2019-2020年人教版高中物理选修3-1 第一章 第3节 电场强度 教案1.doc

2019-2020年人教版高中物理选修3-1 第一章 第3节 电场强度 教案1三维目标知识与技能1知道电荷间的相互作用是通过电场发生的，知道电场是客观存在的一种特殊物质形态；2理解电场强度的概念、定义式及有关的计算，知道电场强度是矢量及方向是怎样规定的；3根据库仑定律和电场强度的定义式推导点电荷场强的计算式并能进行有关的计算；4知道电场的叠加原理并应用这个原理进行简单的计算。5知道什么是电场线，知道用电场线可以形象地表示电场的方向和强弱；6知道一个点电荷，两个等量点电荷、点电荷与带电平行板间的电场线的分布；7知道什么是匀强电场，以及匀强电场的电场线的分布；8知道两块靠近的平行金属板，大小相等，互相正对，分别带有等量的正负电荷，它们之间的电场（除边缘附近外）是匀强电场。过程与方法1通过分析电场中不同点的电场力F与电荷电量q的比例关系，使学生理解F/q比值反映的是电场的强弱。通过类比方法、比值法定义物理量，提高学生研究问题的能力；2知道电场叠加的一般方法。3用电场线形象化地描述电场，使学生达到运用形象思维上升到抽象思维的境界。情感态度与价值观1使学生学会由个别事物的个性来认识一般事物的共性的认识事物的一种重要的科学方法；培养学生学会分析和处理电场问题的一般方法。2通过电场的教学，培养学生对物质的认识观。3使学生从一些特殊事物找出它们的共性而得到一般的规律；4通过各种电场中电场线的描绘，渗透物理学中的美学教育。教学重点电场、电场强度和电场线的概念，电场强度的定义式。教学难点1电场概念的理解、应用电场的叠加原理进行简单的计算。2对E和E的理解。3对理解电场线的性质。教学方法归纳推理法、讲授法、实验分析法、归纳总结法。教具准备有机玻璃棒一根、丝绸一块，绝缘导体球大小各一个，细丝线一条，铁架台一个。感应起电机一台，盛有蓖麻油与奎宁的针状结晶或头发屑混和物的玻璃培养皿一个，一对电极球，一对平行板电极，常见电场的电场线分布的投影片。课时安排2课时教学过程新课导入问题：库仑定律的文字表述、公式、适用条件？文字表述，真空中两个点电荷之间相互作用的电力，跟它们的电荷量的乘积成正比，跟它们距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。适用条件：真空(干燥空气)中，点电荷。公式：F，求解静电力F时，利用公式将q1、q2代绝对值，求得大小，方向依据同斥异引判定。问题：电荷间相互作用的引力和斥力是如何实现的？电荷间相互作用不需要直接接触，它们间的的引力和斥力是通过第三者间接作用而完成的。万有引力曾被认为是一种既不需要媒介，也不需要经历时间，而是超越空间与时间直接发生的作用，并被称为超距作用。尽管牛顿本人不赞成这种说法，并指出：“没有其他东西做媒介，一个物体可以超越距离通过真空对另一个物体作用在我看来，这种思想荒唐之极。”然而，他未能解决这个问题，因而仍然有人把万有引力说成是典型的超距作用。库仑的平方反比定律似乎表明，静电力像万有引力一样，也是一种超距力，然而，超距作用的观点不可避免地带来一些神秘色彩，与人类的理智和科学追求不符，是1819世纪的多数科学家难于接受的。使人们摆脱这一困境的是英国人法拉第，一位对事物本性有深刻洞察力的科学家。完成电荷间相互作用的东西我们看不见，摸不着，但它确确实实存在，是一种客观存在的特殊的物质形态，把它称为场。本节课我们就来学习有关电场的问题。新课教学一、电场1概念电荷A电荷A的电场电荷B电荷B的电场产生产生施力施力19世纪30年代，法拉第提出一种观点，认为在电荷的周围存在着由它产生的电场，处在电场中的其他电荷受到的作用力就是这个电场给予的。例如，电荷A对电荷B的作用力，就是电荷A的电场对电荷B的作用；电荷B对电荷A的作用力，就是电荷B的电场对电荷A的作用。存在于电荷周围，能传递电荷间相互作用力的一种特殊物质，称为电场。电荷之间的相互作用是通过电场来发生的。只要有电荷存在，电荷的周围就存在着电场。近代物理学的理论和实验证实并且发展了法拉第的观点。电场以及磁场已被证明是一种客观存在，并且是互相联系的，统称为电磁场。变化的电磁场以有限的速度光速，在空间传播。它和分子、原子组成的实物一样具有能量、质量和动量，因而场与实物是物质存在的两种不同形式。应该指出的是，只有在研究运动的电荷，特别是运动状态迅速变化的电荷时，上述电磁场的实在性才突显出来。在本章中，只讨论静止电荷产生的电场，称为静电场。这种情况下，可以认为电场只是描述电荷相互作用的一种有效而且方便的方法。2电场的基本性质（1）对放入其中的电荷有力的作用放入电场中的任何带电体都将受到电场力的作用，这种力称为电场力。且同一点电荷在电场中不同点处受到的电场力的大小或方向都可能不一样。（2）电场能使放入电场中的导体产生静电感应现象（3）电场具有能量当带电体在电场中移动时，电场力将对带电体做功，这表示电场具有能量。电场具有力和能的特征。3电场的属性（1）特殊性不同于生活中常见的物质，看不见、摸不着、无法称量、可以叠加。（2）物质性是客观存在的，具有物质的基本属性质量和能量。二、电场强度电场明显的特征之一是对场中其他电荷有力的作用，因此在研究电场的性质时，可以从静电力入手。1试探电荷与场源电荷（1）试探电荷试探电荷（检验电荷）为了研究电场的存在及其强弱分布，必须在电场中放入电荷，以测量电场对它的作用力，引入的电荷叫做试探电荷。用来检验电场是否存在及其强弱分布情况的电荷，称为试探电荷或检验电荷。试探电荷必须满足的条件a电量充分小试探电荷的电量应当充分小，放入至后，不致影响原来要研究的电场。即放入后，对场源电荷分布的影响要足够小，从而可以忽略。b体积充分小试探电荷的体积要充分小，相对于场电荷要能被看作点电荷，这样便于用来研究电场中各点的情况。（2）场源电荷形成电场的电荷称为场源电荷。2电场强度电场的力的性质用什么物理量来描述呢？ +Q+qAFA+qBFB【演示】将绝缘导体球放在桌面上，用丝线将小球悬于铁架台上，用与丝绸摩擦过的有机玻璃棒反复多次使两球带电。实验过程中缓慢移到铁架台到不同位置。现象：小球偏离一定角度。将铁架台缓慢移到不同位置，偏角不同。结论：小球处于绝缘导体球的电场中的不同位置，所受电场力的大小和方向不同，如图。这表明电场的强弱和方向是与位置有关的。问题：不同点电荷在电场中同一点所受电场力相同吗？ 【演示】将两球位置固定，用摩擦起电后的有机玻璃棒给两球带电，细线偏离一定角度。用不带电的有机玻璃棒接触小球后拿开。现象：用不带电的有机玻璃棒接触小球后，小球的电量减小了，丝线偏离的角度减小。结论：说明电场力减小，即不同点电荷在电场中同一点所受电场力不同。根据上面的结论可知，试探电荷在电场中受到的电场力与试探电荷有关，电场中某确定点的电场力的大小和方向具有不确定性，不可以用电场力来描述电场本身的力的性质。然而，人们很自然地会想到，如果把一个很小的电荷q1用做试探电荷，它在电场中的某个位置受到的静电力是F1，另一个同样的电荷q1在同一位置受到的静电力一定也是F1；现在把两个这样的电荷一同放在这里，它们总的电荷量是2q1，它们所受的合力很可能就是2F1。依次类推，三个这样的电荷放在这里，电荷量是3q1，受到的静电力可能是3F1也就是说，试探电荷在电场中某点受到的力F很可能与试探电荷的电荷量q成正比FEq式中E是比例常数，与试探电荷q无关。实验表明，我们的推测是正确的：试探电荷在电场中某个位置所受的力，的确与试探电荷的电荷量成正比。实验还表明，在电场的不同位置，比例常数E一般是不一样的，它反映了电场在这点的性质。物理学中引入一个新的物理量“电场强度”来描述电场的力的性质。（1）定义放入电场中某点的电荷所受的电场力F跟它的电荷量q的比值，叫做该点的电场强度，简称场强。（2）公式E（量度式，适用于任何电场）这是利用比值定义法定义电场强度的，是物理学中定义物理量经常采用的方法。在物理学中，常常用比值定义一个物理量，用来表示形容对象的某种性质，如密度、速度等。比值定义法，在定义一个新的物理量的同时，也确定了这个新的物理量与原有物理量之间的关系，这是任何采用比值定义法定义的物理量的共同特点。 （3）场强的大小和方向电场强度是反映电场本身力的性质的物理量，有大小和方向，是矢量。大小：等于单位电荷量的电荷受到的电场力的大小。方向：跟正电荷在该点所受的电场力的方向相同。物理学中规定，电场中某点的电场强度方向跟正电荷在该点所受的静电力的方向相同。按照这个规定，负电荷在电场中某点所受的静电力的方向跟该点的电场强度方向相反。（4）场强的单位在国际单位制中，场强的单位是牛顿每库仑，符号为N/C。如果1C的电荷在电场中的某点受到的电场力是1N，这一点的电场强度就是1N/C。电场强度的另一单位是伏特每米，1N/C1V/m。（5）电场强度的物理意义问题：E由F、q决定吗？ 分析：E表示电场本身的属性，与F、q无关，即E跟电场中某点有无试探电荷和试探电荷的电荷量的多少，电性如何、所受电场力均无关。公式E是量度式，E可用该公式计算，但不是由它决定的，不能说E与F成正比，与q成反比。电场强度是表示电场的强弱和方向的物理量，反映了电场本身的力的性质，由电场本身决定，与试探电荷无关，具有唯一性。拓展：那F由E、q决定吗？ 分析：F由E、q决定，FEq（决定式），这是计算电荷在电场中受到的电场力的通用计算公式。三、点电荷的电场、电场强度的叠加1点电荷的电场电场强度是描述电场性质的物理量，在静电场中，它不随时间改变。在某一电荷的电场中，不同位置的电场强度一般是不同的。电场强度与产生它的场源电荷有什么关系呢？电场强度由电场本身决定，由电场本身的哪些因素决定呢？下面以点电荷为例分析。（1）真空中点电荷的场强公式点电荷是最简单的场源电荷。设一个点电荷的电荷量为Q，与之相距r的试探电荷的电荷量为q，根据库仑定律，试探电荷所受的力为F依电场强度的定义，E，所以，该点电场强度的大小为（决定式）式中k9.0109Nm2/C2。Q为场源电荷的电荷量，r为电场中研究点到Q的距离，均为电场本身的物理量。QPEQPE（2）适用条件真空（干燥空气）、点电荷。（3）点电荷场强方向如果场电荷Q是正电荷，E的方向就是沿着PQ连线并背离Q；如果场电荷Q是负电荷，E的方向就是沿着PQ连线并指向Q。由此进一步证明：确定电场中的确定点，其场强无论大小，还是方向都是确定的，跟此点有无电荷、电荷的电荷量、电荷的电性、所受电场力等均无关。但电荷在电场中所受电场力的大小和方向，除了与场强的大小、方向有关，还与该点的试探电荷的电荷量、电荷的电性等有关。问题讨论：在以点电荷为球心的球面各点的场强是否相同？场强是矢量，以点电荷为球心的球面上各点的场强大小相同，但方向不同，所以场强矢量不同。2电场强度的叠加（1）电场的叠加原理问题：如果空间中有几个点电荷同时存在，此时各点的场强是怎样的呢？Q1PE1Q2EE2由于场强是矢量，类似于力，矢量均满足独立性原理和叠加原理，故电场互相叠加，形成合电场，则某点的场强等于各个电荷单独存在时在该点产生的场强的矢量和，即利用平行四边形定则进行合成。这说明电场的作用是可以叠加的。例如：图中P点的场强，等于Q1在该点产生的电场强度E1和Q2在该点产生的电场强度E2的矢量和。电场中某点的电场强度为各个电荷单独存在该点产生的电场强度的矢量和。（2）均匀带电球体的电场一个比较大的带电物体不能看做点电荷。在计算电场时，可以把它分做若干小块，只要每个小块足够小，就可以把每小块所带的电荷看成点电荷，然后用点电荷电场强度叠加的方法计算整个带电体的电场。可以证明，一个半径为R的均匀带电球体（或球壳）在球的外部产生的电场，与一个位于球心的、电荷量相等的点电荷产生的电场相同球外各点的电场强度也是式中r是球心到该点的距离（rR），Q为整个球体所带的电荷量。【例题】如图所示，在真空中有两个点电荷Q13.0108C和Q23.0108C，它们相距0.1 m。求电场中A点的场强，A点与两个点电荷的距离r相等，r0.1 m。解析：真空中点电荷Q1和Q2的电场在A点的场强分别为E1和E2，它们大小相等，方向如图。Q1AE1Q2EE2合场强E、场强E1、场强E2矢量三者构成一正三角形，故合场强E的方向与Q1和Q2的连线平行。合场强的大小为EE1cos60E2 cos602E1cos60即EE1E22.7104V/m场强的方向与两点电荷的连线平行，并指向负电荷一侧。注意：用求解E时，同样应注意Q代电荷量的绝对值，方向根据场源电荷Q的电性确定。拓展：求Q1和Q2连线中点处的场强。四、电场线电场强度是很重要的物理量。如果知道了电场中各点的场强E，便可由FqE很方便地求出电荷在电场中任意点所受电场力的情况，即掌握了电场的力的性质。在电场中不同点的场强的大小、方向一般是不同的，即场强在空间的分布是很复杂的。怎样才能方便地了解电场中各点场强的情况呢？在初中学习磁场时，我们形象地用磁感线来描述磁场。在描述电场时，最好也用一个图象来直观地表示，英国物理学家法拉弟首先采用一个简洁的方法描述电场，那就是画电场线。1电场线ACB在电场中画出的一条条有方向的曲线，曲线上每点的切线方向表示该点的电场强度方向，这样的曲线就叫做电场线。问题：如电场线是直线，场强E方向如何？ 结论：场强E的方向与电场线的指向一致。2几种典型的电场线分布清楚了电场线的概念，接下来熟悉几种典型的电场线的分布。（1）点电荷的电场线 电场线的方向（箭头指向）即场强的方向，故对正的场源电荷，箭头向外；对负的场源电荷，箭头向内。(由平面内的电场线分布建立立体空间内的电场线分布)（2）等量异种点电荷的电场线 (由平面内的电场线分布建立立体空间内的电场线分布。思考：若异种电荷不等量，电场线怎样？)（3）等量同种点电荷的电场线 (由平面内的电场线分布建立立体空间内的电场线分布。思考：等量同种负电荷的电场线怎样？)（4）点电荷与带电平板的电场线 (思考：若点电荷与平板的电性互换电场线怎样？若点电荷与平板带同种电荷电场线怎样？)（5）带等量异种电荷的平行金属板间的电场线3电场线的实验模拟【演示】模拟电场线电场线的形状可以用实验来模拟。把头发屑悬浮在蓖麻油里，加上电场，微屑就按照电场强度的方向排列起来，显示出电场线的分布情况，如图所示，是两种情况下的照片。问题：电场线是否真实存在？ 结论：电场线不是真实存在的线，实验和举例中并没有实际画出的电场线，只是奎宁的针状结晶或头发屑、头发排列而成的形状。电场线不是电场里实际存在的线，而是形象地描述电场的假想的线。我们无法从电荷周围的电场中去抓出一把电场线来。如图，带电人体的头发由于静电斥力而竖起散开，其形状也大致显示出电场线的分布。电场线是为形象描述电场而引入的假想的线，不是电场里实际存在的线。4电场线的物理意义问题：从典型的电场线分布，归纳出电场线怎样表示电场的强弱？ 分析：在离场源电荷越近的地方，场强越强，从上述实验可看出，在离场源电荷越近的地方，电场线越密，所以可用电场线的疏密表示场强的强弱。（1）电场线中某点的切线方向表示该点的场强方向；（2）电场线的疏密程度表示场强的相对大小。5电场线的特点由以上几种典型电场的电场线的分布图可以归纳出电场线的特点如下： （1）电场线上某点的切线方向表示该点的场强方向，电场线的疏密程度表示场强的相对大小。（2）电场线不是真实存在的，是形象地描述电场的假想的线。（3）电场线是不封闭的曲线，从正电荷或无穷远处出发，终止于负电荷或无穷远处，电场线不会在没有电荷的地方中断。（4）静电场中任意两条电场线都不相交。静电场中任意一点只有惟一确定的场强矢量，若两条电场线交于一点，则交点处存在两个场强方向，这显然是不可能的，故任两条电场线不相交。（5）静电场中任意两条电场线也不相切。若两条电场线相切，则表示切点处的场强趋近于无穷大，这在实际中是不可能发生的，故任意两条电场线都不相切。（6）仅在电场力作用下，电场线一般不是电荷的运动轨迹。【问题讨论】当电场线为直线时当电荷仅受电场力，且初速度为零或初速度方向与电场线在同一直线上时，电场线与电荷的运动轨迹重合。当电荷仅受电场力，但初速度方向与电场线不在同一直线上时，电场线与电荷的运动轨迹不重合。当电场线为曲线时做曲线运动的物体，其运动方向不断在改变，因此法向力不能为零。当电荷仅受电场力时，沿着曲线的电场线运动时，运动到任一位置，受到的电场力方向一定沿电场线的切线方向，法向力为零，没有法向力的来源。由此可知，当电场线为曲线时，电荷仅受电场力作用时一定不会沿着电场线运动，即电场线为曲线时，电场线与电荷的运动轨迹一定不重合。 五、匀强电场1定义电场中各点电场强度的大小相等、方向相同，这个电场就叫匀强电场。2匀强电场的电场线匀强电场的场强处处大小和方向都相同。方向相同，电场线应彼此平行；大小相同，电场线应等间距。匀强电场的电场线是间隔相等的平行直线。问题：带等量异种电荷的平行板间的电场线有何特点？说明什么？ 结论：除边缘附近外，电场线是间距相等的平行直线。说明场强的大小、方向都相同。所以，带等量异种电荷的平行板间的电场为匀强电场。小结通过本节课的学习，我们认识了物质存在的一种形式场，并学会了用场的性质来研究它，要体会这种研究方法。电场是一种存在于电荷周围的客观存在的特殊物质形态，电场的基本性质是对放入其中的电荷有力的作用。用电场强度来描述电场本身的力的性质，E是采用比值定义法定义的，不由F、q（试探电荷）决定，根据公式（真空中点电荷），E由Q（场源电荷），r（与场源电荷的距离）决定，即场强由电场本身的性质决定。如果有几个点电荷同时存在，它们的电场就互相叠加，形成合电场.这时某点的场强等于各个电荷单独存在时在该点产生的场强的矢量和。我们还学习了物理学中研究问题的一种重要方法用电场线形象地描述抽象的电场。电场线的方向场强的方向，电场线的疏密场强的大小。了解了几种典型的电场线的分布和电场线的特点。 学习了最简单的也是中学阶段应用最多的匀强电场及其电场线特点。布置作业教材第4页“问题与练习”。