库伦定律(教案)

1.2库伦定律（教案）（两课时）【教学目标】1、定性认识库仑力（静电力）与什么有关2、知道库伦扭秤实验3、理解理想模型：点电荷，感悟科学研究中建立理想模型的重要意义4、理解库伦定律的文字表述及其公式表达5、通过静电力与万有引力的对比，体会自然规律的多样性和统一性【教材分析】本节内容的核心是库伦定律，它阐明了带电体相互作用的规律，为整个电磁学奠定了基础。因此整节课的教学围绕库伦定律展开。从定性探究到定量探究。由于中学阶段完成库伦定律的实验探究比较有难度，在教学中采用视频和实物定性研究向结合的方式，尽量让学生了解和经历实验的过程，使得到的结果更具有说服力。【教学过程】复习引入：用三种起电方式和电荷间的相互作用解释静电铃的原理。人们对电荷的认识是通过研究并认识电荷间的相互作用而获得的。沿袭牛顿对力的定义，将电荷间的相互作用力成为库仑力或静电力。这个力就是我们这节课要研究的核心问题。一、库仑力静止电荷之间的相互作用，称为静电力或库仑力。二、探究影响电荷间相互作用的因素1、猜想：库伦力可能与带电体的电荷量和两者之间的距离有关2、实验验证①实验装置（如右图所示）：引导学生从研究目的出发，设计实验装置，使实验装置能实现预期的作用。②观察现象：（结合视频演示）改变小球电量和两小球间距离，观察小球偏离竖直方向的夹角大小，对应于两球间静电力的大小。③实验结果：电荷之间的作用力随电荷量增大而增大，随距离的增大而减小（定性）。三、库伦定律1、库伦定律：真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上2、表达式221rqqkF3、库伦定律的说明：①适用范围：A．点电荷（理想模型）当带电体间距离比它们自身的大小大很多，当带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们间作用力的影响可忽略不计时，可将其看做有电荷量的点（R《r）B．均匀带电球体或球壳对其外部点电荷的作用，r是两球心间的距离C．公式不适用于r→0的情况②k：比例系数，称为静电力常量。A．国际单位：22cmNB．静电力常量是一个与带电体周围介质有关的量q1q2C．真空中229100.9cmNk（空气中近似相等）D．物理意义：两个电荷量为1C的点电荷在真空中相距1m时，相互作用力是9.0×109N。课堂练习：估算一下，这么大的库仑力相当于多重的物体相距1米时的万有引力？G=6.67×10-11Nm2/kg2（1010kg）③使用库伦定律计算时，点电荷电量用绝对值代入公式进行计算，谈后根据同性相斥、异性相吸判断方向④库仑力（静电力）具有自己独特的大小和方向，同时它也具有力的一切性质（独立性、合成和分解时遵守平行四边形定则，相互作用力）四、库伦扭秤实验实验装置和实验原理如右图所示。当带同种电的C球与A球靠近时，A球受到库伦力的作用带动金属丝扭转。转动上方的旋钮使AB回到原位置，根据两次刻度值差反求出AC间的作用力的大小。库伦扭秤测量出了静电力常量的值。五、库伦定律与万有引力定律问题：分析库伦扭秤实验中小球在水平面内受力状况问题：两球AC间的万有引力是否影响扭秤扭转？例题：已知氢核的质量是1.67×10-27kg，电子的质量是9.1×10-31kg，在氢原子内它们之间的最短距离为5.3×10-11m。试比较氢原子中氢核与电子之间的库仑力和万有引力在一般尺度下，带电体间的库伦力远远大于万有引力，万有引力的影响可以忽略。有奖征集：如何在库伦扭秤实验中尽量减小万有引力对静电力的影响？练习1、两个半径相同的金属小球其球心间距r远远大于球半径R，带电荷量之比为1：7，两者相互接触后再放回原来位置上，则相互作用力可能为原来的（CD）A.4/7B.3/7C.9/7D.16/7思维严密，考虑多种情况练习2、真空中有三个点电荷，它们固定在边长50cm的等边三角形的三个顶点上，每个点电荷都是+2×10-6C，求它们各自所受的库仑力三个点电荷的受力情况都相同，以q3为例，q3受到大小相同的库仑力F1和F2，NrqkFF144.02221，合力NFF25.030cos21方向沿q1与q2连线的垂直平分线向外（库仑力的合成）NrqqkF21119199221103.5106.1106.1100.9库N8102.8NrmmGF211312711221103.5101.91067.1107.6引N47106.339103.2引库FFABCq1q3q2F1F2F练习3、若上题中将点电荷q1与q2变成一根均匀带电直棒，带电量为（q1+q2），此棒对q3的作用力方向如何？任何带电体都可以看做是由点电荷组成。根据对称性可知杆上的各个点电荷对q3的合力方向沿着杆中垂线的方向。练习4、在一条直线上有两个相距0.4m的点电荷A、B，A带电荷量为+Q，B带电荷量为-9Q。现引入第三个点电荷C，恰好使三个点电荷处于平衡状态。则C应带什么性质的电荷，电荷量为多少？[解析]①从相互作用力的方向上分析，每个电荷受另外两个电荷的作用力的方向应该相反——“同夹异”②从作用力的大小上来说，引入的第三个点电荷应该离大电荷远、离小电荷近——“远大近小”、或“大夹小”[解]根据力的平衡条件可知，C必须带负电，且在A的左侧x处以C为研究对象224.0xqqkxqqkBcAc，得x=0.2m以A为研究对象224.0ABAcqqkxqqk，得Qqc49，带负电练习5、光滑绝缘水平面上带电小球A、B质量分别为m1=2g，m2=1g，它们的电荷量相等，q1=q2=10-7C。A球带正电，B球带负电。现在水平恒力F1向右作用于A球，这时A、B一起向右运动，且保持距离d=0.1m不变。试问：F1多大？它们如何运动？以A、B为一个整体，受力分析得：NammF2211107.2，向右匀加速直线运动,92smaaBA注意力、电模型的类比、迁移练习6、两小球用等长的绝缘细线悬挂于同一点O，两小球因带同号电荷而使球b悬线竖直地靠在墙上，a球被推开一定角度而平衡。今令其失去部分电量，结果θ角变小后又重新平衡，则关于悬线对a球的拉力大小变化情况为（C）A.一定增大B.一定减小C.一定不变D.无法确定练习7、在竖直放置的半径为R的光滑半圆形绝缘细管的圆心O处放一点电荷。现将质量为m、电荷量为+q的小球从半圆的水平直径端点A静止释放，小球沿细管滑到最低点B时，对管壁恰好无压力，则置于圆心处的点电荷带什么电？电量大小为多少？[解]小球从A到B运动过程中，只有重力做功，根据动能定理mgRmvB221①小球在B处向心力由O处电荷给的库仑力和重力的合力来提供，因此O处点电荷必定带负电，设电荷量为-Q，则RvmmgRQqkmgFFBn22②ABF1ABθbaO由①和②得，kqmgRQ23【课后反思】作为电学部分第一个重要的定律——库伦定律的教学，关系到学生是否能完成从力学到电学的过渡。在实际教学中，设计了一些与力学结合的题目。试图用这些简单的题目使学生认识到，我们现在学习的电学虽然是新知识，但当考虑力与物体运动间的关系时，原来所学习的分析方法、牛顿定律、圆周运动规律以及动能定理等等仍然适用。区别就在与在原来受力分析的基础上加了一个静电力。再往后学到电场能方面的知识时，加上了电场力做的功，而这个功除了用一般力的功来计算之外，还与电势能和电势差之间有着特殊的关系。在实际教学中还发现，这节课所讲的例题，学生接受起来并不困难。但是学生缺乏课后的反思和自己亲自动手一试的学习习惯。所以课后落实的不好，而这种漏洞会在将来的教学当中越来越明显。