jù)偏差值為百分之幾，隨著測(cè)量
手段不斷的精確化，1971年威廉姆斯得到的數(shù)據(jù)偏差值數(shù)量級(jí)為10-16
。
提問：數(shù)據(jù)并不完美，那科學(xué)家為什么還堅(jiān)定的認(rèn)為這個(gè)“距離平方反比”的結(jié)論一定成立呢？
師、生共同總結(jié)：（1）偏差越來越小，從發(fā)展的趨勢(shì)來看，隨著條件的“理想化”，測(cè)量工具的“精確化”，或許這個(gè)偏差越來越接近零，直至沒有。（2）人們始終相信自然界中的規(guī)律是簡(jiǎn)單的、統(tǒng)一的，在庫(kù)侖定律之前萬(wàn)有引力定律已經(jīng)發(fā)表被人們廣泛認(rèn)可，那么從萬(wàn)有引力和靜電力的相似性來看，這個(gè)結(jié)論一定成立。
設(shè)計(jì)思路：物理學(xué)史的了解能讓學(xué)生更加真實(shí)的感受“庫(kù)侖定律”的發(fā)現(xiàn)過程，知道物理探究的必要因素和思想方法。這是對(duì)提高學(xué)生探究能力非常有益、高效的做法。
四、例題精講：認(rèn)識(shí)庫(kù)侖定律及其適用條件，能用定律解決問題
提問：在剛剛的試驗(yàn)中我們并沒有考慮萬(wàn)有引力，這是為什么？我們用數(shù)據(jù)來看一看。
例題1、氫原子中，原子核只有1個(gè)質(zhì)子,核外只有1個(gè)電子,它們之間距離r =5.3×10-11m， 求氫原子核與電子之間的庫(kù)侖力F電及它們之間的萬(wàn)有引力F
引 (質(zhì)子的質(zhì)量為1.67×
10-27kg，電子的質(zhì)量為9.1×10-31kg ，引力常量 ）
39103.2引
庫(kù)
FF 例題2、兩個(gè)半徑為0.3m的金屬球，球心相距1.0m放置，當(dāng)他們都帶1.5×10−5 C的正電時(shí)，相互作用力為F1 ，當(dāng)它們分別帶+1.5×10−5 C和−1.5×10−5 C的電量時(shí)，相互作用力為F2 , 則
A．F1 = F2 B．F1＜F2 C．F1＞F2 D．無法判斷
師、生共同討論：根據(jù)題目中所給出的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)金屬球的距離不夠大，電荷似乎不能均勻分布了，異種電荷與同種電荷的作用力方向不用，所以讓電荷分布情況不同，等效距離也就不同，所以力的大小不同。
設(shè)計(jì)思路：例1讓學(xué)生了解庫(kù)侖力和萬(wàn)有引力的數(shù)量級(jí)區(qū)別，體會(huì)為什么可以忽略萬(wàn)有引力不計(jì)。例2進(jìn)一步體會(huì)庫(kù)侖定律的使用條件。
【板書設(shè)計(jì)】
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