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视频课题：教科版高中物理选修3-1第一章《库仑定律》南京
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选修3-1第一章《库仑定律》南京市第九中学
库仑定律》教学设计
【教学目标】
1、通过实验探究电荷间作用力与电荷量、距离的定量关系，培养学生科学探究能力。
2、知道库仑定律的适用条件，能用类比的方法构建模型，培养学科思维。 3、了解库仑定律及其发现过程，让学生体验科学思维，培养科学态度。 4、能用库仑定律解决相关问题。 【教学流程】
【教学设计】
一、新课引入：提出问题、合理猜想
由前面的学习，同学们知道自然界中有两种电荷，正电荷和负电荷，并且电荷之间是存在作用力的，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。电荷间的作用力遵循什么规律呢？这就是本节课要学习的内容——库仑定律。
提问：电荷之间的作用力大小受哪些因素影响？请同学们根据生活和实验现象进行合理的分析。（学生自主分析）
提问：根据很多现象我们发现，电荷所带电荷量q越大，力F就越大；电荷之间的距离r越大，力F就越小，他们之间的定量关系我们会尝试从什么比例关系探究呢？
师、生共同讨论：我们可以先假设F和q成正比，F和r成反比，但是类比于万有引力定律也可以假设F和r2成反比。
设计思路：直接抛出课题，引入本节课需要解决的问题，让学生由生活、实验现象进行合理分析与猜想，并让学生知道物理实验数据的分析是从最简单的规律开始假设的。
二、定量探究：解决实验困难、收集数据
演示实验器材介绍：大金属球放在一个绝缘支架上，包有锡箔纸的小物件用细线悬挂，若给他们带上同种电荷，小物件因为受到排斥力而偏转。
提问：我们用这样过一个装置探究F与q、r的关系需要注意什么？同学们觉得在实验测量中我们会遇到哪些困难呢？
学生回答：当研究多个变量时需要用控制变量法：在q一定时，研究F和r的关系；在r一定时，研究F与q之间的关系。并提出在实验中需要测量的F没办法直接用测力器测量，距离r有如何测量，电荷量q又不知其大小。
演示实验器材介绍：我们用带电体下方木板上刻度来测量距离r，对于这个较大的金属球，当它周围的电荷很小或者很少时，它所带的电荷就会在其表面均匀分布，所以测量距离时量的是球中心位置到小物件的距离。我已将大金属球的位置定为“零”刻度线，那么它们之间的距离可以根据标识直接读数；若根据实验需要大金属球不在零刻度线上，同样也可以测量距离——两个刻度求差。
提出问题、合理猜想 设计实验、收集数据 分析结论、了解历史 例题精讲、能力提升
演示实验器材介绍：力的大小如何测量呢？由小物件的受力分析图可知，当物件重力G一定时，他所受到的作用力F与tanθ成正比，当θ很小时，θ的弧度值与正切值近似相等，所以作用力F与θ成正比，我们可以用θ的测量来替代F的大小。
设计思路：本实验完全由学生来设计是不现实的，让学生自主分析实验困难，就能体会到实验装置的精妙之处，培养学生的探究能力，学会处理类似的实验问题。
1、定量探究F与r的关系 演示实验：（1）将起电机两个小球分开较远，其中一个小球与大金属球接触，使其带电。（2）用绝缘筷将小物件轻触大金属球，小物件因为带上同种电荷而被排斥开，请一位同学读出偏角θ，另一位同学移动木板上方的竖直标识，使标识位于小物件的正下方，读出对应的的刻度，得到距离r。（3）移动悬线所在支架，让小物件逐渐靠近大金属球，稳定后移动木板上的标识，使其始终在小物件的正下方，请同学读出2-3组偏角θ和距离r。（4）将实验数据同步填写在事先准备好的表格中。
实验次数 偏角θ 距离r r2 θ·r2
1 2 3 4 师、生共同处理数据：若F与r2成反比，那么θ就与r2的乘积为一个常数，用excel表格这个的计算功能快速计算，观察结果（乘积保留两位有效数字、距离单位取“m”）。
师、生共同总结：尽管数据有偏差，但是我们应该有些“感觉”，θ与r2的乘积为一个定值，也就说F与r2成反比。
设计思路：本实验装置是由教师直接展示给学生的，为了让学生明白其操作原理，设置了问题——在F、q、r的测量中我们会遇到哪些困难？又是如何解决的？让学生知其为什么，培养学生科学探究能力。同时，再次巩固“控制变量法”。该实验数据虽然偏差较大，但是能让学生充分“有感觉”，体会到定量探究过程，培养科学思维。
本实验有以下几个注意事项①小物件采用包有锡箔纸的圆柱形轻质泡沫，效果远优于小球；②实验过程中由于所处地域湿度较大，太阳灯最好一直处于打开状态，且可以用打火机加热的方式减少大金属球上的“毛刺”，减少电荷损失；③实验过程时间不宜太久，以减少电荷量损失带来的影响，所以请学生读数之前熟悉刻度、精准读数，师生合作完成。
2、定量探究F与q的关系
提问：我们刚刚还有一个难题没有解决就是电荷量q的测量，该怎么办呢？ 提示：在物理定量实验中有时候对于不方便测量的物理量可以采用让其“成倍”增加的方法。此方法在探究“做功与动能变化”的实验中运用过，通过用不同根数相同的橡皮筋对小车做功，得到1W、2W、3W……的变化，看动能的增加量。
介绍：让一个金属球带上一定量的电荷q，再用一个和它完全一样但不带电的金属球与之相碰，那么q就会平均分，每个球带电q/2，放掉一个金属球的电
荷再次相碰，就可以得到q/4的电量，以此类推可以得到q/8、q/16……
演示实验：（1）用起电机给大金属球和小物件重新带上同种电荷，小物件因为受到排斥力而偏转；（2）确定此时两个物体之间的距离r0，记录下此时的偏角θ；（3）保证相同大小的金属球不带电，与大金属球相碰，调整小物件离金属球的距离，保证距离保持r0不变，再次记录偏角θ；（4）以此类推，记录2-3组数据，记录在表格中。
实验次数 电荷量q 偏角θ
1 q 2 q/2 3 q/4
师、生共同总结：尽管数据有偏差，但是我们应该有些“感觉”，θ与q成正比，也就说F与q成正比。
设计思路：本实验操作有一个需要特别注意的地方——当电荷量减少时，悬线偏角减小，那么距离r就变小，所以需要适当移动小物件所在的架子，使得距离保持r0不变，每次改变电荷量都需要这样的操作，调节之后的θ才有效。
三、关于实验结论的讨论
1、关于“库仑定律”适用条件的讨论。
总结：我们的实验数据虽然有偏差，但是这有限的探究已经使我们能感受到电荷之间的F与r2成反比、与电荷量q成正比。这就是库仑定律的内容：真空中两个静止点电荷之间的相互作用，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。电荷之间的作用力也可以称为“库仑力”。
提问：在这个结论中有什么是值得我们注意，但是刚刚探究中又没有在意的？
学生回答：真空、静止、点电荷 提问：什么是点电荷呢？它可能和我们学过的哪一个物理模型很相像？（质点）什么情况下可以把物体看成质点？
总结：当带电体间的距离比它们自身的大小大得多，以致带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们之间作用力的影响可以忽略，这样的带电体就可以看做带电的点，叫做点电荷，这是一个理想化模型。
提问：我们刚才实验中的小物件和金属球可以看成是点电荷吗？
学生讨论：小物件肯定可以，大金属球好像也可以，测距离时取的中心点。 总结：对于这样周围几乎没有干扰电荷且电荷分布均匀的球体来说可以看成点电荷。这样的方法我们在哪里用过？（计算地球对地表物体吸引力时，把地球看成质点，距离取地球半径）
提问：库仑定律表达式中还有系数k，他的大小是如何知晓的呢？
演示器材：库仑扭秤实验模型，认识其主要结构及作用。扭秤是用扭转角度替代力的大小，用半分法改变电荷量。
设计思路：“类比”的方法是探究和学科学习中非常重要的方法。扭称实验虽不能当堂实现，但能使学生体会它的巧妙之处，体验科学家的探究过程。对于
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定律的讨论有助于培养学生的科学态度、科学思维。
2、关于“库仑定律”发现历史的讨论。 介绍：一个物理定律的发现不会是一帆风顺的，它或许需要一个时代的物理学家坚持不懈、星火相传的努力，库仑定律也是如此：1716年，英国物理学家普利斯特利通过实验发现静电力与万有引力的情况非常相似，为此他首先提出了静电力距离平方反比的规律猜想；1772年，英国物理学家卡文迪许遵循普利斯特利的思想以实验验证了该定律；1785年法国物理学家库仑设计制作了一台精确的扭秤，用扭秤实验证明了同号电荷的斥力遵从距离平方反比规律。之后，他也设计了实验装置去证明吸引力同样适用。
介绍：很稀罕今天在课堂上的探究数据不是特别好，那么这些科学家得到的数据是不是就是完美的呢？卡文迪许和库仑的数据偏差值为百分之几，随着测量
手段不断的精确化，1971年威廉姆斯得到的数据偏差值数量级为10-16
。
提问：数据并不完美，那科学家为什么还坚定的认为这个“距离平方反比”的结论一定成立呢？
师、生共同总结：（1）偏差越来越小，从发展的趋势来看，随着条件的“理想化”，测量工具的“精确化”，或许这个偏差越来越接近零，直至没有。（2）人们始终相信自然界中的规律是简单的、统一的，在库仑定律之前万有引力定律已经发表被人们广泛认可，那么从万有引力和静电力的相似性来看，这个结论一定成立。
设计思路：物理学史的了解能让学生更加真实的感受“库仑定律”的发现过程，知道物理探究的必要因素和思想方法。这是对提高学生探究能力非常有益、高效的做法。
四、例题精讲：认识库仑定律及其适用条件，能用定律解决问题
提问：在刚刚的试验中我们并没有考虑万有引力，这是为什么？我们用数据来看一看。
例题1、氢原子中，原子核只有1个质子,核外只有1个电子,它们之间距离r =5.3×10-11m， 求氢原子核与电子之间的库仑力F电及它们之间的万有引力F
引 (质子的质量为1.67×
10-27kg，电子的质量为9.1×10-31kg ，引力常量 ）
39103.2引
库
FF 例题2、两个半径为0.3m的金属球，球心相距1.0m放置，当他们都带1.5×10−5 C的正电时，相互作用力为F1 ，当它们分别带+1.5×10−5 C和−1.5×10−5 C的电量时，相互作用力为F2 , 则
A．F1 = F2 B．F1＜F2 C．F1＞F2 D．无法判断
师、生共同讨论：根据题目中所给出的数据发现两个金属球的距离不够大，电荷似乎不能均匀分布了，异种电荷与同种电荷的作用力方向不用，所以让电荷分布情况不同，等效距离也就不同，所以力的大小不同。
设计思路：例1让学生了解库仑力和万有引力的数量级区别，体会为什么可以忽略万有引力不计。例2进一步体会库仑定律的使用条件。
【板书设计】
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
