静电场 电场强度和电场线 教学设计 高二上学期物理教科版（2019）必修第三册

15/153．静电场电场强度和电场线北京市通州区潞河中学张晓一、教学内容分析本节内容是整个高中电磁学的基础。静电学中的电场强度、电势差等概念是电学乃至中学物理中的最重要的物理概念之一，理解和掌握它们的建立方法、定义方法、物理意义、量的性质、形象描述方法等不但对静电学的学习是重要的，对学习中学物理的其他内容（电路、磁场等，例如电流做功就是电场力做功）也是必要的。前两节学习了电荷间的相互作用及库仑定律，初中阶段学习了磁场的简单知识，知道磁场力、磁感线等初步知识，这些内容是本节课的基础，可迁移这些知识构建电场概念，有利于学生对电场概念的接受和理解。电场是一个重要的物理概念。场的概念，对学生来说是第一次正式接触，加深学生对场的概念的认识和理解非常重要，有利于形成正确、全面的物理观念。本节课运用了多种物理学的科学方法，比如类比法、比值定义物理量的方法、理想化物理模型等，有利于培养学生科学思维，提升学生的科学素养。二、学生分析学生在初中阶段学习了简单的、初步的磁场的知识，对于电荷之间的作用，只知道同种电荷相斥异种电荷相吸，作用力的大小规律进入高中后才开始学习——这便是前两节的内容。关于电场，学生基本没有前概念，是全新内容，而且电场概念非常抽象，学生接受和理解上比较困难，这是教学上的一个难点。电场线本身就不是电荷周围真实存在的东西，学生掌握起来也比较困难。因此，本节内容对于学生来说是一陌生的内容，学生学起来有一定的困难，教师应进行及时启发引导。三、学习目标1．物理观念。（1）粗略了解物理学史上对电荷间相互作用力的认识过程，以此认识电场；知道电荷间的相互作用是通过电场发生的，电场是客观存在的一种特殊的物质。（2）理解电场强度的概念，知道电场强度是矢量及其方向规定；会用场强的叠加原理计算场强合成。（3）知道可以用电场线形象描述电场，了解几种典型电场的电场线分布。2．科学思维。（1）通过磁场引入电场概念、通过磁感线引入电场线，通过初中阶段用铁屑模拟磁感线的实验方法引入电场线，让学生体会类比方法的运用。（2）通过电场强度的概念的引入，进一步体会比值法定义物理量这一常用的方法。（3）通过具体的电场线描述抽象的电场，渗透用场线描述矢量场的方法。3．科学探究。通过对如何描述电场强弱这一问题的探究，让学生获得探究活动的体验，体会比值法定义物理量的方法。4．科学态度和责任。通过电场的教学，培养学生对物质的认识观，发展对物理学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，树立科学的价值观。四、学习重难点重点：电场强度概念的理解与应用。难点：电场强度概念的建立与形成。五、学习评价设计知识：通过对已学知识的提问和讨论，评价学生的掌握情况——通过对电场、电场强度等新概念的建立过程，根据学生的反应、活动和运用情况进行评价。能力：注重理解能力和推理能力的落实，培养学生的思维能力、探究能力——通过提问、讨论和学生的反馈情况等环节进行评价以及通过练习、作业进行评价。态度：注重调动学生学习的热情，激发学生的学习兴趣，增强学生的学习积极性——通过课堂上学生的表现以及教师的鼓励、激励进行评价。方法：对于比值法、理想物理模型法、类比法等方法，都不是首次接触，学生应该已经知道——通过提问、主动发言等方式评价学生对这些方法的掌握程度。价值观：学生能够积极参与到教学活动当中，积极思考、勇于回答问题，主动学习——通过学生的学习态度和积极状态进行评价。六、教学资源多媒体投影仪、课件，可粘在黑板上的磁性圆形卡片若干（用来表示电荷），电场线谱演示器，模拟演示电场线的实验仪器。七、教学方法启发式讨论法、讲授法、实验法。八、教学流程图九、教学活动设计环节一：创设情境，引入课题复习提问：库仑定律的内容是什么？什么叫点电荷？学生回答。提出问题：在我们所学的各种性质的力中，哪些力是物体直接接触才能产生的？哪些是不直接接触也能产生的?分析：弹力、摩擦力需物体直接接触才能产生，而万有引力（包括重力）、库仑力、磁体间的作用力不直接接触也能产生。问：力的作用离不开物质，重力、库仑力、磁力是否通过空气作用？分析：在真空中这些力也存在，这些力不是通过空气来作用的。问：重力、库仑力、磁力是通过什么物质作用的？如图所示，真空中静止的正电荷A与负电荷B之间有相互作用的引力，这种引力是如何产生的呢？介绍：最初，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来传递。在19世纪，英国物理学家法拉第提出一种观点，认为电荷A与电荷B之间的相互作用力是通过一种特殊物质——电场发生的。现代观点：电荷之间的库仑力作用、磁极之间的磁力作用、天体之间的引力作用都是通过不同的“场”传递的。电场尽管看不见、摸不着，但它是实际存在的，并表现出一定的性质，其基本性质是它对放入其中的电荷有力的作用，这种力叫电场力。电荷A对电荷B的作用，实际上是电荷A的电场对电荷B的作用；电荷B对电荷A的作用，实际上是电荷B的电场对电荷A的作用。总结板书：电场：电荷周围存在电场，电场是一种物质。电场力：电场对电荷的作用力。电场的基本性质：对放入其中的电荷有电场力的作用。物质的形态：①实体（由分子组成），看得见、摸得着。②场（一种特殊的形态），看不见、摸不着，不以人的感官意识为转移的客观存在。一般物质：实物粒子组成特殊的物质：场不同点占有一定的空间，有具体的位置弥散在空间中两个物体不能同时占据空间的同一位置不同的场可以同时存在于同一空间中相同点有相互作用，有能量，客观存在提出问题：如何判断某区域内是否有电场？答：利用电场最基本的性质——放入电荷，看是否受电场力。环节二：探究电场的强弱，电场的描述提出问题：我们如何来研究看不见也摸不着的电场呢？引导：电场具有力的性质，我们就从电场的力的性质入手进行研究。提出问题：对放入电场中的电荷有什么要求吗？是不是无论什么电荷都可以用来研究电场呢？引导学生进行讨论，然后进行总结。首先，若引入电荷的电荷量较大，会造成产生电场的物体上的电荷重新分布，从而使得原电场产生大的变化，这样的电场就不是原来的电场了，即引入电荷的电荷量应该比较小；其次，引入电荷的体积应该比较小，便于确定准确的位置信息，这样的电荷应该是前面我们学习到的点电荷，且电荷量较小。我们把引入电场的这种电荷称为检验电荷，同时，我们把产生电场的电荷称为场源电荷。板书：检验电荷：为了检验电场而引入的电荷量较小的点电荷。场源电荷：产生电场的带电体所带电荷。创设情境：如图，未知电场中A、B两点。FFAFBBA把同一检验电荷q放在A或B点，所受电场力的方向相同吗？这说明了什么？（电场对电荷的作用具有方向性）把同一检验电荷q放在A或B点，所受电场力的大小相同吗？这说明了什么？（电场具有强弱）问题：怎样描述电场具有强弱和方向性呢？提出问题，引导学生思考：检验电荷在电场中所受电场力的大小能不能描述电场的强弱？学生回答：可以（或不能）。追问：为什么？定量研究：假设A、B处放置一电荷量为q的检验电荷，所受电场力分别为FA、FB。若改变检验电荷的电荷量，则所受电场力如何变化？活动：填写下表。123……n检验电荷的电荷量q2q3q……nqA处检验电荷所受的电场力FA2FA3FA……nFA电场力与电荷量的比值F2FA3FA……nFAnqB处检验电荷所受的电场力FB2FB3FB……nFB电场力与电荷量的比值F2FB3FB3q……nFAnq比较归纳：①在电场中同一点，不同电荷受电场力大小不同。因此，不能用检验电荷所受的电场力大小描述电场强弱。②在同一点，比值F/q相同，即与试探电荷无关。③在不同点，比值F/q不同，即与电场中的位置有关。④在F/q这个比值大的地方，同一电荷所受的电场力大，表明那点的电场强。所以，F/q这个比值能够准确描述电场中某点电场的强弱，我们把这个比值叫作电场强度。这种定义新物理量的方法我们曾经多次用过，用已知的两个或多个物理量的比值来定义一个新的物理量，这种方法叫作比值法。问：我们学过的物理量，还有哪些是用比值法进行定义的？学生尝试回答。板书：电场强度：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，叫作该点的电场强度，简称场强。公式：E＝F单位：N/C。理解：（1）物理意义：是描述电场强弱和方向的物理量。（2）电场强度是矢量，规定电场中某点的场强方向跟正电荷在该点所受电场力的方向相同。教师指出：电场强度、电场力都是矢量，规定电场中某点的场强的方向跟正电荷在该点所受的电场力的方向相同。当q为负时，E与F方向相反。学生思考：电场中某点放入一电荷量为q的检验电荷，受电场力F，则该点的电场强度E＝Fq，如果将检验电荷q移走总结：电场中某点的电场强度由场源电荷决定，与检验电荷的电荷量、电性都没有任何关系，无论该点放与不放检验电荷，该点的场强均不受任何影响。比值法定义的物理量都有这种特点。讨论：如图所示，场源电荷电荷量为Q，带正电，A、B两点距场源电荷Q的距离分别为rA、rB，已知rA＞rB，试画出A、B两点的电场强度示意图。EEAEBBAQrArB活动：同样的检验电荷，在A、B处所受的电场力大小一样吗？当检验电荷电荷量不同时，同一点的电场强度大小一样吗？当检验电荷电性不同时，同一点的电场强度方向一样吗？由此讨论你能得到什么样的结论？分析：假定在某点放置一带正电的检验电荷，电荷量为q，则根据库仑定律，检验电荷与场源电荷Q间的电场力F＝kQqr2，根据电场强度的定义式E＝提出问题：在点电荷形成的电场中的不同点，场强是不同的，场强大小由什么因素决定？板书：真空中点电荷的场强公式：E＝kQr活动：你认为E＝Fq与E＝k引导学生分析回答：E＝Fq是电场强度的定义式，适用于任何情况，q为检验电荷的电荷量，但场强的大小并不由检验电荷决定，而是由场源电荷决定的，且场强的方向也不一定是检验电荷所受电场力的方向。E＝kQr2是真空中点电荷的决定式，仅适用于真空中点电荷产生的电场，Q为场源电荷的活动：如图所示，点电荷所带电荷量为﹣Q，a、b、c三点均在以点电荷为球心的球面上，画出此三个点处的电场强度方向，并比较其大小的关系。说明：场强是矢量，只有大小相等、方向一样才能说场强相同。环节三：电场的叠加、电场线、匀强电场提出问题：一个物体，如果同时受几个不同方向的外力作用，如何求物体所受的合力？如果有几个点电荷同时存在，在几个点电荷共同形成的电场中，如何求某点的场强？板书：场强合成遵循平行四边形定则。用电场强度的叠加原理可以求得任意多个点电荷产生的电场强度。任何一个带电体不管其电荷分布多么复杂，都可以视为由许多点电荷组成，理论上都可以用场强叠加原理求出它的场强。提问：你能说明电场强度与电场力这两个物理量的区别吗？学生回答，总结电场力与电场强度的区别。电场强度E电场力F1E＝F/qF＝Eq2E的大小只决定于电场本身，与检验电荷q无关。F的大小由放在电场中某点的点电荷q和该点的场强E共同决定。3E是矢量，其方向与正点电荷＋q在该点的受力方向相同；对于确定的电场，其中各点的场强都有确定的方向。F是矢量，对于正电荷＋q，F与E同向；对于负电荷－q，F与E反向。同一电荷受力的方向因在电场中的位置而异；同一位置则因受力电荷的电性而异。4单位：N/C。单位：N。提出问题：电场是看不见、摸不着的特殊的物质形态，描述电场的强弱和方向可用电场强度这一物理量。但电场强度不够形象、直观，对于确定的电场，不同位置的场强大小一般不相等，方向一般也不尽相同，如何用形象具体的手段来描述抽象的电场呢？类比：初中阶段学过用磁感线描述磁场，类似地，我们可用电场线来形象、直观地表示电场。启发学生思考：怎样用图形形象地把电场中各点场强大小和方向都表示出来？分析：类比画磁感线时用在磁体周围放小磁针的方法来确定磁感线的分布情况，我们可以设想，在一个正电荷周围放很多的检验电荷，检验电荷均带正电荷，且电荷量相等，则检验电荷受力方向就为该点场强方向，检验电荷受力大小相当于场强的相对大小（F＝qE∝E），我们再将表示检验电荷受力的矢量连起来，这就是电场线了。同样的方法，我们还可以确定其他电荷产生的电场中的电场线分布情况。于是人们就设想了一些曲线，让曲线上的每一点的切线方向都跟该点的场强方向一致，用曲线的密疏表示场强的大小，这些线叫作电场线。演示实验1：类比用铁屑模拟磁感线的方法，我们可以利用感应起电机使电场线谱演示器带电来模拟电场线的分布。依次演示点电荷、等量同种点电荷、等量异种点电荷、点电荷与带电平板以及两个带等量异种电荷的平行板间的电场线分布情况。演示实验2：利用感应起电机使验电羽带电，模拟演示电场线的分布情况。活动：请学生在纸上画出上述模拟的电场线，增强感性认识，教师巡回检查指导，纠正学生的不足，肯定学生的进步。提出问题：电场线并不是客观存在的线，是不是就可以任意画电场线？答：不是。电场线是用来形象地描述电场的，电场线上任一点的切线方向一定是该点的电场方向，电场强的地方电场线要密一些，电场弱的地方电场线要稀疏一些，电场线是不可以随意画的。提问：你能总结一下电场线都有什么特点和规律吗？引导学生归纳总结：①电场线是为了形象地描述电场而假想的线，并不是真实存在的。②电场线起于正电荷（或无穷远处），止于负电荷（或无穷远处），不会形成闭合曲线。③电场线上每一点的切线方向跟这一点的场强方向一致。④电场线越密的地方，场强越大；电场线越稀疏的地方，场强越小。⑤电场线在空间不能相交。教师：一种特殊而重要的电场叫作匀强电场。电场线如图所示。板书：匀强电场电场线特点：同向、平行、等距。场强特点：E＝恒量。例题两个点电荷，Q1=3.6×10-6C，Q2=﹣2.5×10-6C，相距10cm，求下列各点的电场强度：（1）两个点电荷连线中点O的场强；（2）两个点电荷连线之间距离Q1为4cm处A点的场强；（3）距离Q1为8cm、距离Q2为6cm处B点的场强。分析：场中任一点的电场分别由两个电荷产生，由点电荷的场强公式可计算出每一个电荷在该点的场强，然后由平行四边形定则求矢量和的方法计算出合场强的大小和方向。解析：（1）Q1在O处的场强：E1=kQ1(L2)2Q2在O处的场强：E2=kQ2(L2)2=9.0合场强：E=E1+E2=2.20×107N/C，方向向右。（2）Q1在A处的场强：E1=kQ1d2=2.03×Q2在A处的场强：E2=kQ2(L-d)2=6.25×106合场强：E=E1+E2=2.66×107N/C，方向向右。（3）Q1在B处的场强：E1=kQ1d12=5.06×10Q2在B处的场强：E2=kQ2d22=6.25×由题中数据可知Q1、Q2与B点组成直角三角形，如图所示。则合场强大小E=E12+E22=8设E2与E的夹角为θ，则tanθ=E1E故θ≈39°。总结求合场强的方法：一画——画出分场强，画出合场强；二算——计算各分场强大小；三合——根据平行四边形定则，求出合场强大小、方向。环节四：课堂小结1．电荷的周围存在电场，电场是一种特殊的物质存在的形态，电荷间的作用是通过电场产生的。2．场强：①定义式：E=F/q。②方向：正电荷的受力方向。③单位：N/C。④决定因素：场源电荷、场中的位置。⑤叠加原理：矢量和。3．电场线：用来描述电场，客观并不存在。4．本节课涉及的科学方法：比值法、理想物理模型、类比法。十、板书设计3．静电场电场强度和电场线一、电场1．电荷间的作用是通过电场实现的。2．电荷周围存在电场，电场是物质的一种特殊形态。3．电场最基本的性质：对放入其中的电荷有力的作用，此力称为电场力。二、电场强度1．电场强度。（1）定义：放入电场中某一点的电荷受到的电场力跟它的电荷量的比值称为该点的电场强度，简称场强。（2）公式：E＝F/q（定义式）。（3）单位：N/C。（4）电场强度是矢量。规定：电场中某点的场强方向跟正电荷在该点所受电场力的方向相同。2．真空中点电荷的场强公式：E＝（决定式）。3．电场叠加原理：电场中任意点的场强都等于各个点电荷在该点产生的场强的矢量和。三、电场线1．电场线是为了描述电场而引入的线，并不是电场中实际存在的线。2．电场线上任意点的切线方向为该点的场强方向，疏密表示场强大小。3．几种常见电场的电场线。4．电场线的特点。四、匀强电场1．定义：各点的场强的大小和方向都相同的电场。2．电场线：平行且等间距。十一、作业与拓展学习设计（根据学生情况选用以下练习题进行练习）（一）巩固基础1．A为已知电场中的一固定点，在A点放一电荷量为q的电荷，所受电场力为F，A点的场强为E，则（）A．若在A点换上－q，A点场强方向发生变化B．若在A点换上电荷量为2q的电荷，A点的场强将变为2EC．若将A点电荷q移走，A点的场强变为零D．A点场强的大小、方向与q的大小、正负、有无均无关答案：D2．由电场强度的定义式E=F/q可知，在确定的电场中的同一点（）A．电场强度E跟F成正比，跟q成反比B．无论检验电荷所带的电荷量如何变化，F/q始终不变C．电场中某点的场强为零，则在该点的电荷受到的电场力一定为零D．一个不带电的小球在P点受到的电场力为零，则P点的场强一定为零答案：BC3．电场中有一点P，下列说法中正确的是（）A．若放在P点电荷的电荷量减半，则P点的场强减半B．若P点没有检验电荷，则P点的场强为零C．P点的场强越大，则同一电荷在P点受到的电场力越大D．P点的场强方向为检验电荷在该点的受力方向答案：C4．对公式E=kQ/r2的理解正确的是（）A．当r→0时，E→∞B．当r→∞时，E→0C．某点的场强与放在该点的电荷的电荷量大小无关D．在以点电荷Q为中心，r为半径的球面上，各处的电场强度都相同答案：BC5．下列关于电场强度的两个表达式E=F/q和E=kQ/r2的叙述，正确的是（）A．E=F/q是电场强度的定义式，F是放入电场中的电荷所受的力，q是产生电场的电荷量B．E=F/q是电场强度的定义式，它适用于任何电场C．E=kQ/r2是点电荷场强的计算公式，Q是产生电场的电荷量D．从点电荷场强计算式分析，库仑定律表达式kq1q2/r2中kq2/r2是点电荷q2产生的电场在点电荷q1处场强的大小答案：BCD6．下列关于电场线的说法中正确的是（）A．在静电场中释放的点电荷，在电场力作用下一定沿电场线运动B．电场线的切线方向一定与此处