高中物理選修3 1 靜電場 模塊復習青島十七中 第一章靜電場電荷及其守恒定律2庫侖定律電場強度電勢能和電勢電勢差電勢差與電場強度的關系電容器與電容8帶電粒子在電場中的運動 2007考試說明1物質的電結構 電荷守恒 2靜電現象的解釋 3點電荷 4庫侖定律 靜電場 電場強度 點電荷的電場 電場線 電勢能 電勢 電勢差 勻強電場中電勢差與電場強度的關系 帶電粒子在勻強電場中的運動 示波管 常見電容器 電容器的電壓 電荷量和電容的關系 一教學的思考 1教學的難點2教學的重點3考試的熱點4個人的思考 電場力 電場強度 電場線 電勢差與電場強度的關系 電勢 電勢差 等勢面 電勢能 庫侖定律 電場 知識結構 電容器與電容 帶電粒子在電場中的運動 一 知識的類比 學習方法 二 方法的遷移 1 帶電粒子在電場中的偏轉 類平拋運動 2 將電場問題看作只是增加了電場力的力學問題 前面學習的物理規律 如 平衡條件 牛頓運動定律 動能定理等 均可在此使用 教學的時間安排 第一單元 從力的角度看電場 庫侖定律電場電場強度電場線 課時第二單元 從能的角度看電場 電場力做功電勢能電勢電勢差等勢面電勢與電場強度的關系 課時第三單元 綜合應用 電容等相關器件帶電物的運動生產生活中的電場現象 課時第四教學環節 實驗考試 課時 二 教學設計思路及教學建議 1 電荷及電荷守恒定律2 庫侖定律3 電場強度4 電勢能和電勢5 電勢差6 電勢差與電場強度的關系7 電容器與電容8 帶電粒子在電場中的運動 第一節 電荷及其守恒定律 1課時 教學目標 一 知識與技能1 知道兩種電荷及其相互作用 知道電荷量的概念 2 知道摩擦起電和靜電感應現象 知道摩擦起電不是創造了電荷 而是使物體中的正負電荷分開 3 知道電荷守恒定律 4 知道什么是元電荷 二 過程與方法通過對原子核式結構的學習使學生明確摩擦起電和感應起電不是創造了電荷 而是使物體中的電荷分開 但對一個與外界沒有電荷交換的系統 電荷的代數和不變 掌握起電的方法 三 情感態度與價值觀通過對本節的學習培養學生從微觀的角度認識物體帶電的本質重點 電荷守恒定律難點 做好演示實驗 利用電荷守恒定律分析解決相關問題摩擦起電和感應起電的相關問題 a 電荷有兩類以及性質 正電荷 負電荷 b 電荷之間的作用 a 摩擦起電 b 感應起電 1有關電荷知識的回顧 2起電的方式 一 電荷 a 摩擦起電 復習 用絲綢摩擦過的玻璃棒之間相互排斥 用毛皮摩擦過的硬橡膠棒之間也相互排斥 而玻璃棒和硬橡膠棒之間卻相互吸引 所以自然界存在兩種電荷 同種電荷相互排斥 異種電荷相互吸引 自然界中的兩種電荷 正電荷和負電荷 把用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷稱為正電荷 用正數表示 把用毛皮摩擦過的硬橡膠棒所帶的電荷稱為負電荷 用負數表示 結果 兩個相互摩擦的物體帶上了等量異種電荷 電荷總量沒有變 原子的核式結構及摩擦起電的微觀解釋構成物質的原子本身就是由帶電微粒組成 包括帶正電原子核 質子和中子 和帶負電的核外電子 不同物質的原子核束縛電子的能力不同 在摩擦過程中電子發生轉移 現象及解釋 把帶正電荷的球c移近彼此接觸的異體a b 金屬箔都張開了 表示a b都帶上了電荷 如果先把c移走 a和b上的金屬箔都會閉合 如果先把a和b分開 然后移開c 可以看到a和b仍帶有電荷 金屬箔仍張開 如果再讓a和b接觸 金屬箔都會閉合 這說明a和b分開后所帶的是異種等量的電荷 重新接觸后等量異種電荷發生中和 靜電感應 把電荷移近不帶電的異體 可以使導體帶電的現象 利用靜電感應使物體帶電 叫做感應起電 b感應起電 感應起電的本質原因 把帶電的球c移近金屬導體a和b時 由于同種電荷相互排斥 異種電荷相互吸引 使導體上的自由電子被吸引過來 因此導體a和b帶上了等量的異種電荷 感應起電也不是創造了電荷 而是使物體中的正負電荷分開 是電荷從物體的一部分轉移到另一部分 電荷總量沒有變 3 起電的本質 不是創造了電荷 而是使物體中的電荷分開 二 電荷守恒定律 電荷守恒定律 電荷既不能創造 也不能消滅 只能從一個物體轉移到另一個物體 或者從物體的一部分轉移到另一部分 另一種表述 一個與外界沒有電荷交換的系統 電荷的代數和總是保持不變 三 元電荷 電荷量 電荷的多少叫做電荷量 符號 q或q單位 庫侖符號 c 元電荷 電子所帶的電荷量 用e表示 是最小的電荷量 比荷 電子的電荷量e和電子的質量me的比值 為c 密立根油滴法測定 e 1 60217733 10 19庫侖 c e 1 6 10 19庫侖 c 現代的一些認識 夸克等 本題功能 物理學中一個常用的處理方法 利用情境的對稱性 也為下一節 庫侖的實驗 做準備 要明確條件 完全一樣的金屬球 介紹第三種起電方式 接觸起電 p5第3題3 有三個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 現要使b球帶的電荷量為3q 8 應該怎么辦 第二節 庫侖定律 1課時 教學目標 一 知識與技能1 掌握庫侖定律 要求知道點電荷的概念 理解庫侖定律的含義及其公式表達 知道靜電力常量 知道庫侖定律的適用條件 2 會用庫侖定律的公式進行有關的計算 3 了解庫侖扭秤的實驗原理 二 過程與方法1 通過演示讓學生探究影響電荷間相互作用力的因素 并猜想關系2 從庫侖的探究過程中體會控制變量法和對稱法3 從點電荷體會理想化的研究方法 三 情感態度與價值觀培養學生的觀察和探索能力重點 掌握庫侖定律難點 會用庫侖定律的公式進行有關的計算 依據實驗現象猜想 力的大小與什么因素有關 會不會與萬有引力的大小具有相似的形式呢 即 1 問題的提出 2 庫侖扭秤實驗 1 思想方法 控制變量法 對稱法 2 保持兩個小球帶電荷量不變 改變距離 探究發現力的大小跟它們的距離的二次方成反比 3 保持兩個小球距離不變 改變電荷量 探究發現力的大小跟兩個點電荷的電荷量的乘積成正比 體會控制變量法 對稱法在科學研究中的作用 3 庫侖定律 靜電力常量 k 9 0 109n m2 c2 內容表述 真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力的大小跟兩個點電荷的電荷量的乘積成正比 跟它們的距離的二次方成反比 作用力的方向在兩個點電荷的連線上公式 適用條件 真空中 點電荷 點電荷 理想化模型 實際上是不存在的 但只要帶電體本身的大小跟它們之間的距離相比可以忽略 帶電體就可以看作點電荷 并非是體積小就能當點電荷 理想化研究方法 例題2 試比較電子和質子間的靜電引力和萬有引力 已知電子的質量m1 9 10 10 31kg 質子的質量m2 1 67 10 27kg 電子和質子的電荷量都是1 60 10 19c 分析 這個問題不用分別計算電子和質子間的靜電引力和萬有引力 而是列公式 化簡之后 再求解 解 電子和質子間的靜電引力和萬有引力分別是 啟示與小結 可以看出 萬有引力公式和庫侖定律公式在表面上很相似 只有質量和電荷量的區別 體現了科學的一種對稱美 它們的實質區別是 首先萬有引力公式計算出的力只能是相互吸引的力 絕沒有相排斥的力 其次 由計算結果看出 電子和質子間的萬有引力比它們之間的靜電引力小的很多 因此在研究微觀帶電粒子間的相互作用時 主要考慮靜電力 萬有引力雖然存在 但相比之下非常小 所以可忽略不計 問題與練習 本題再一次用到對稱的研究方法 第三節 電場電場強度教學目標 一 知識與技能1 知道電荷間的相互作用是通過電場發生的 知道電場是客觀存在的一種特殊物質形態 2 理解電場強度的概念及其定義式 會根據電場強度的定義式進行有關的計算 知道電場強度是矢量 知道電場強度的方向是怎樣規定的 3 能根據庫侖定律和電場強度的定義式推導點電荷場強的計算式 并能用此公式進行有關的計算 4 知道電場的疊加原理 并應用這個原理進行簡單的計算 二 過程與方法通過分析在電場中的不同點 電場力f與電荷電量q的比例關系 使學生理解比值f q反映的是電場的強弱 即電場強度的概念 體會用比值法定義物理量的方法 知道電場疊加的一般方法 三 情感態度與價值觀培養學生學會分析和處理電場問題的一般方法 重點 電場強度的概念及其定義式難點 對電場概念的理解 應用電場的疊加原理進行簡單的計算 一 電場的存在 a 力的作用媒介 電荷之間的相互作用是通過特殊形式的物質 電場發生的 電荷的周圍都存在電場 b 電場的基本特征 引入電場中的任何帶電體都將受到電場力的作用 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 可見 電場具有力和能的特征 c 電場的物質性是客觀存在的 具有物質的基本屬性 質量和能量 它不同于生活中常見的物質 看不見 摸不著 無法稱量 可以疊加 靜電場 靜止電荷產生的電場 二 電場強度 a 電場強度概念的提出 同一電荷q在電場中不同點受到的電場力的方向和大小一般不同 因此電場具有方向性以及各點強弱的不同 引出電場強度的概念來描述電場這種性質的不同 b 檢查強度的方法 用同一檢驗電荷q在電場中不同點受到的電場力的方向和大小不同 用來表示電場的強弱和方向的不同 c 電場強度的定義 雖然可用同一檢驗電荷q在電場中各點所受電場力f的大小來比較各點的電場強弱 但是電場力f的大小還和電荷q的電量有關 所以不能直接用電場力的大小表電場的強弱 實驗表明 在電場中的同一點 電場力f與電荷電量q成正比 比值f q由電荷q在電場中的位置所決定 跟電荷電量無關 是反映電場性質的物理量 所以我們用這個比值f q來表示電場的強弱 4 決定因素 電場中某一點處的電場強度e是唯一的 它的大小和方向與放入該點電荷q無關 它決定于電場的源電荷及空間位置 電場中每一點對應著的電場強度與是否放入電荷無關 1 定義 電場中某一點的電荷受到的電場力f跟它的電荷量q的比值 叫做該點的電場強度 簡稱場強 用e表示 2 公式 大小 e f q 適用于所有電場 單位 n c意義 3 方向性 電場強度是矢量物理學中規定 電場中某點的場強方向跟正電荷在該點所受的電場力的方向相同 指出 負電荷在電場中某點所受的電場力的方向跟該點的場強方向相反 定義式和決定式 加速度的定義式與決定式電場強度的 電容 電勢電阻的 磁感強度 比值法 三 點電荷的電場 a真空中點電荷的電場強度的決定式 檢驗電荷與產生電場的電荷 e f q和e kq r2 b點電荷電場的方向 如果是正電荷 e的方向就是沿著pq的連線并背離q 如果是負電荷 e的方向就是沿著pq的連線并指向q c多個點電荷的電場的求解 某點的場強等于該點周圍各個電荷單獨存在時在該點產生的場強的矢量和 等量同種和等量異種電荷電場的疊加問題是命題的熱點問題 引導學生推導 注意適用條件 組織學生討論課本中的 說一說 由學生討論后歸納 1 關于靜電平衡 導體不再有電荷的定向運動 2 靜電平衡后導體內部電場的特點 處于靜電平衡狀態的導體 內部的場強處處為零 注意 這時的場強是合場強 即外電場和感應電場的疊加 處于靜電平衡狀態的導體 電荷只分布在導體的外表面上 四 電場線 電場線 電場線是畫在電場中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的方向 電場線的基本性質 電場線上每點的切線方向就是該點電場強度的方向 電場線的疏密反映電場強度的大小 疏弱密強 靜電場中電場線始于正電荷或無窮遠 止于負電荷或無窮遠 它不封閉 也不在無電荷處中斷 任意兩條電場線不會在無電荷處相交 電場線是為了形象描述電場而引入的假想的線 不是實際存在的線 5 勻強電場 1 定義 電場中各點場強的大小相等 方向相同的電場就叫勻強電場 2 勻強電場的電場線 是一組疏密程度相同 等間距 的平行直線 例如 兩等大 正對且帶等量異種電荷的平行金屬板間的電場中 除邊緣附近外 就是勻強電場 如右圖所示 常見電場的電場線 說明1 電場強度是表示電場強弱的物理量 因而在引入電場強度的概念時 應該使學生了解什么是電場的強弱 同一個電荷在電場中的不同點受到的電場力的大小是不同的 所受電場力大的點 電場強 2 應當使學生理解為什么可以用比值f q來表示電場強度 知道這個比值與電荷q無關 是反映電場性質的物理量 用比值定義一個新的物理量是物理學中常用的方法 應結合學生前面學過的類似的定義方法 讓學生領會電場強度的定義 3 應當要求學生確切地理解e f q和e kq r2這兩個公式的含義 以及它們的區別和聯系 4 應用電場的疊加原理進行計算時不應過于復雜 一般只限于兩個電場疊加的情形 通過這種計算 使學生理解場強的矢量性5 電場線是為了形象描述電場而引入的 電場線不是實際存在的線 習題課 1庫侖規律的理解與簡單應用2電場的概念辨析3簡單的電場強度的求解 包括場強的疊加 4綜合應用 a 簡單的平衡b 牛頓規律的應用c 簡單的曲線運動等 第四節電勢能 電勢 2課時 教學目標 一知識與技能1 理解靜電力做功的特點 電勢能的概念 電勢能與電場力做功的關系 2 理解電勢的概念 知道電勢是描述電場的能的性質的物理量 了解電勢與電場線的關系 了解等勢面的意義及與電場線的關系 二 過程與方法1 通過與前面知識的結合 理解電勢能與靜電力做的功的關系 從而更好的了解電勢能和電勢的概念 2 進一步體會用比值法來定義物理量的方法 三 情感態度與價值觀嘗試運用物理原理和研究方法解決一些與生產和生活相關的實際問題 增強科學探究的價值觀 重點 理解掌握電勢能 電勢 等勢面的概念及意義 難點 掌握電勢能與做功的關系 并能用此解決相關問題 一 電場力做功的特點 結合課本圖1 4 1 右圖 分析試探電荷q在場強為e的均強電場中沿不同路徑從a運動到b電場力做功的情況 1 q沿直線從a到b 2 q沿折線從a到m 再從m到b 3 q沿任意曲線線a到b結果都一樣即 w qelam qelabcos 結論 在任何電場中 靜電力移動電荷所做的功 只與始末兩點的位置有關 而與電荷的運動路徑無關 與重力做功類比 引出 電勢能 引入新課 從靜電力做功使試探電荷獲得動能入手 提出問題 是什么能轉化為試探電荷的動能 二 電勢能 1 電勢能 由于移動電荷時靜電力做功與移動的路徑無關 電荷在電場中也具有由位置決定的勢能 這種勢能叫做電勢能 2 靜電力做功與電勢能變化的關系 靜電力做的功等于電勢能的減少量 寫成式子為 注意 電場力做正功 電荷的電勢能減小 電場力做負功 電荷的電勢能增加 電場力力做多少功 電勢能就變化多少 在只受電場力作用下 電勢能與動能相互轉化 而它們的總量保持不變 求電荷在電場中某點具有的電勢能電荷在電場中某一點a具有的電勢能ep等于將該點電荷由a點移到電勢零點電場力所做的功w的 即ep w 類比于重力勢能 有正負無方向 電勢 表征電場性質的重要物理量度 通過研究電荷在電場中電勢能與它的電荷量的比值得出 類比電場強度的定義 1 定義 電荷在電場中某一點的電勢能與它的電荷量的比值 叫做這一點的電勢 用表示 標量 只有大小 沒有方向 但有正負 2 公式 與試探電荷無關 3 單位 伏特 v 4 電勢與電場線的關系 電勢順線降低 電場線指向電勢降低最快的方向 5 零電勢位置的規定 電場中某一點的電勢的數值與零電勢的選擇有關 即電勢的數值決定于零電勢的選擇 大地或無窮遠默認為零 三 電勢 四 等勢面 定義 電場中電勢相等的點構成的面 等勢面的性質 在同一等勢面上各點電勢相等 所以在同一等勢面上移動電荷 電場力不做功 電場線跟等勢面一定垂直 并且由電勢高的等勢面指向電勢低的等勢面 等勢面越密 電場強度越大 等勢面不相交 不相切 幾種電場的電場線及等勢面 課本21頁 說明 這里討論等勢面與電場線的關系時用到了反證法 反證法是科學研究中重要的邏輯方法 在日常生活中也常用到 第五節 電勢差 1課時 教學目標 一 知識與技能理解掌握電勢差的概念 定義式與應用 二 過程與方法結合電勢 電勢能 靜電力做功 通過對比讓學生深入理解電勢差及其之間的關系 三 情感態度與價值觀培養學生對比的學習方法 培養學生的邏輯能力重點 理解掌握電勢差的概念 定義式 難點 根據電勢差的定義式進行有關計算 通過對重力場中的高度 高度差和電場中的電勢 電勢的差值進行類比 引出電勢差 1 定義 電場中兩點間電勢的差值 也叫電壓 用表示 或注意 電勢差也是標量 可正 可負 一 電勢差 電荷q在電場中從a移動到b時 靜電力做的功wab等于電荷在a b兩點的電勢能之差 推導 所以有 或即 電場中a b兩點間的電勢差等于電場力做的功與試探電荷q的比值 注意 電場中a b兩點間的電勢差跟移動電荷的路徑無關 只與ab位置有關 二 靜電力做功與電勢差的關系 問題與練習p25第2題2 在研究微觀粒子時常用電子伏特 ev 作做能量的單位 1ev等于一個電子經過1v電壓加速后所增加的動能 請推導電子伏特與焦耳的換算關系 這個值1 6 10 19讓學生在腦子中記一記 常用到 p24例題先引導學生畫示意圖 后解答 引導學生養成良好的作圖分析的習慣 第六節 電勢差與電場強度的關系 1課時 教學目標 一 知識與技能1 掌握電勢差與電場強度的關系2 初步了解電場強度與電勢的關系 二 過程與方法通過對電場力做功的兩種不同方式的比較推導得出電勢差與電場強度的關系 三 態度與價值觀1 感知科學的價值和應用2 培養對科學的興趣 堅定學習思考探索的的信念重點 勻強電場中電勢差與電場強度的關系難點 電勢差與電場強度的關系在實際問題中應用 引導學生結合圖1 6 1用電場力做功的兩種不同途徑求出電場力做的功 再引導學生比較得出 勻強電場中電勢差與電場強度的關系 結論一 勻強電場中兩點間的電勢差等于電場強度與這兩點沿電場方向的距離的乘積 即 結論二 在勻強電場中 電場強度的大小等于兩點間的電勢差與兩點沿電場線方向的距離的比值 即 適用條件 勻強電場 歸納總結一 電場強度與電勢無直接關系 而是與電勢的變化相聯系 并舉例說明 電場強度為零的地方電勢不一定為零 電勢為不為零取決于電勢零點 電勢為零的地方電場強度不一定為零 電場強度相等的地方電勢不一定相等 電勢相等的地方電場強度不一定相等 歸納總結二 并引導學生概括場強三個公式e f q e kq r2和e uab d 對比其適用條件 強調d是沿電場方向的距離 問題和練習 圖1 6 4是初中地理中的等高線圖 圖中數字的單位是米 小山坡的左邊a和右邊b哪一邊的地勢更陡些 如果把一個球分別從山坡左右兩邊滾下 不考慮摩擦 哪邊的加速度更大 現在把圖1 6 4看成一個描述電勢高低的等勢線圖 圖中的單位是伏特 a和b哪一邊電勢降落得快 哪一邊的電場強度大 根據兩者的對比談談你的體會 科學方法 類比 習題課 1電勢能 電勢 電勢差電場強度的概念辨析2電場力的功與電勢差關系的理解和應用3電勢差與電場強度關系的理解和應用4簡單綜合應用a 電場中簡單的直線運動問題b 電場中簡單的功能關系問題 第七節 電容器與電容 1課時 教學目標 一 知識與技能1 知道什么是電容器及常見的電容器 2 知道電場能的概念 知道電容器充電和放電時的能量轉換 3 理解電容器電容的概念及定義式 并能用來進行有關的計算 4 知道平行板電容器的電容與哪些因素有關 有什么關系 掌握平行板電容器的決定式并能運用其討論有關問題 二 過程與方法結合實物觀察與演示 在討論與計算過程中理解掌握電容器的相關概念 性質 進一步體會用比值法來定義物理量的方法 三 情感態度與價值觀體會電容器在實際生活中的廣泛應用 培養學生探究新事物的興趣 重點 掌握電容器的概念 定義式及平行板電容器的電容 難點 電容器的電容的計算與應用 一 電容器 電容器的結構 任何兩個彼此絕緣又相隔很近的導體都可以看成一個電容器 電容器的充電 放電 把電容器的一個極板與電池組的正極相連 另一個極板與負極相連 兩個極板上就分別帶上了等量的異種電荷 這個過程叫做充電 把充電后的電容器的兩個極板接通 兩極板上的電荷互相中和 電容器就不帶電了 這個過程叫放電 內部能量 充電后 切斷與電源的聯系 兩個極板間有電場存在 充電過程中由電源獲得的電能貯存在電場中 稱為電場能 放電后 兩極板間不存在電場 電場能轉化為其他形式的能量 歸納 充電 帶電量q增加 板間電壓u增加 板間場強e增加 電能轉化為電場能放電 帶電量q減少 板間電壓u減少 板間場強e減少 電場能轉化為電能 二 電容 類比 2 與儲水容器類比 對于給定電容器 相對于給定柱形水容器 c 類比于橫截面積 不變 u 類比于水的深度 q 類比于儲水的體積 在c一定情況下 q cu q正比于u q u是一個常量 4 電容的定義 電容器所帶的電量q與電容器兩極板間的電勢差u的比值 叫做電容器的電容 5 電容的定義式 6 單位 數量級的名稱 法拉 f 還有微法 f 和皮法 pf 1f 10 6f 10 12pf 7 物理意義 電容是表示電容器容納電荷本領的物理量 是由電容器本身的性質 由導體大小 形狀 相對位置及電介質 決定的 與電容器是不是帶電無關 電容器的定義式不是決定式 電容大小與電容器的帶電量和兩極間電壓大小無關 1 電容的引入 討論充電后的電容器q與u的比值q u的意義 三 平行板電容器的電容 1 保持q和d不變 s越小 靜電計的偏轉角度越大 u越大 電容c越小 2 保持q和s不變 d越大 偏轉角度越小 c越小 3 保持q d s都不變 在兩極板間插入電介質板 靜電計的偏轉角度并且減小 電勢差u越小電容c增大 結論 平行板電容器的電容c與介電常數 成正比 跟正對面積s成正比 跟極板間的距離d成反比 平行板電容器的決定式 真空介質 靜電計是在驗電器的基礎上制成的 用來測量電勢差 把它的金屬球與一個導體相連 把它的金屬外殼與另一個導體相連 從指針的偏轉角度可以量出兩個導體之間的電勢差u 四 常用電容器 鋁質電解電容器 聚苯乙烯電