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1、学 海 无 涯 第二节第二节 电场电场 教学目标 一 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及其定义式 会根据电场强度的定义式进行有关的计算 知道电场强度是矢 量 知道电场强度的方向是怎样规定的 3 认认识识电电场场线线和 和电电场场强强度度 懂懂得得用用电电场 场线线 电电场场强 强度度描描述述电电场 场 知知道道匀匀强 强电电场场 二 过程与方法 通过分析在电场中的不同点 电场力 F 与电荷电量 q 的比例关系 使学生理解比值 F q 反映的是电场 的强弱 即电场强度的概念 知道电场叠加的一般方法 三 情感态度与价
2、值观 培养学生学会分析和处理电场问题的一般方法 重点 电场强度的概念及其定义式 难点 对电场概念的理解 应用电场的叠加原理进行简单的计算 教学过程 第一课时 一 复习上课时相关知识 问 讲出库仑定律的内容及该定律的适用条件 答 真空中两个静止点电荷之间的相互作用力的大小跟它们的电荷量的乘积成正比 跟它们的距离的 二次方成反比 作用力的方向在两个点电荷的连线上 适用于真空中 点电荷 师 库仑定律提示了电荷间的相互作用规律 两个电荷不需相互 接触 就能产生相互作用 这种相互作用是靠什么传递的呢 研究这个问题之前 我们先来回忆一下初中所学的磁体之间的相互作用 大家知道两个磁体不需相互 接触 也能产生
3、相互作用 谁能告诉大家 磁体间的相互是通过什么发生的 磁体 A 磁体B 磁场 学 海 无 涯 生 磁体周围有一种物质叫磁场 磁体间是通过磁场发生相互作用的 师 那么电荷周围是不是也有类似的情况呢 科学研究对这一类似的猜想提供了有力的支持 电荷周 围确实也存在着一种物质 叫电场 电荷间的相互作用就是通过电场发生的 二 新课教学 第 2 节 电场 一 电场 法拉第提出 1 电荷的周围都存在着由它产生的电场 电场是一种物质 与磁场一样都是物质的一种形态 2 基本性质 能对电场中的电荷有力的作用 这个力叫电场 力 前面所学的静电力 库仑力 就是一种电场力 问题 下面请同学们以电荷 A 与电荷 B 间相
4、互作用为例 说明电荷 A 是怎样对电荷 B 施加力的作用 的 电荷 B 又是怎样对电荷 A 施加力的作用的 生 电荷 A 和 B 是怎样通过电场与其他电荷发生作用 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 3 电荷间的相互作用力通过电场发生 师 在本章中 只讨论静止电荷产生的电场 称为静电场 4 静电场 静止电荷产生的电场 师 电场明显特征之一是对场中其他电荷具有作用力 因此在研究电场的性质时 可以从研究电场的 力的性质入手 为了方便研究 我们需要引入几个电荷概念 2 试探电荷和场源电荷
5、 1 试探电荷又叫检验电荷 它是电荷量和尺寸都充分小 以致可忽略原来电场的影响中 同时又 能确切地反映它在电场中的位置 因此试探电荷可以看作是电荷量很小的点电荷 是一种理想化模型 2 场源电荷也叫源电荷 产生电场的电荷 电荷 A 电荷B 电荷 A 电荷B 电场 学 海 无 涯 假设我们所研究的电场是由点电荷 Q 所产生的 则点电荷 Q 就是场源电荷 下面把电荷量为 q 的试探电荷分别放在电场中的 A B C 各处 设 rA 3rC rB 2rC 计算电场对 q 的电场力 FA FB FC 可以发现 同一试探电荷 q 在电场中不同点受到的电场力大小 方向各不相同 且 FC FB FA 这能说明什
6、么问题呢 引导学生答出 同一电荷在电场中不同的位置 所受的电场力大小 方向各不相同 表明电场中不同 位置 强弱不同 方向不同 继续引导 用怎样的量来表示电场中不同位置的电场强弱与方向呢 刚才 试探电荷 q 在不同位置受 力不同 那么是否可用电场力来表示电场的强弱呢 生 1 应该可以吧 生 2 不可以 对于电场中的同一位置 若放置一个电荷量较小的小电荷 q 其受力就较小 如以此 说明电场中该点较弱 那么若在该位置放置一个电荷量较大的小电荷 q1 其受力就会较大 那是否又可以 说电场中该点较强 若可以的话 岂不自相矛盾 生 3 此问题 学生可能一下子无法回答 教师可引导 请学生先思考 若将电荷量
7、为 q 的试探电荷 1 放在 C 处 所受到的电场力的大小为 FC 将电荷量为 10q 的试 探电荷 2 放在 A 处 所受到的电场力的大小为 FA1 那么还存在 FC FA1吗 然后再 做回答 继续引导 如图 2 我们可以在同一位置 A 引入不同电荷量的试探电荷 受力又 有何结果呢 大家来看对比 在距场源 Q 为 r 处 分别放入电荷量不同的试探电荷 q1 q2 由库仑 定律得 F1 2 1 r kQq F2 2 2 r kQq Fn 2 r kQqn 可见同一位置不同电荷量的试探电荷受到的力是 不等的 显然不能用试探电荷受的力来表示电场的强弱 前面学生 2 讲得非常有道理 那么你们再思考一
8、 图 2 学 海 无 涯 下 我们该用怎样的量来表示电场的强弱 目光询问学生 师 是什么量使不同电荷量的试探电荷受到的力不等呢 师生共同分析 显然 不是电场本身变化了 而是不影响电场的试探电荷的电荷量 到底用什么办法 来衡量电场强弱呢 大家注意观察 式中 1 1 q F 2 2 q F n n q F 2 r kQ 看看上式 我们可发现只要 A 点位置不变 F 与 q 的比值就不变 2 A kQ Fq r 若位置变了 那么 F 与 q 的比值变不变呢 换到 B 点 我们把试探电荷放入在 B 点 看看 仍然有 1 1 1 1 q F 1 2 1 2 q F n n q F 1 1 2 1 r k
9、Q 12 B kQ Fq r 位 置变了 那么 F 与 q 的比值也变了 但还是只要 B 点位置不变 F 与 q 的比值就不变 从上面分析看出 场源 Q 固定 则由它产生的电场的空间分布也固定 对于场中某确定的点 试探 电荷受到的电场力 F 与试探电荷的电荷量 q 的比值 F q 是一个不变的量 它仅与 Q r 有关 与检验电荷 无关 现设 q F E 引入试探电荷 q 则试探电荷 q 在该处所受到的电场力 F Eq E 大处 q 所受电场 力 F 也大 E 小处 q 所受电场力 F 也小 这说明比值 E 可以反映电场某点的强弱 因此可以用这个比值 反映电场的强弱 即电场的力的性质 物理学上把
10、它称为电场强度 简称场强 二 电场强度 E 是一个描述电场强弱与方向的物理量 1 定义 电场中某点的电荷受到的电场力 F 跟它的电荷量 q 的比值 叫做该点的电场强度 简称 场强 用 E 表示 定义式 大小 E F q 适用于所有电场 师 物理学中常常用比值定义物理量 用来表示研究对象的某种性质 以往学习过的物质的 m v 导体的电阻 R U I 速度 V S t 等物理量都是用比值法来的定义的 它们有共同的特点 凡是用比值 法定义的物理量与比值中的几个物理量无关 则该比值就应是反映了物质的某种性质 如场强 E 则是反映 了电场的力的性质 另外比值定义一个新的物理量的同时 也就确定了这个新物理
11、量与原有物理量之间的 关系 学 海 无 涯 2 电场强度是由电场本身决定的 它跟电场中是否有试探电荷 试探电荷的电荷量以及试探电荷 受到的电场力均无关 它决定于电场的源电荷及空间位置 3 单位 N C 其物理意义是电场中某点的电场强度数值上等于单位电荷 1C 在那里所受的 电场力的大小 提出问题 电场强度是矢量 怎样表示电场的方向呢 4 方向性 物理学中规定 电场中某点的场强方向跟正电荷在该点所受的电场力的方向相同 指出 负电荷在电场中某点所受的电场力的方向跟该点的场强方向相反 例 1 如图所示 Q 为放在真空中的正点电荷 其电荷量为 Q 求 1 画出 A B 两点的场强方向 2 算出 A B
12、 两点的场强大小 给出 Q r 请一名学生板演 其他学生自己做 教师讲评并分析 1 场强的大小与方向跟检验电荷的有无 电量 电性没有关系 2 场强的大小只由场源电荷和场点到场源的距离来决定 3 离场源电荷越近的点场强越大 离场源电荷越远的点场强越小 最后带领学生总结出真空中点电荷周围电场的大小和方向 在此过 程中注意引导学生总结公式 E F q 和 E kQ r2的区别及联系 三 真空中 点电荷周围的电场 1 大小 E kQ r2 只适用于真空中点电荷的电场 说明 公式 E kQ r2中的 Q 是场源电荷的电量 r 是场中某点到场源电荷的距离 从而使学生理解 空间某点的场强是由产生电场的场源电
13、荷和该点距场源电荷的距离决定的 与检验电荷无关 2 方向 以 Q 为中心做一球面 当 Q 是正电荷 E 的方向沿半径向外 当 Q 是负电荷 E 的方向沿 半径向内 学 海 无 涯 组织学生讨论与思考 由学生讨论后归纳 1 请比较公式 E q F 和 E 2 r kQ 中的 q 与 Q 分别表示什么意义 两个公式的适用条件有何不同 2 根据公式 E 2 r kQ 可知 场点离场源电荷 Q 越近 该场点处的场强越大 当 r 0 时 E 显然 这是不可能的 那么该如何理解这个问题 师 在研究磁场时 根据放在磁体周围铁屑的分布 可以画出一条条曲线 磁感线 形象地描述磁场 前面我们在研究电荷间的相互作用
14、是通过什么发生的问题时通过与磁体间的相互作用是通过磁场发生的 相类比 从而认识到电荷的周围存在由它自身产生的电场 这个类比的成功足以鼓舞我们对电场的研究也 可以用类似的方法 四 电场线 法拉第首先引入 1 在电场中画出一些曲线 使曲线上每一点的切线方向都跟该点的场强方向一致 这样的曲线就叫 做电场线 同样做出规定 静电场中的电场线从正电荷出发 终止于负电荷或无穷远 电场线的疏密程度表示电 场的强弱 师 根据以上电场线的定义 请同学们讨 论下面的问题 打出问题 该该如如何何建建立立点点电电 荷荷的的电电场场线线 师 请每一组奇数排的同学往后转 与偶数排的同学组成一小组 展开讨论 2 电场线的建立
15、 1 单个正 负点电荷的电场线 讨论过程中提醒 我们可以先从单个正点电荷开始研究 讨论几分钟后 师 好 回到刚才的问题上来 打下一张幻灯片 师 虚线上 A B C 的场强方向朝哪里的呢 打出方向 Q Q A A B B C C 学 海 无 涯 师 现在 我们要在这个电场中建立一条线 电场线 它能表达出 A B C 三点的场强情况 那 就要使它的切线方向与该点的场强方向一致 这样的线不就是虚线本身吗 画出实线 当然 为了表达切线的方向与场强方向一致 还要给它加上箭头 朝左还是朝右 对 朝右 打出箭 头 这就是这个正点电荷的一条电场线了 为了表示各处的场强情况 我们应该画出一系列这样的线条 依次打
16、出另三条 同时打出另四条 即形成了点电荷的电场线 果真如此吗 可以用实验来 稍停 模拟 模拟后 师 正点电荷的电场线是这样的 那负点电荷的呢 稍停后 打出负点电荷的电场线 师问 为什么这里的箭头是朝里的呢 生 可以在电场中引入一个正的试探电荷 其所受的电场力方向就向里 也就是电场强度的方向要向 里 这样电场线的切线方向 在这里也就是电场线的方向就能表示出电场强度的方向了 2 等量异 同种点电荷的电场线 师 从简单到复杂 等量异种点电荷的电场又怎么样呢 师 请大家 看模拟实验 模拟实验后 它是从正电荷出发终止于负点电荷 刚才 单个正点电荷的电场线是从正电荷出发 到无穷远 单个负点电荷是从无穷远到负电荷 师 等量同种点电荷的电场线 打出来 果真如此吗 请看模拟 的确如此 师 这四种电场的电场线的分布图在课本第 9 页中都有了 希望同学们能把这几幅分布图都深深地烙 在脑海里 但是 不要忘记 这是平面图 然而 实际的情况是立体的 下面来看它们的三维情况 打出 它们的立体动画 在学生感叹之时 师 这就是对称之美 理性之美 物理之美 在在这这种种美美之之下下 电电场场线线存存在在什什么么样样 的的
