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　　《庫侖定律》

　　【課 題】人教版《普通高中課程標準實驗教科書物理（選修3—1）》第一章第二節《庫侖定律》

　　【課 時】1學時

【三維目標】

知識與技能：

　　1、知道點電荷的概念，理解并掌握庫侖定律的含義及其表達式；

　　2、會用庫侖定律進行有關的計算；

　　3、知道庫侖扭稱的原理。

過程與方法：

　　1、通過學習庫侖定律得出的過程，體驗從猜想到驗證、從定性到定量的科學探究過程，學會通過間接手段測量微小力的方法；

　　2、通過探究活動培養學生觀察現象、分析結果及結合數學知識解決物理問題的研究方法。

　　情感、態度和價值觀：

　　1、通過對點電荷的研究，讓學生感受物理學研究中建立理想模型的重要意義；

　　2、通過靜電力和萬有引力的類比，讓學生體會到自然規律有其統一性和多樣性。

【教學重點】

　　1、建立庫侖定律的過程；

　　2、庫侖定律的應用。

【教學難點】

　　庫侖定律的實驗驗證過程。

【教學方法】

　　實驗探究法、交流討論法。

【教學過程和內容】

　　<引入新課>同學們，通過前面的學習，我們知道“同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引”，這讓我們對電荷間作用力的方向有了一定的認識。我們把電荷間的作用力叫做靜電力，那么靜電力的大小滿足什么規律呢？讓我們一起進入本章第二節《庫侖定律》的學習。

<庫侖定律的發現>

　　活動一：思考與猜想

　　同學們，電荷間的作用力是通過帶電體間的相互作用來表現的，

　　因此，我們應該研究帶電體間的相互作用。可是，生活中帶電體的大小和形狀是多種多樣的，這就給我們尋找靜電力的規律帶來了麻煩。

　　早在300多年以前，偉大的牛頓在研究萬有引力的同時，就曾對帶電紙片的運動進行研究，可是由于帶電紙片太不規則，牛頓對靜電力的研究并未成功。

　　（問題1）大家對研究對象的選擇有什么好的建議嗎？

　　在靜電學的研究中，我們經常使用的帶電體是球體。

　　（問題2）帶電體間的作用力（靜電力）的大小與哪些因素有關呢？

　　請學生根據自己的生活經驗大膽猜想。

　　<定性探究>電荷間的作用力與影響因素的關系

　　實驗表明：電荷間的作用力F隨電荷量q的增大而增大；隨距離r的增大而減小。

　　（提示）我們的研究到這里是否可以結束了？為什么？

　　這只是定性研究，應該進一步深入得到更準確的定量關系。

　　（問題3）靜電力F與r，q之間可能存在什么樣的定量關系？

　　你覺得哪種可能更大？為什么？（引導學生與萬有引力類比）

　　活動二：設計與驗證

　　<實驗方法>

　　（問題4）研究F與r、q的定量關系應該采用什么方法？

　　控制變量法——（1）保持q不變，驗證F與r2的反比關系；

　　（2）保持r不變，驗證F與q的正比關系。

　　<實驗可行性討論>、

　　困難一：F的測量（在這里F是一個很小的力，不能用彈簧測力計直接測量，你有什么辦法可以實現對F大小的間接測量嗎？）

　　困難二：q的測量（我們現在并不知道準確測定帶電小球所帶的電量的方法，要研究F與q的定量關系，你有什么好的想法嗎？）

　　（思維啟發）有這樣一個事實：兩個相同的金屬小球，一個帶電、一個不帶電，互相接觸后，它們對相隔同樣距離的第三個帶電小球的作用力相等。

　　——這說明了什么？（說明球接觸后等分了電荷）

　　（追問）現在，你有什么想法了嗎？

　　<實驗具體操作>定量驗證

　　實驗結論：兩個點電荷間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們距離的二次方成反比。

　　<得出庫侖定律>同學們，我們一起用了大約20分鐘得到的這個結論，其實在物理學發展史上，數位偉大的科學家用了近30年的時間得到的并以法國物理學家庫侖的名字來命名的庫侖定律。

啟示一：類比猜想的價值

　　讀過牛頓著作的人都可能推想到：凡是表現這種特性的相互作用都應服從平方反比定律。這似乎用類比推理的方法就可以得到電荷間作用力的規律。正是這樣的類比，讓電磁學少走了許多彎路，形成了嚴密的定量規律。馬克·吐溫曾說“科學真是迷人，根據零星的事實，增添一點猜想，竟能贏得那么多的收獲！”。科學家以廣博的知識和深刻的洞察力為基礎進行的猜想，才是最具有創造力的思維活動。

　　然而，英國物理史學家丹皮爾也說“自然如不能被目證那就不能被征服！”

啟示二：實驗的精妙

　　1785年庫侖在前人工作的基礎上，用自己設計的扭稱精確驗證得到了庫侖定律。（庫侖扭稱實驗的介紹：這個實驗的設計相當巧妙。把微小力放大為力矩，將直接測量轉換為間接測量，從而得到靜電力的作用規律——庫侖定律。）

<講解庫侖定律>

　　1．內容：真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，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。

　　2．數學表達式：

　　（說明），叫做靜電力常量。

　　3．適用條件：（1）真空中（一般情況下，在空氣中也近似適用）；

　　（2）靜止的；（3）點電荷。

　　（強調）庫侖定律的公式與萬有引力的公式在形式上盡管很相似，但仍是性質不同的兩種力。我們來看下面的題目：

<達標訓練>

　　例題1：（通過定量計算，讓學生明確對于微觀帶電粒子，因為靜電力遠遠大于萬有引力，所以我們往往忽略萬有引力。）

　　（過渡）兩個點電荷的靜電力我們會求解了，可如果存在三個電荷呢？

　　（承前啟后）兩個點電荷之間的作用力不因第三個點電荷的存在而有所改變。因此，多個點電荷對同一個點電荷的作用力等于各點電荷單獨對這個點電荷的作用力的矢量和。

　　例題2：（多個點電荷對同一點電荷作用力的疊加問題。一方面鞏固庫侖定律，另一方面，也為下一節電場強度的疊加做鋪墊。）

　　（拓展說明）庫侖定律是電磁學的基本定律之一。雖然給出的是點電荷間的靜電力，但是任何一個帶電體都可以看成是由許多點電荷組成的。所以，如果知道了帶電體的電荷分布，就可以根據庫侖定律和平行四邊形定則求出帶電體間靜電力的大小和方向了。而這正是庫侖定律的普遍意義。

　　<本堂小結>（略）

<課外拓展>

　　1、課本第8頁的“科學漫步”欄目，介紹的是靜電力的應用。你還能了解更多的應用嗎？

　　2、萬有引力與庫侖定律有相似的數學表達式，這似乎在預示著自然界的和諧統一。課后請同學查閱資料，了解自然界中的“四種基本相互作用”及統一場理論。