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2019-2020年高中物理 《電場及其描述》教案2 魯科版選修3-1 【教學(xué)目的】 1、了解電場,了解場是一種物質(zhì).場和實(shí)物是物質(zhì)存在的不同形式.電場存在于電荷周圍,電荷通過電場這種物質(zhì)間接對(duì)另一電荷施加靜電力的作用. 2、理解電場強(qiáng)度,會(huì)計(jì)算電場強(qiáng)度.理解其矢量性與疊加性,但不要求作復(fù)雜的疊加運(yùn)算. 3、知道電場線的物理意義.會(huì)用電場線描述電場的強(qiáng)弱和方向,了解點(diǎn)電荷電場和勻強(qiáng)電場等幾種電場線的分布特征. 【教學(xué)重點(diǎn)】 理解電場強(qiáng)度,會(huì)計(jì)算電場強(qiáng)度.理解其矢量性與疊加性,但不要求作復(fù)雜的疊加運(yùn)算.知道電場線的物理意義.會(huì)用電場線描述電場的強(qiáng)弱和方向,了解點(diǎn)電荷電場和勻強(qiáng)電場等幾種電場線的分布特征 【教學(xué)難點(diǎn)】 了解電場,了解場是一種物質(zhì).場和實(shí)物是物質(zhì)存在的不同形式.電場存在于電荷周圍,電荷通過電場這種物質(zhì)間接對(duì)另一電荷施加靜電力的作用 【教學(xué)媒體】 實(shí)驗(yàn)器材：有水龍頭的實(shí)驗(yàn)室．梳子．絲綢.玻璃棒.帶絕緣座的金屬球.絕緣細(xì)線.鐵架臺(tái).帶電小球 課件：視頻——模擬電場線實(shí)驗(yàn)，《揭密》片段，F(xiàn)LASH課件——模擬電場線 【教學(xué)安排】 【新課導(dǎo)入】 利用視頻＿《揭密》中＂大師＂遠(yuǎn)處＂發(fā)功＂推動(dòng)桌面上裝水的搪瓷臉盆，實(shí)際上是桌下的人用強(qiáng)磁鐵＂吸引搪瓷（里面是鐵）運(yùn)動(dòng)．教師聲稱自己也會(huì)發(fā)功，（演示實(shí)驗(yàn)）用梳過頭的梳子吸引細(xì)小水流＿請學(xué)生來揭密．導(dǎo)出電荷之間的作用力與磁體之間的作用力都可以不通過接觸產(chǎn)生．因此施力體比較隱蔽，常被魔術(shù)師借用，甚至被騙子利用，我們對(duì)這些看起來似乎是不可思議的現(xiàn)象，首先要用科學(xué)的方法去分析，要仔細(xì)觀察思考，不被騙． 彈力和摩擦力都需要直接接觸．而重力（萬有引力）則和電荷之間的作用力與磁體之間的作用力一樣，都可以不通過接觸產(chǎn)生．這種作用力是怎么從一個(gè)物體到另一個(gè)物體的呢？這在歷史上有過長期的爭論：一種觀點(diǎn)認(rèn)為這種作用力是超距作用，從一個(gè)物體到另一個(gè)物體是直接的不需要介質(zhì)也不需要時(shí)間，這種方式可以表示為：電荷電荷；另一種觀點(diǎn)以在19世紀(jì)30年代法拉第為代表，認(rèn)為這些力是通過一種叫＂場＂的媒介傳遞的．帶電體或磁體周圍產(chǎn)生了一種由電或磁產(chǎn)生的物質(zhì)，法拉第把它們稱為電場和磁場，（地球周圍則形成引力場），場則對(duì)放入其中的某些物體（如電場對(duì)放入場中的電荷）產(chǎn)生作用力．這種作用方式可以表示為：電荷電場電荷；；好比是漁民撒開漁網(wǎng)，撞入網(wǎng)中的魚就＂中招＂了． 【新課內(nèi)容】 1. 場是真實(shí)存在的： 教師提問：如何判斷超距作用和場這兩種觀點(diǎn)誰正確？ （學(xué)生討論）如果超距作用是正確的，則這種電荷間的作用力與中間介質(zhì)無關(guān)，且不需要時(shí)間． 教師指出：實(shí)際上法拉第通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電荷間的作用力與中間介質(zhì)有關(guān)，不同的介質(zhì)作用力不同．現(xiàn)代物理學(xué)還發(fā)現(xiàn)這種作用力從一個(gè)物體到另一個(gè)物體需要時(shí)間，這都證明了場的存在．＂場＂雖然不象實(shí)物，它看不見，摸不著，但是客觀存在的．在后來的許多物理學(xué)家的研究下，發(fā)現(xiàn)場也與實(shí)物一樣有質(zhì)量和能量．電荷周圍有電場，磁體周圍有磁場，物體周圍有引力場．因此我們現(xiàn)在學(xué)習(xí)電場的研究方法可以推廣到磁場和引力場的研究中． 場已被證明是一種客觀存在的物質(zhì)形態(tài)，電視臺(tái)和無線電廣播電臺(tái)就是靠激發(fā)電磁場的方式發(fā)送各種節(jié)目信號(hào)的。雖然電磁場“看不見”“摸不著”，但是我們卻可以在遠(yuǎn)離發(fā)射塔的地方，用電視機(jī)和收音機(jī)接受到它們發(fā)送的節(jié)目信號(hào)，這就是電磁場客觀存在的很好例證。本節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)描述電場的重要概念。 2. 電場力的概念以及利用電場力檢測電場的存在。 提問：我們怎樣研究電場呢？比如：怎么知道某一空間(老師的講臺(tái)上)是否存在電場? 討論：方法一：檢查周圍是否有形成電場的電荷? 方法二：電場能夠?qū)μ幱趫鲋械碾姾墒┘恿Φ淖饔谩？衫秒姾蓹z驗(yàn)其是否受電場給的力來檢查電場的存在。（如圖1）拿一個(gè)帶電體放入這個(gè)區(qū)間,看它是否受力產(chǎn)生狀態(tài)變化. 哪種方法更好呢？ 通過討論提出：由于帶電體能吸引輕小物體，所以最好用來檢驗(yàn)的帶電體本身電量較小，我們稱這種帶電體為檢驗(yàn)電荷或試探電荷。(演示實(shí)驗(yàn):用試探電荷檢驗(yàn)電場是否存在。如圖1所示，使有絕緣支柱的大金屬球帶電作為場源電荷，使絲線吊著的小鋁箔球帶少量電荷，用它代替檢驗(yàn)電荷q。) 教師指出：這種力稱為電場力．它與原來說的靜電力、庫侖力是一回事。原來我們說電荷q１對(duì)電荷q2產(chǎn)生靜電力（或說庫侖力）,現(xiàn)在應(yīng)該怎么說? 回答：電荷q1產(chǎn)生電場,這個(gè)電場對(duì)電荷q2產(chǎn)生作用力。 電場對(duì)放入其中的帶電體能產(chǎn)生電場力，這是電場的基本性質(zhì)之一。所以我們可以選擇一個(gè)帶電量很小、線度也很小的試探電荷q，分別放入帶電體Q所產(chǎn)生的電場中的不同位置，觀察檢驗(yàn)電荷q受到的電場力有何特點(diǎn)。 3. 電場強(qiáng)度 （1） 實(shí)驗(yàn)探究場強(qiáng)的定義： 實(shí)驗(yàn)一：教師有意將試探電荷緩慢地移過不同位置.引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察絲線的傾斜方向。 現(xiàn)象：鋁箔球在電場中不同方位均有偏轉(zhuǎn)，說明此地都有電場，但絲線傾斜的方向不同。說明不同位置電場力不同。 實(shí)驗(yàn)二：鋁箔球逐漸遠(yuǎn)離場源，注意觀察絲線偏離豎直方向的角度。 現(xiàn)象：偏角逐漸減小。 問：由這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)我們能得到什么結(jié)論？ 學(xué)生答后教師歸納：以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，在電場中不同點(diǎn)，電場對(duì)檢驗(yàn)電荷施加的電場力的大小和方向一般是不同的。比如在A點(diǎn)電場對(duì)電荷施加方向向右的作用力，在D點(diǎn)電場對(duì)電荷施加方向向左的作用力，在A點(diǎn)電場對(duì)電荷的作用力大，在B點(diǎn)電場對(duì)電荷施加的作用力小。 提問：形成這一不同的原因在于施力的電場呢還是在于受力的電荷? (學(xué)生討論并說明理由) 教師歸納：由于試探電荷自身沒有變化，所以我們說這是不同處的電場對(duì)電荷施加電場力的能力不同,哪里的電場比較強(qiáng)呢?怎么說明? 討論：用檢驗(yàn)電荷受到的電場力，行嗎？（學(xué)生討論——估計(jì)多數(shù)學(xué)生會(huì)說可以，電場力大的說明電場強(qiáng)，教師保留問題，繼續(xù)實(shí)驗(yàn)三） 實(shí)驗(yàn)三：把鋁箔球放在電場中同一位置，減小它的帶電量，注意觀察絲線的偏角。 學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論——在電場中同一點(diǎn)，檢驗(yàn)電荷所受電場力隨它所帶電量的減小而減小，所以，電場力不能用于描述電場。 教師歸納：要描述電場，需要找一個(gè)與檢驗(yàn)電荷的電量無關(guān)而只由電場決定的物理量。電場對(duì)電荷的作用力與電場的性質(zhì)和試探電荷都有關(guān). 那我們用什么描述電場呢？如果不同試探電荷放在不同電場中受力,又怎么比較電場的強(qiáng)弱呢? 學(xué)生討論（教師可提示類比功率或速度大小的比較) 教師：如果我們能夠做更精確的實(shí)驗(yàn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：在電場中同一點(diǎn)，電場力不僅隨檢驗(yàn)電荷的電量的減小而減小，隨電場力的增大而增大，而且跟檢驗(yàn)電荷的電量之間存在定量關(guān)系。比如：在A點(diǎn)有；在B點(diǎn)有 在電場中同一點(diǎn)，比值F／q是一個(gè)與檢驗(yàn)電荷和電場力無關(guān)的量，而在電場中不同點(diǎn)，比值一般不同，因而比值反映電場的性質(zhì)。所以我們可以用它來描述電場，并把它定義為電場強(qiáng)度。 （2） 電場強(qiáng)度 i 定義：放入電場中某點(diǎn)的電荷受到的電場力與它電量的比值，叫這一點(diǎn)的電場強(qiáng)度，簡稱場強(qiáng)。 ii 符號(hào)：E iii 定義公式：；公式表明電場中某點(diǎn)的場強(qiáng)在數(shù)值上等于單位電荷在該點(diǎn)受到的電場力。其中F為試探電荷q在場中某點(diǎn)受到的電場力，E為該點(diǎn)場強(qiáng)。注意，電場E不是電荷q產(chǎn)生的，所以E的大小與q無關(guān)。因此不能說E與q成反比，與F成正比。 iv 單位：N／C v 規(guī)定電場中某點(diǎn)場強(qiáng)的方向?yàn)檎姾稍谠擖c(diǎn)受到的電場力的方向。所以場強(qiáng)是矢量。 一般電場中不同點(diǎn)，場強(qiáng)的大小及方向不同，場強(qiáng)大的地方，電場強(qiáng)，場強(qiáng)小的地方，電場弱，通常我們也把場強(qiáng)的大小和方向叫做電場的強(qiáng)弱和方向。 圖3 由于我們是從一般電場出發(fā)引入場強(qiáng)的定義的，所以適用于一切電場。 例1：如圖3所示是某區(qū)域的電場線圖，A、B、C是電場中的三點(diǎn)。 a) 說明哪點(diǎn)的場強(qiáng)最大？ b) 標(biāo)出A、B、C三點(diǎn)的場強(qiáng)方向。 c) 若在C點(diǎn)放一負(fù)電荷，標(biāo)出負(fù)電荷受到的電場力的方向。答案略。 （3） 真空中點(diǎn)電荷電場的場強(qiáng) 下面我們以一個(gè)特殊的電場——真空中點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場為例，分析場強(qiáng)的物理意義。 圖4 例2：在真空中A點(diǎn)有一正點(diǎn)電荷Q=2.010-4C，把試探點(diǎn)電荷q=2.010-5C的負(fù)電荷置于B點(diǎn)，它們相距r=2m，如圖所示。求：（1）q受的電場力；（2）q所在點(diǎn)的電場強(qiáng)度；（3）只將q點(diǎn)電荷換成q/=4.010-5C的正電荷，再求q/受力和B點(diǎn)的場強(qiáng)；（4）將受力電荷拿走，再求B點(diǎn)場強(qiáng)。*（5）若將Q拿走呢？答案略。 解析:在點(diǎn)電荷Q形成的電場中,距Q為r處放入點(diǎn)電荷q，q受的電場力即庫侖力，根據(jù)場強(qiáng)定義或該處場強(qiáng)為（r可取任意值），因此即為點(diǎn)電荷在真空中場強(qiáng)公式，其中Q為場源電量，r為某點(diǎn)到場源的距離。k為靜電常數(shù)。+q受力方向即為該點(diǎn)場強(qiáng)方向（如圖所示）。若把+q換成-q，所受電場力方向正與場強(qiáng)方向相反，但仍與圖中相同，說明場強(qiáng)不以電荷和力為轉(zhuǎn)移。即正電荷場強(qiáng)向外，負(fù)電荷場強(qiáng)向內(nèi)，離場源電荷越遠(yuǎn)，場強(qiáng)越小。 幾點(diǎn)注意: i 是適用于點(diǎn)電荷在真空中的電場，但是決定式；而適用各種電場，是定義式，而非決定式. 場強(qiáng)的大小與方向跟檢驗(yàn)電荷的有無、電量、電性沒有關(guān)系。 圖5 ii 場強(qiáng)的大小只由場源電荷和場點(diǎn)到場源的距離來決定。離場源電荷越近的點(diǎn)場強(qiáng)越大，離場源電荷越遠(yuǎn)的點(diǎn)場強(qiáng)越小。 （4） 場強(qiáng)的疊加——對(duì)于多個(gè)電荷產(chǎn)生的電場，同樣遵從平行四邊形法則。兩個(gè)電荷+Q和－Q同時(shí)存在時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明它們產(chǎn)生的電場互相獨(dú)立、互不影響，P點(diǎn)的場強(qiáng)是E1和E2疊加的結(jié)果，遵從平行四邊形法則，如圖5所示（板畫）。 圖6 例3：（X軸上A、B兩處分別放有兩個(gè)點(diǎn)電荷（圖6），A處為－Q,B處為+2Q,在x軸上某處,兩個(gè)電荷各自產(chǎn)生電場強(qiáng)度數(shù)值為EA和EB,則( ) A.EA=EB之點(diǎn),只有一處,該處合場強(qiáng)為0; B. EA=EB之點(diǎn)有兩處,一處合場強(qiáng)為0,另一處合場強(qiáng)為2EA C. EA=EB之點(diǎn)共有三處,其中兩處合場強(qiáng)為0;另一處合場強(qiáng)為2EA D. EA=EB之點(diǎn)共有三處,其中一處合場強(qiáng)為0,另二處合場強(qiáng)為2EA 解析：根據(jù)題意畫出圖6。 在AB之間某點(diǎn)x1,－Q在x1處產(chǎn)生的場強(qiáng)，+2Q產(chǎn)生的場強(qiáng)。當(dāng)時(shí)，EA=EB。EA方向向左，EB的方向向左，合場強(qiáng)E=2EA。 在A點(diǎn)左側(cè)x2處，Ax2=rA，Bx2=rB，存在。 EA=EB，EA的方向向右，EB的方向向左，合場強(qiáng)E=0。 在B點(diǎn)右側(cè)x3處， Ax2＞Bx2， 不可能， EA=EB不存在。 所以EA=EB之點(diǎn)有兩處,且合場強(qiáng)一為0,另一為2EA,答案應(yīng)選B. 圖7 由上面例題可見：電場強(qiáng)度概念能定量描述各點(diǎn)電場的性質(zhì)。但電場中各點(diǎn)場強(qiáng)的大小和方向的分布是非常復(fù)雜的，我們?nèi)绾畏奖愣中蜗蟮亓私怆妶鲋懈鼽c(diǎn)場強(qiáng)的分布情況呢？最好畫圖。 如圖5所示，在正電荷周圍電場中畫了很多場強(qiáng)矢量，從這個(gè)圖上我們可以很方便地了解正電荷周圍各點(diǎn)的電場分布情況，但它還不是最好的，因?yàn)殡妶鲋杏袩o數(shù)個(gè)點(diǎn)，我們不能畫出無數(shù)個(gè)矢量，法拉第為我們提供了一種很好的方法，就是用電場線來形象地描述電場。 4. 電場線 （1） 電場線是描述電場強(qiáng)度分布的一族曲線.描述方法:用曲線的疏密描述電場的強(qiáng)弱,用曲線某點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)場強(qiáng)方向. （2） 實(shí)驗(yàn)觀察（課件歸納）各種電場的電場線：如圖8。 圖8 實(shí)驗(yàn)?zāi)M幾種典型的電場線。 問1：任意兩條電場線都不會(huì)相交，這是為什么？ 教師歸納：如果相交，則交點(diǎn)就會(huì)有兩個(gè)切線方向，而同一點(diǎn)場強(qiáng)的大小和方向是唯一的。問2：根據(jù)我們所看到的幾種電場線，誰能歸納一下電場線的方向有什么特點(diǎn)？ 圖9 圖8 從圖9中可看出,E1為+Q在A處的場強(qiáng),E2為－Q在A處的場強(qiáng),E為E1與E2的合場強(qiáng),正好為電場線在A的切線。兩個(gè)點(diǎn)電荷形成的電場中,每條電場線上每個(gè)點(diǎn)符合上述的關(guān)系。 教師歸納：電場線總是從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷或無窮遠(yuǎn)，如果只有負(fù)電荷，則電場線來自無窮遠(yuǎn)，終止于負(fù)電荷。它是不閉合的曲線. 大家要特別注意一個(gè)問題：我們雖然可以用實(shí)驗(yàn)?zāi)M電場線的分布，但是，電場線并不是電場中真實(shí)存在的曲線，它只是我們?yōu)榱诵蜗蟮孛枋鲭妶龆氲摹４蠹抑?，法拉第首先提出了電場，并用電場線形象地描述電場的分布，這在物理學(xué)中是非常重要的。雖然法拉第當(dāng)時(shí)認(rèn)為電場線是真實(shí)的曲線，這是不對(duì)的，但是，法拉第的場線思想?yún)s是非常寶貴的。用場線來形象地描繪矢量場的分布這種方法一直被普遍地采用著。 總結(jié)：電場線具有以下特點(diǎn)： i. 在靜電場中,電場線從正電荷起,終于負(fù)電荷, ii. 電場線不能相交,否則一點(diǎn)將有兩個(gè)場強(qiáng)方向. iii. 電場線不是電場里實(shí)際存在的線,是為使電場形象化的假想線. 5. 勻強(qiáng)電場 圖10 （1） 實(shí)驗(yàn)觀察：兩塊靠近、正對(duì)且等大平行的金屬板,分別帶等量正負(fù)電荷時(shí)的電場線。 現(xiàn)象：它們之間的電場是電場線互相平行的直線,線間距離相等邊緣附近除外. 畫出電場線如圖10所示 （2） 提問：象這樣的電場線說明了其場強(qiáng)分布有何特點(diǎn)？ 討論：其場強(qiáng)（邊緣除外）大小處處相等，方向與板垂直，從正板到負(fù)板。 圖11 教師指出：在電場的某一區(qū)域里,如果各點(diǎn)場強(qiáng)大小和方向都相同,這個(gè)區(qū)域的電場叫勻強(qiáng)電場我們把這種電場稱為“勻強(qiáng)電場”。 例4：書P18/例——解答略。 例5：如圖11所示,一個(gè)質(zhì)量為30g帶電量C的半徑極小的小球,用絲線懸掛在某勻強(qiáng)電場中,電場線與水平面平行.當(dāng)小球靜止時(shí),測得懸線與豎直夾角為30,由此可知?jiǎng)驈?qiáng)電場方向?yàn)? ,電場強(qiáng)度大小為 .(g取10m/s2) 解析:分析小球受力,重力mg豎直向下,絲線拉力T沿絲線方向向上,因?yàn)樾∏蛱幱谄胶鉅顟B(tài),還應(yīng)受水平向左的電場力F.小球帶負(fù)電,所受電場力方向與場強(qiáng)方向向反,所以場強(qiáng)方向水平向右。 小球在三個(gè)力作用之下處于平衡狀態(tài).三個(gè)力的合力必為零。得：F=mgtg30 又因?yàn)? 所以有： E=mgtg30/q= 隨堂鞏固練習(xí)： 1、下述說法中正確的是（ ） A、電場線是客觀存在的 B、電場線上某點(diǎn)的切線方向與與電荷在該點(diǎn)受力方向可以不同 C、電場線與電荷運(yùn)動(dòng)的軌跡是一致的 D、沿電場線方向,場強(qiáng)一定越來越大. 圖12 1. 如圖12所示,正電荷q在電場力作用下由p向Q做加速運(yùn)動(dòng),而且加速度越來越大,那么可以斷定,它所在的電場是圖中哪能一個(gè)?( ) 3、真空中兩個(gè)帶電量分別為Q和4Q的正點(diǎn)電荷,位于相距為30cm的A、B兩點(diǎn),將另一個(gè)正電荷q置于AB連線上的C點(diǎn),q受的合力恰好為零,C點(diǎn)距A點(diǎn) cm處.若將電荷q取走,C點(diǎn)場強(qiáng)為 N/C。 4、試推算出等量異種電荷與等量同中電荷的電場線分布情況。 【課后作業(yè)】 【課后反思】