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1、2022年高中物理 《電場及其描述》教案1 魯科版選修3-1
【教學目的】
1、了解電場,了解場是一種物質.場和實物是物質存在的不同
2、理解電場強度,會計算電場強度.理解其矢量性與疊加性,但不要求作復雜的疊加運算.形式.電場存在于電荷周圍,電荷通過電場這種物質間接對另一電荷施加靜電力的作用.
3、知道電場線的物理意義.會用電場線描述電場的強弱和方向,了解點電荷電場和勻強電場等幾種電場線的分布特征.
【教學重點】
理解電場強度,會計算電場強度.理解其矢量性與疊加性,但不要求作復雜的疊加運算.知道電場線的物理意義.會用電場線描述電場的強弱和方向,了解點電荷電場和勻強電場等幾種電場線的
2、分布特征
【教學難點】
了解電場,了解場是一種物質.場和實物是物質存在的不同形式.電場存在于電荷周圍,電荷通過電場這種物質間接對另一電荷施加靜電力的作用
【教學媒體】
實驗器材:有水龍頭的實驗室.梳子.絲綢.玻璃棒.帶絕緣座的金屬球.絕緣細線.鐵架臺.帶電小球
課件:視頻——模擬電場線實驗,《揭密》片段,F(xiàn)LASH課件——模擬電場線
【教學過程】
【新課導入】
利用視頻_《揭密》中"大師"遠處"發(fā)功"推動桌面上裝水的搪瓷臉盆,實際上是桌下的人用強磁鐵"吸引搪瓷(里面是鐵)運動.教師聲稱自己也會發(fā)功,(演示實驗)用梳過頭的梳子吸引細小水流_請學生來揭密.導出電荷之間的作用力與磁體
3、之間的作用力都可以不通過接觸產生.因此施力體比較隱蔽,常被魔術師借用,甚至被騙子利用,我們對這些看起來似乎是不可思議的現(xiàn)象,首先要用科學的方法去分析,要仔細觀察思考,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生.這種作用力是怎么從一個物體到另一個物體的呢?這在歷史上有過長期的爭論:一種觀點認為這種作用力是超距作用,從一個物體到另一個物體是直接的不需要介質也不需要時間,這種方式可以表示為:電荷電荷;另一種觀點以在19世紀30年代法拉第為代表,認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生了一種由電或磁產
4、生的物質,法拉第把它們稱為電場和磁場,(地球周圍則形成引力場),場則對放入其中的某些物體(如電場對放入場中的電荷)產生作用力.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.
【新課內容】
1. 場是真實存在的:
教師提問:如何判斷超距作用和場這兩種觀點誰正確?
(學生討論)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無關,且不需要時間.
教師指出:實際上法拉第通過實驗發(fā)現(xiàn)電荷間的作用力與中間介質有關,不同的介質作用力不同.現(xiàn)代物理學還發(fā)現(xiàn)這種作用力從一個物體到另一個物體需要時間,這都證明了場的存在."場"雖然不象實物,它看不見,摸不著,
5、但是客觀存在的.在后來的許多物理學家的研究下,發(fā)現(xiàn)場也與實物一樣有質量和能量.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)在學習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形態(tài),電視臺和無線電廣播電臺就是靠激發(fā)電磁場的方式發(fā)送各種節(jié)目信號的。雖然電磁場“看不見”“摸不著”,但是我們卻可以在遠離發(fā)射塔的地方,用電視機和收音機接受到它們發(fā)送的節(jié)目信號,這就是電磁場客觀存在的很好例證。本節(jié)課我們就來學習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(老師的講臺上)是否存在
6、電場?
討論:方法一:檢查周圍是否有形成電場的電荷?
方法二:電場能夠對處于場中的電荷施加力的作用??衫秒姾蓹z驗其是否受電場給的力來檢查電場的存在。(如圖1)拿一個帶電體放入這個區(qū)間,看它是否受力產生狀態(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,所以最好用來檢驗的帶電體本身電量較小,我們稱這種帶電體為檢驗電荷或試探電荷。(演示實驗:用試探電荷檢驗電場是否存在。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對電荷q2
7、產生靜電力(或說庫侖力),現(xiàn)在應該怎么說?
回答:電荷q1產生電場,這個電場對電荷q2產生作用力。
電場對放入其中的帶電體能產生電場力,這是電場的基本性質之一。所以我們可以選擇一個帶電量很小、線度也很小的試探電荷q,分別放入帶電體Q所產生的電場中的不同位置,觀察檢驗電荷q受到的電場力有何特點。
3. 電場強度
(1) 實驗探究場強的定義:
實驗一:教師有意將試探電荷緩慢地移過不同位置.引導學生仔細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,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。
實驗二:鋁箔球逐漸遠離場源,注意觀察絲線偏離豎直方向的角度。
8、
現(xiàn)象:偏角逐漸減小。
問:由這兩個實驗我們能得到什么結論?
學生答后教師歸納:以上兩個實驗表明,在電場中不同點,電場對檢驗電荷施加的電場力的大小和方向一般是不同的。比如在A點電場對電荷施加方向向右的作用力,在D點電場對電荷施加方向向左的作用力,在A點電場對電荷的作用力大,在B點電場對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電荷施加電場力的能力不同,哪里的電場比較強呢?怎么說明?
討論:用檢驗電荷受到的電場力,行嗎?(學生討論——估計多數(shù)學生會說可以
9、,電場力大的說明電場強,教師保留問題,繼續(xù)實驗三)
實驗三: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。
學生總結實驗結論——在電場中同一點,檢驗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,需要找一個與檢驗電荷的電量無關而只由電場決定的物理量。電場對電荷的作用力與電場的性質和試探電荷都有關. 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弱呢?
學生討論(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驗,就會發(fā)現(xiàn):在電場中同一點,電場力不僅隨檢驗電荷的電量的減小
10、而減小,隨電場力的增大而增大,而且跟檢驗電荷的電量之間存在定量關系。比如:在A點有;在B點有
在電場中同一點,比值F/q是一個與檢驗電荷和電場力無關的量,而在電場中不同點,比值一般不同,因而比值反映電場的性質。所以我們可以用它來描述電場,并把它定義為電場強度。
(2) 電場強度
i 定義:放入電場中某點的電荷受到的電場力與它電量的比值,叫這一點的電場強度,簡稱場強。
ii 符號:E
iii 定義公式:;公式表明電場中某點的場強在數(shù)值上等于單位電荷在該點受到的電場力。其中F為試探電荷q在場中某點受到的電場力,E為該點場強。注意,電場E不是電荷q產生的,所以E的大小與q無關。因此不能說E
11、與q成反比,與F成正比。
iv 單位:N/C
v 規(guī)定電場中某點場強的方向為正電荷在該點受到的電場力的方向。所以場強是矢量。
一般電場中不同點,場強的大小及方向不同,場強大的地方,電場強,場強小的地方,電場弱,通常我們也把場強的大小和方向叫做電場的強弱和方向。
圖3
由于我們是從一般電場出發(fā)引入場強的定義的,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。
a) 說明哪點的場強最大?
b) 標出A、B、C三點的場強方向。
c) 若在C點放一負電荷,標出負電荷受到的電場力的方向。答案略。
(3) 真空中點電荷電場的場強
下面我們以一個特殊
12、的電場——真空中點電荷產生的電場為例,分析場強的物理意義。
圖4
例2:在真空中A點有一正點電荷Q=2.0×10-4C,把試探點電荷q=2.0×10-5C的負電荷置于B點,它們相距r=2m,如圖所示。求:(1)q受的電場力;(2)q所在點的電場強度;(3)只將q點電荷換成q/=4.0×10-5C的正電荷,再求q/受力和B點的場強;(4)將受力電荷拿走,再求B點場強。*(5)若將Q拿走呢?答案略。
解析:在點電荷Q形成的電場中,距Q為r處放入點電荷q,q受的電場力即庫侖力,根據(jù)場強定義或該處場強為(r可取任意值),因此即為點電荷在真空中場強公式,其中Q為場源電量,r為某點到場源的距離。k為
13、靜電常數(shù)。+q受力方向即為該點場強方向(如圖所示)。若把+q換成-q,所受電場力方向正與場強方向相反,但仍與圖中相同,說明場強不以電荷和力為轉移。即正電荷場強向外,負電荷場強向內,離場源電荷越遠,場強越小。
幾點注意:
i 是適用于點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. 場強的大小與方向跟檢驗電荷的有無、電量、電性沒有關系。
圖5
ii 場強的大小只由場源電荷和場點到場源的距離來決定。離場源電荷越近的點場強越大,離場源電荷越遠的點場強越小。
(4) 場強的疊加——對于多個電荷產生的電場,同樣遵從平行四邊形法則。兩個電荷+Q和-Q同時存在時,實驗表
14、明它們產生的電場互相獨立、互不影響,P點的場強是E1和E2疊加的結果,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兩處分別放有兩個點電荷(圖6),A處為-Q,B處為+2Q,在x軸上某處,兩個電荷各自產生電場強度數(shù)值為EA和EB,則( )
A.EA=EB之點,只有一處,該處合場強為0;
B. EA=EB之點有兩處,一處合場強為0,另一處合場強為2EA
C. EA=EB之點共有三處,其中兩處合場強為0;另一處合場強為2EA
D. EA=EB之點共有三處,其中一處合場強為0,另二處合場強為2EA
解析:根據(jù)題意畫出圖6。
在AB之間某點x1,-Q在x1
15、處產生的場強,+2Q產生的場強。當時,EA=EB。EA方向向左,EB的方向向左,合場強E=2EA。
在A點左側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E=0。
在B點右側x3處, Ax2>Bx2, 不可能, EA=EB不存在。
所以EA=EB之點有兩處,且合場強一為0,另一為2EA,答案應選B.
圖7
由上面例題可見:電場強度概念能定量描述各點電場的性質。但電場中各點場強的大小和方向的分布是非常復雜的,我們如何方便而又形象地了解電場中各點場強的分布情況呢?最好畫圖。
如圖5所示,在正電荷周圍電場中畫了很多場強矢量,從這個圖上我們
16、可以很方便地了解正電荷周圍各點的電場分布情況,但它還不是最好的,因為電場中有無數(shù)個點,我們不能畫出無數(shù)個矢量,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度分布的一族曲線.描述方法:用曲線的疏密描述電場的強弱,用曲線某點的切線方向表示該點場強方向.
(2) 實驗觀察(課件歸納)各種電場的電場線:如圖8。
圖8
實驗模擬幾種典型的電場線。
問1:任意兩條電場線都不會相交,這是為什么?
教師歸納:如果相交,則交點就會有兩個切線方向,而同一點場強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
17、有什么特點?
圖9
圖8
從圖9中可看出,E1為+Q在A處的場強,E2為-Q在A處的場強,E為E1與E2的合場強,正好為電場線在A的切線。兩個點電荷形成的電場中,每條電場線上每個點符合上述的關系。
教師歸納:電場線總是從正電荷出發(fā),終止于負電荷或無窮遠,如果只有負電荷,則電場線來自無窮遠,終止于負電荷。它是不閉合的曲線.
大家要特別注意一個問題:我們雖然可以用實驗模擬電場線的分布,但是,電場線并不是電場中真實存在的曲線,它只是我們?yōu)榱诵蜗蟮孛枋鲭妶龆氲?。大家知道,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,這在物理學中是非常重要的。雖然法拉第當時認為電場線是真實的曲線,
18、這是不對的,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:電場線具有以下特點:
i. 在靜電場中,電場線從正電荷起,終于負電荷,
ii. 電場線不能相交,否則一點將有兩個場強方向.
iii. 電場線不是電場里實際存在的線,是為使電場形象化的假想線.
5. 勻強電場
圖10
(1) 實驗觀察:兩塊靠近、正對且等大平行的金屬板,分別帶等量正負電荷時的電場線。
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分布有何特點?
討論:其
19、場強(邊緣除外)大小處處相等,方向與板垂直,從正板到負板。
圖11
教師指出:在電場的某一區(qū)域里,如果各點場強大小和方向都相同,這個區(qū)域的電場叫勻強電場我們把這種電場稱為“勻強電場”。
例4:書P18/例——解答略。
例5:如圖11所示,一個質量為30g帶電量C的半徑極小的小球,用絲線懸掛在某勻強電場中,電場線與水平面平行.當小球靜止時,測得懸線與豎直夾角為30°,由此可知勻強電場方向為 ,電場強度大小為 .(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,因為小球處于平衡狀態(tài),還應受水平向左的電場力F.小球
20、帶負電,所受電場力方向與場強方向向反,所以場強方向水平向右。
小球在三個力作用之下處于平衡狀態(tài).三個力的合力必為零。得:F=mgtg30° 又因為
所以有: E=mgtg30°/q=
隨堂鞏固練習:
1、下述說法中正確的是( )
A、電場線是客觀存在的 B、電場線上某點的切線方向與與電荷在該點受力方向可以不同
C、電場線與電荷運動的軌跡是一致的 D、沿電場線方向,場強一定越來越大.
圖12
1. 如圖12所示,正電荷q在電場力作用下由p向Q做加速運動,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?( )
3、真空中兩個帶電量分別為Q和4Q的正點電荷,位于相距為30cm的A、B兩點,將另一個正電荷q置于AB連線上的C點,q受的合力恰好為零,C點距A點 cm處.若將電荷q取走,C點場強為 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)】
第一課時:教材本節(jié)課后1、2, 教材全練P7-8
第二課時:教材本節(jié)課后3、4;教材全練P9-10
【課后反思】
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