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3、教学主要环节 本设计采用情景引入——问题激疑——探究实验——建立概念——自主活动——加深理解的模式组织教学,整个教学过程可分为四个主要的教学环节:
第一环节,通过情景、提出问题和学生实验探究,定性得到电荷间的相互作用力的规律及影响其大小的相关因素。
第二环节,通过对电荷间的相互作用力的原因的思考、物理史实的介绍,建立电场的概念。
第三环节,通过用图线的方法描述电场力的作用效果,建立电场线的概念,并学会使用电场线形象地描述电场的强弱。
第四环节,利用比值定义法建立电场强度的概念,学会如何用场强的概念来精确地描述电场的强弱。
七、教案示例
1、情景引入
演示实验1:请一位同学站在绝缘地板上,手摸着起电器的金属球,随着金属球带电量的增多,同学的头发会竖起来。
激疑1:在实验中,产生“电发”的原因是什么?
演示实验2:将两个小通草球(或表面涂有石墨的泡沫塑料小球)用丝线悬挂起来。用丝绸摩擦玻璃棒,使玻璃棒带电,并把玻璃棒上带的电传给其中一个小球。然后使两个小球接触,带上同种电荷。观察现象。
演示实验3:仍将两个小通草球悬挂起来,并使它们分别带上正电荷和负电荷。观察现象。
这些实验现象又说明什么?
电荷之间有相互作用力,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。
2、电荷间的相互作用
(1)这种静止电荷之间的相互作用力叫做静电力。
(2)用静电力概念解释带电体吸引不带电的轻小物体的原因。
(3)定性探究影响静电力大小的因素
探究实验1:将一个带电小球放在O处,然后把另一个挂在丝线上的带同种电荷的小球先后挂在P1、P2、P3等位置,比较小球在不同位置所受电场力的大小。保持小球处于P1位置不变,不断增加放置在O处的带电小球的电量,观察悬挂小球的偏转情况。
实验结果:距离越近的小球,偏角越大;电量增加后,偏角也越大。
引导学生从受力分析入手,解释实验现象:F = mg tanα,带电体间距离越小,偏角越大,这表明电荷间作用力越大;若带电体所带电荷量增大,偏角越大,表明受静电力作用越大。
结论:电荷之间相互作用力的大小与电荷间的距离有关,距离越小作用力越大;还与两电荷的带电量有关,电荷量越大作用力越大。
(4)点电荷
① 带电体的形状、大小与两个相互作用的带电体之间的距离相比要小得多,其对相互作用力的影响可以忽略,那么带电体可以看成为带有电荷的点,这样的带电体叫做点电荷。
② 点电荷间相互作用的作用力方向沿着两点电荷的连线,具体方向由相斥或相吸来判断。
③ 点电荷是一种理想模型。
讨论:一个带电体的体积很小,就可以认为它是一个点电荷,这种说法正确吗?
交流:点电荷是一种理想模型,实际上不存在。看成点电荷的带电体其大小具有相对的意义,带电体的尺寸不一定很小。
3、电场
激疑2:我们过去学过的弹力、摩擦力都是当一个物体与另一个物体接触时产生的,但是,电荷之间的相互作用力并不要求带电体相互接触。那么,带电体到底通过什么发生相互作用呢?
人们对这个问题的认识在历史上曾有过两种不同的观点。在法拉第之前,人们认为两个电荷之间的相互作用力是一种超距作用,也就是一个电荷对另一个电荷的作用力是隔着一定空间直接给予的,不需要中间什么媒介作传递,这种方式可以表示为:
电荷 电荷
在19世纪30年代,法拉第提出一种观点,认为一个电荷周围存在着由它产生的电场,另外一个电荷受这个电荷的作用力就是通过这个电场的作用发生的,这种作用方式可以表示为:
电荷 电场 电荷
(1)电场:电荷在其周围空间产生的一种特殊物质。
(2)静电场:静止的电荷产生的电场。静电场是电场中的一类。
(3)电场的基本性质就是对放入其中的电荷有力的作用,这种作用力叫做电场力。
(4)对场的概念的理解:近代物理学的理论和实践已经完全证明了场的观点的正确性。场是“物质”──它和由分子、原子组成的实物一样具有能量、质量和动量,电场、磁场已被证明是一种客观存在的物质形态,电视台和无线电广播电台就是靠激发电磁场的方式发送各种节目信号的。虽然电磁场“看不见”“摸不着”,但是我们却可以在远离发射塔的地方,用电视机和收音机接受到它们发送的节目信号,这就是电磁场客观存在的很好例证。此外,重力场也是一种场。
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4、电场线
激疑3:电场看不见,摸不着,想个什么样的方法来形象地描述它呢?
可以利用电场的基本性质,即利用电场对放入其中的电荷有力的作用来对电场进行探究。
演示实验4:把头发屑放在蓖麻油中,然后加上不同形状的高压电极,观察头发屑受到电场力的作用而重新排列形成的结果。如书图8-15所示。
学生活动1:将观察到的结果用简单的线条来进行描绘,需注意线条的疏密要在图上有所体现。然后教师展示书图8-16的图形,并请学生将自己所画的图形与图8-16中的对实验结果理想化描绘的图形相对比,体会从具体的实验图形到理想化图线的抽象过程。
讨论交流:谈一谈图8-16中的图形与图8-15中的实验结果的对应关系以及这些图形的特点。引导学生从受力的角度分析得出电场线的弯曲、疏密等特点。
用曲线来大致描绘电场的分布,这种方法是英国物理学家法拉第提出来的。
(1)形象描绘电场分布的曲线叫电场线。电场线并不真实存在,只是人们用来形象描绘电场对电荷作用力的方向与大小。
(2)为了表示电场力的方向,规定电场线上任一点的切线方向为该点正电荷受力方向。
学生活动2:根据电场线的方向规定在图8-16的曲线上添上箭头,用来表示电场线的方向。然后与图8-17进行对比。
(3)电场线的疏密表示电场的强弱。
学生活动3:画出一负电荷周围的电场线。
小组交流:总结电场线具有哪些特点?
(4)电场线的特点:
①电场线是假想的,不是真实的;②电场线起于正电荷止于负电荷,电场线不闭合;③电场线的疏密表示电场的强弱;④电场线不能相交;⑤电场线不能相切。
5、电场强度
激疑4:电场能够对处于场中的电荷施加电场力的作用,这是电场的基本性质之一。电场线可以形象地描绘电场的这种特性的大致分布,但这种描绘是非常粗略的。如何精确地、定量地描绘电场的力的特性呢?
为了不致改变原来的电场,可以选择一个带电量很小、线度也很小的电荷q,分别放入带电体Q所产生的电场中的不同位置,观察电荷q受到的电场力有何特点。
(1)带电体Q叫做场源电荷,电荷q叫做检验电荷。
探究实验2:如图所示,使有绝缘支柱的大金属球带电作为场源电荷,使丝线吊着的小铝箔球带少量电荷,用它作为检验电荷q。把铝箔球放在电场中不同的方位,注意观察丝线的倾斜方向。然后将铝箔球逐渐远离场源电荷,观察丝线偏离竖直方向的角度。
实验表明:在电场中不同点,电场对检验电荷施加的电场力的大小和方向一般是不同的。可见不同点电场的性质是不同的。
讨论交流:那么能否用检验电荷受到的电场力来定量的、精确的描述电场的这一性质吗?
探究实验3:把铝箔球放在电场中同一位置,减小它的带电量,注意观察丝线的偏角。
实验表明:在电场中同一点,检验电荷所受电场力随它所带电量的减小而减小,所以,电场力不能用于描述电场本身的性质。要描述电场,需要找一个与检验电荷的电量无关而只由电场决定的物理量。
讨论交流:什么样的物理量符合这一要求呢?
如果我们能够做更精确的实验,就会发现:在电场中同一点,电场力不仅随检验电荷的电量的减小而减小,随电场力的增大而增大,而且跟检验电荷的电量之间总是存在这样的定量关系:
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