普通高中物理教师教学用书 第九章 静电场及其应用
本书修订说明
本套书是在原《普通高中课程标准实验教科书物理教师教学用书》的基础上, 为了配合新修订的《普通高中教科书物理》的使用而进行修订而成的。本套书的目标是帮助老师更好地使用教科书, 为日常教学提供专业、详细的参考依据。
本套书严格围绕着教科书的编写特色来进行创作, 把全新的教学理念给加进去了, 还把创新的教学方式和方法也纳入进来, 它与教科书达到了深度的适配状态, 两者之间是紧密联动的关系, 然后针对每一章、针对每一节, 都开展了细致的分析动作, 也做了精准的解读工作。
这套书的整体结构是很清晰的, 每一个模块的功能也是非常明确具体的, 情况如下。
学生需要把那个《普通高中物理课程标准（2017年版）》里的相关内容都摘录出来, 并且把这个文本简称做“课程标准”, 以此来搞清楚教学的依据到底是啥, 从而为教学指明方向。
本章的教材概述部分, 对教科书的编写意图进行了系统性的介绍, 同时也覆盖了核心内容以及整体结构方面的情况, 并且还分析了编排特点, 通过这些内容来阐释在选取材料以及确定讲解方法时所采用的设计思路是什么。
针对教材的分析以及给出的教学建议, 应当依据课程标准的内容, 还有教科书的内容来做, 要逐节明确具体教学目标, 深度剖析教材重难点、内容的逻辑关系, 提供详实可落地的教学建议。
它包括了怎么对付教学里老是碰到的那些麻烦事, 还有怎么给不同水平的学生用不同的法子去教, 怎么用心去培养学生里头不算智力那种的好品质, 怎么把书里的各个小版块以及里面画的图全都用好, 怎么把那些新冒出来的教学 idea 真的落到实地上去, 还有老师自己怎么把教书的本事一步步提上来, 实验课上到底该怎么带着大家一起动手做, 指导老师让学生在摸索里头找答案, 最后再说一说遇到那些最难啃的骨头, 也就是重难点的时候, 到底用什么办法才能把它们给突破掉。
提供标准答案以及解题思路提示, 针对教科书里的练习与应用部分还有复习与提高部分的习题进行对应。同步对习题在培育学生物理核心素养方面的价值与作用进行解读说明。
配套教学拓展资源里包含了物理概念, 也包含了物理规律, 还涉及了学科背景。它还涉及生活科技, 涉及社会应用, 也涉及实验拓展等等相关内容。这些内容能够助力教师拓展教学视野, 帮助教师提升专业素养, 适配终身学习需求。
负责编写本书“参考答案与提示”这部分内容的人员名单如下, 具体包括伏森泉、陈锋、徐捷、李峰、唐菊潮和吴南山。
这本书里面肯定会有某些遗漏和不太好的地方, 所以特别希望广大从事教学工作的老师以及关注物理教育的专业人员能够提出批评意见并给予指正是件好事。如果要想来函的话, 请把这个信件投递到北京市海淀区中关村南大街17号院的1号楼那里, 收件人写的是人民教育出版社的物理室。
人民教育出版社物理室
2019年9月
第九章 静电场及其应用
课程标准的要求
3.通过实验的方式来实现对静电现象的了解, 并且能够利用原子结构模型还有电荷守恒方面的相关知识去开展对于静电现象的分析工作。
3.1.2要了解点电荷这个模型, 还需要明白两个点电荷之间相互作用的规律是怎样的, 同时要在这个过程中体会到科学思想和方法。
3.第 1.3 部分要清楚电场这种物质是确实存在的高中物理教参，去弄明白电场强度是啥回事, 用心感受那种用两个物理量相除的办法来规定一个新的物理量的做法。能够运用电场线把电场的样子给描绘出来。
3.我们得去弄明白, 在生产与生活当中, 关于静电是怎么被利用起来的, 还有就是该怎么对其进行防护。
一、本章教材概述
这一章是高中物理电磁学部分的第一节内容, 地位非常关键, 起到了联系前面和引导后面的核心作用。从一面来说, 它接上了力学板块里建立的东西, 也就是关于相互作用的那个想法, 把分析力的那种方法拿来继续用, 放到静电现象的研究里面去。
从另一面来说, 它通过引进电场还有电场强度这些特别重要的概念, 把人们理解相互作用的层次给拓宽了, 这样做是为了给接下来学习“静电场里的能量”还有带电粒子在电场里面怎么运动等等这些事情打下来坚实的基础。
本章的知识逻辑是清晰的, 是一层一层递进上去的, 整体的线索非常完整并且连贯。
这个课堂教学内容是以初中阶段学习过的静电基础知识作为铺垫的, 然后首先是引入了关于电荷量概念的讲解以及电荷守恒定律的学习, 目的就是让学习者去掌握电荷与电荷之间发生相互作用的定量规律, 也就是我们要理解的库仑定律；接下来是从力的作用这一具体视角出发, 去建立起对电场的整体概念, 其核心重点在于深入研究电场强度这个物理量, 因为它可以用来描述电场最核心的性质；最后一步是把课堂知识与生产及生活中的真实场景结合起来, 专门向学生们讲解怎样利用静电现象以及如何进行有效的防护工作, 这样一来就能够真正实现理论知识与实际应用场景的完美融合, 同时也把整个静电学部分的基础内容进行了全面的梳理和最终的总结工作。
在这一章里面, 教材的修订工作还有编写工作的重点, 都特别鲜明地突出了那些理念。这些理念包括了对学科思维的培养、对科学办法的渗透, 以及要把学到的东西用到实际当中去这么一个思想。关于核心的编写想法, 下面这几条是主要的。
1. 在开展涉及库仑定律的那一块内容教学的时候, 应当将那些属于物理学科的核心思维方法给渗透进去。
教科书在编辑库仑定律这一部分的内容时, 会遵循物理学发展的历史事实, 同时也照顾到学生的认知习惯, 它采用的是类比力学中万有引力定律的这种方式, 它会引导学生去提出这样的猜想, 也就是带电体之间的相互作用力, 是跟电荷量的乘积成正比的, 而且是跟距离的二次方成反比的, 然后再通过库仑扭秤这种实验来验证这个猜想, 最后推导出规律的表达式。
这次修改的重点是, 要明确地显示出那三种物理学的思维方法是哪几种, 第一点叫做法模型建构的思维, 这个方法是通过建立一个叫做点电荷的理想模型的这种方式去做的, 它的目的是为了能够简化那些复杂的物理问题, 第二点叫做科学探究的思维, 这一步是用来把一种完整的探究流程给落实下去的, 这个完整的流程具体是指先提出假设, 然后再通过实验去做验证, 最后再去总结出其中的规律, 第三点叫做等效叠加的思维, 它的主要作用是去明确一个说法, 这个说法是说任何带电体都可以被看作是无数个点电荷集合在一起而成的, 这么做是为了给后面的电场里面的叠加计算以及受力分析这两种事情提供在方法上的支撑。
2. 我们要进一步加深对于比值定义法的理解, 努力去把思维认知上面那些难搞的点给突破掉。
比值定义法是高中物理里核心的一个定义方法, 学生在初中还有高中的力学部分都已经弄懂了像速度、密度、加速度那样的由比值定义的物理量。但是本章关于电场强度的那个定义, 把这个认知水平提到了一个全新的层次, 同时也是本章在思维上的那个难点所在。
在过去的物理量里, 用比值来定义的方式，研究的那个主体老是始终保持一个样儿, 打个比方说, 矿石的质量和体积以及最后算出来的密度, 这些全都对应着同一块矿石这么一个研究对象。
但是呢, 电场强度的这个定义方法就有很特别的地方了, 在把它定义的那个公式里面, 那个试探电荷受到的力和它的电量, 这些都是属于被放进去的试探电荷自己身上的特点, 可到最后真正想要去定义的那个电场强度, 却和那个放进去试探的一丁点关系都没有, 它仅仅是在描述那个电场自身本来就有的那种固有特性。
这种把研究东西的载体和研究东西的那个对象直接给分开来看的想法模式, 对学生们来说是完全头一回听到、头一回见着的情况, 所以他们非常非常容易就走偏了, 形成一些认知上的错误观念。
为了帮助学生突破难点, 教科书精心设计了双层认知过程。第一层是通过简单倍数推演的方式, 让学生对现象进行感知。在这一过程里, 如果同一位置的试探电荷电荷量发生成倍变化, 那么静电力也会同步地成倍变化。由此可见, 二者的比值是恒定不变的。
这种恒定状态与试探电荷的具体情况无关。第二层则是依托库仑定律进行定量推导。这一手段是从理论层面去验证该比值的唯一性, 并确认其与时空场的关联程度。它最终证明了比值的大小仅仅只由电场所在的具体位置所决定。这样的结论能够让人精准地去描述场强的强弱状况。
3. 这个工作是以静电学的基础理论作为支撑, 并且通过条理清晰的结构化手段, 对有关静电应用的相关教学内容进行了系统的组织与编排。
在这一章里面的第四节内容叫做“静电的防止与利用”, 这一节的内容不再采用那种把一些零散的案例简单地堆积在一起的写法, 而是以关于静电方面的核心知识作为主要的线索, 去对生活中那些具体的应用场景进行结构化的整合, 这样一来, 就可以实现理论知识和实际操作之间的非常深度的结合。
这本教材先简单地介绍了导体达到静电平衡状态时的核心特点, 把这部分内容当作后面那些应用类内容的理论基础来进行铺垫, 然后再分成三个大的模块来展开具体内容。
其中的第一个模块, 是利用导体尖端部分电荷很密集以及电场强度很大的这个特点, 深入解读了尖端放电现象是怎么发生的, 同时也讲解了避雷针是如何起到保护作用的。
第二个模块, 是依靠在静电平衡的时候导体内部电场强度为零的这个规律, 系统地讲解了静电屏蔽现象到底是什么, 并且讲述了这种技术在实际中是如何被应用于高压输电场景里的。
第三个模块, 是依据电荷之间相互作用、还有电场力作用的相关规律, 具体介绍了包括静电除尘、静电喷漆以及静电复印等这些涉及静电吸附技术的应用。
结合课程标准的要求, 本系列的电子版本是由美英桥课本信息网负责整理的。这节课的教学核心目标在于让学生了解相关现象并且知晓背后的原理。所以, 不需要对导体静电平衡这种复杂的理论知识进行深入的推导。
也不会设置那些难度过大的知识性习题。教学侧重点是为了培养学生利用物理知识来解释日常生活中出现的各种现象。同时也是为了培养学生解决实际问题的能力。
课时安排建议
第1节 该章节的主题是关于电荷, 教学时长被设定为一课时。
第2节 库仑定律的内容需要耗费1课时的时间来讲解。
第3节 这个主题涉及电场以及电场强度两个部分, 学习的时间安排为一课时。
第4节 静电的防止与利用, 这一主题内容总共安排1课时进行开展。
二、对教材的内容进行分析, 并且提出相应的教学方面的建议。
第1节 电荷
1. 教学目标
（1）咱们可以通过去分析那个摩擦起电的以及带电体相互作用的实验现象, 来明确清楚自然界里面仅仅有正和负这两种电荷, 同时把电荷量的这个概念给掌握住, 还要知道它的国际单位是什么。
（2）可以利用原子结构模型, 针对摩擦起电的微观本质进行解释, 并且还需要观察同时分析静电感应现象, 从而提升在物理模型建构以及现象解释这两个方面所具备的能力。
（3）通过学习各种各样的关于静电的现象, 来激发出对电磁现象进行深入探索的兴趣, 并且培养起对于科学的好奇心。
（4）先对摩擦起电的本质进行查看, 也去把感应起电的本质搞清楚, 随后就从中归纳出推论来得到电荷守恒定律, 从而建立起那种关于守恒的物理思想内容, 弄明白守恒观念在针对物理规律展开研究这个环节之中有着怎么样的重要价值和意义。
（5）我们要去把元电荷的这个概念搞到手, 要弄明白电荷量是呈现出一种量子化的状态, 也就是具有那种不连续的特点。
2. 对教材进行了一番深入的剖析之后, 再给出具体的教学策略以供参考。
本节主要涉及四个部分, 具体包括电荷、静电感应、电荷守恒定律以及元电荷。这些都是整个静电学模块当中的基础铺垫知识。它们为后续学习库仑定律和电场强度等核心内容提供了必要的理论支撑。
教学这条线索非常清楚: 先从老百姓日常生活中经常碰到的摩擦起电现象开始，接着要把电荷到底分几种还有它的基本性质说个明白；然后靠着原子内部那种看不见的微观结构模型, 去揭穿摩擦为什么会起电的底细；再接着把第二种让物体带电的办法也拿出来讲讲叫做静电感应；最后把所有东西汇总一下得出电荷不能凭空产生也不能消失这种守恒规律, 并且指出电荷的数量是一份一份来的而不是连续变化的这种量子化特点。
本节的教学重点放在了对电荷守恒定律的理解以及在实际中的应用上面, 要知道, 保守或者是保存的思想其实是物理学里面最核心的那种研究想法, 咱们先说力学那个部分吧, 最开始就是用追寻保存的那个量来引入机械能守恒这个概念的, 等到电学这部分的时候, 又再一次地把这种保守的理念给它加深了, 对于高中阶段的学生来说, 他们这里对电荷守恒的说法, 已经不是初中时候那种简单理解的什么电荷不产生、也不消失了, 而是升级到了从一个系统的角度去吃去理解电荷的总和还是保持不变的, 这对学生而言认知水平上可是有一个非常重要的提高的。
这一节课的教学难点在于, 要从微观原子结构的角度来搞清楚物体带电的本来面目。学生在初中阶段对静电现象的认识, 仅仅停留在感性的层面上。现在是高中了, 要求结合具体的起电场景。
要通过观察实验和进行逻辑推理, 去剖析电子是如何转移的微观过程。目的是建立起宏观现象与微观本质之间的关联。为了突破这个认知上的难点, 必须依赖实验探究来完成这个过程。
学生们在通常情况下, 都会存在一种叫做前概念的误区情况, 他们错误地以为, 导体里面的正电荷是能够进行自由转移的。所以在教学的过程当中, 需要非常主动地把学生们的这些错误认知暴露出来。我们需要把核心知识点给明确清楚: 摩擦起电的这个本质事情, 实际上是束缚比较弱的电子在物体和物体之间发生了转移行为。
那些得到了电子的物体, 它们就会带有负电属性, 而那些失去了电子的物体, 就一定会带有正电属性。对于相互摩擦力作用在一起的这两个物体来说, 它们必然会在最终的状态下, 带上数量相等但种类相反的这两种电荷类型。
在教学当中, 需要去引导学生建立起关于金属微观结构的模型, 明确在金属导体里面, 可以自由的移动的电荷是自由电子, 而正电荷是被固定在原子核里面的, 没有办法移动, 这样能够从根源上去纠正学生在学习过程当中的认知误区。
（1）静电感应教学建议
静电感应这个方法跟摩擦起电不太一样, 它不需要碰到物体也能让物体带上电荷。学生们对这个事情比较陌生, 所以特别容易引起他们想要去研究的好奇心。这也是证明电荷守恒定律非常重要的一个实验依据。
在上课教的时候, 可以参照课本上的实验内容, 设置有难有易的一系列问题。这样能够带着学生自己去动脑筋想, 跟小组里的同学互相说一说交流思路。通过这些方式, 可以提升学生从看到的实验现象中提取出物理模型的那种思维能力。
静电试验这件事儿, 它有高电压、微电荷还有容易漏电这么几个特点, 所以实验能不能成功, 关键就在于绝缘性能得达到标准。
在教学实验的时候, 大家要注意这些事儿: 第一呢是要选用像蜡烛还有聚四氟乙烯这样的优质绝缘材料来当导体的支座；第二呢是实验器材的表面一定要打磨得光滑, 还要保持清洁和干燥, 千万别让潮湿或者灰尘导致了漏电；第三呢是带电体尽量要积累足够的电荷, 这样才能保证实验现象比较明显。
这是一个教学中的片段部分, 主要对感应起电的相关现象开展分析。
关于第一个问题, 如果把带有正电荷的物体C移动到没有带电的导体A和B旁边去, 那么金属箔会发生变化。等把物体C移开以后, 现象就会发生改变。需要对实验原理进行解释说明。
学生对这一现象进行了观察并做出如下总结, 当物体C靠近的时候, A端和B端的金属箔片出现了张开的情况, 这就证明了导体已经带上了电荷, 在物体C被移开之后, 金属箔片又合拢了, 这说明导体重新变回了电中性状态, 上述所出现的变化情况表明, 即使是带电体没有与导体发生直接接触, 也能够改变导体内部的电荷分布状况。
关于第二个问题, 我们需要深入讨论带电体对导体内部电荷分布所产生的具体影响, 并且需要发挥想象力去猜想其内在的微观变化过程, 随后还要构思出能够通过实际操作来进行验证的实验方案来确认这些猜想。
关于第三个问题, 首先需要把物体A和物体B分开, 然后移走带电荷的物体C。在此过程中观察一下金属箔片发生的具体变化。之后让两个物体再次相接触, 这时候的现象又是怎么样的呢?
学生进行了论证总结, 带正电的物体C会吸引导体内部的自由电子, 这使得近端A积累了多余的电子从而带上负电, 而远端B因为失去了电子所以带上正电, 这样A与B就带上了等量的异种电荷, 当把A和B分开后再移走C, 电荷由于无法相互中和, 金属箔片依然保持张开的状态但是张角变小了, 这是因为电荷在重新分散, 如果再次让A和B接触, 那些等量的异种电荷就会完全中和, 使得导体恢复到不带电的中性状态, 这时候金属箔片就会闭合。
（2）关于验电器这个栏目的教学, 提出几点建议。
教材里那个“做一做”板块中的验电器小实验, 能够培养学生进行动手操作的能力, 这可以帮助学生更直观地去感受到电荷的存在情况, 并且还能关联上接触起电这个知识点的理解, 同时也能关联上静电感应知识方面的内容。关于如何进行教学, 老师可以从三个不同的方面去把这一任务落实到位。
① 制作要点在于选用石蜡, 其绝缘性能良好, 将其用于制作绝缘塞, 同时搭配金属箔, 该金属箔必须兼具轻薄与开合灵活的特性。此举是为了保证装置具备足够的灵敏度。
进行带电检验操作时, 如果带电体接触到导体棒, 金属箔会因为带有同种电荷而互相排斥, 从而张开；若带电体只是靠近而不直接接触金属箔也会因为发生静电感应, 使得内部出现异种电荷并导致张开, 这两种现象都可以帮助判断物体是否带电。
第三步是检验电荷的电性, 做法是让验电器带上已知电量的电荷, 随后把那个带电体靠近验电器的导体棒, 然后根据金属箔张开角度的变大或者变小来判断待测电荷到底属于何种电性。
关于静电计的原理部分, 可以安排到接下来的那个章节, 也就是叫做“电容器的电容”的地方再去详细解释, 而在这一个章节里面呢, 只需要让大家把基本的怎么使用它这个事儿掌握住就够了。
（3）针对电荷守恒定律这一教学内容, 老师们可以给出一系列相关的建议。
我们可以通过开展摩擦起电的实验, 也可以通过静电感应的实验, 来引导学生们进行归纳总结。这样做的目的, 是为了让大家搞清楚所有起电方式的本质究竟是什么。
其本质均为微观电荷发生了转移, 而不是说电荷被创造出来了, 或者说电荷消失了。至于那些呈电中性的物体, 它们只是正电荷和负电荷的代数和等于零罢了, 并不代表它们内部不含任何电荷。
为了让学生们对相关内容理解得更加透彻, 可以组织他们参与讨论环节, 把三大核心问题作为主要的讨论焦点展开交流。
我们要问的是, 在一个电中性的物体内部, 是不是存在电荷这一种东西。
② 电荷中和这个动作, 是不是就意味着正电荷和负电荷都已经彻底地没有了呢。
关于在电荷守恒定律当中所谓的电荷总量的具体含义, 到底是什么?
我们可以通过讨论把情况弄清楚, 也就是要明确电荷中和这个事儿, 它其实就是说正的电荷和负的电荷数量一样，把它们加在一块儿正好等于零, 而电荷的总量并没有改变。守恒定律里提到的总量, 指的也是这些电荷的代数和。
顺便可以简单提一下正电子和负电子碰到一起发生湮灭的那种现象, 这样是为了让学生们的眼界能够开阔一些, 能够感觉到物理规律是一直在发展的, 至于其中的原理是什么, 就不需要深入进去仔细研究了。
（4）元电荷教学建议
本节重点在于渗透电荷量子化的思想, 并且要明确元电荷是自然界中存在的、最小单位的电荷量, 进而确认任何带电体所带的电荷量都是元电荷的整数倍, 同时需要得知电荷量本身无法呈现出连续变化的状态。
关于元电荷其取值被确定为$$1.60^{-19} text{C}$$, 在此基础之上电荷量的通用表达式为$$q=ne$$（其中$$n$$代表正整数）。
在教学的过程里, 教师可以把密立根油滴实验的那段历史资料拿来用, 还可以把电子比荷这个概念进行拓展来讲, 让学生学多点知识。这样做能够帮学生把心里的认知弄得更深一点, 也能够在实实在在的行动中, 把物理学科的那些素养培养的工作给落实到位。。
3. “练习与应用”参考答案与提示
本节中的习题主要是围绕电荷守恒定律、静电感应、还有元电荷这三大核心知识点来进行设计的, 这些内容和现实生活情况比较贴合在一起的, 题目难易程度的层次感是很明显的, 主要目的是要考查学生在微观层面建立模型的能力, 以及把知识运用到实际当中的能力。
1. 现象解释
在干燥的季节, 空气的湿度是比较低的, 这样会让物体的绝缘性变得比较好, 当你脱下外衣的时候, 衣服和你的身体之间会发生摩擦, 这样的话, 它们双方就会携带上数量相等但是种类相反的电荷了, 当你把手接触到金属门把手的时候, 你身上的电荷就会快速地放掉电, 因此就会产生那种被电击的感觉。
2. 答案是, 电子从B转移到了A, 被转移的电子数量一共是6.25^{10}个。
在金属导体里面, 可以到处跑的开动电荷就是自由电子。A板带上负电, 这个情况是因为电子从B板跑到A板上去了。
大家可以根据那个计算公式n等于q除以e来把数据代进去算一算, 结果得出电子数n等于1的负9次方除以1.6的负19次方, 最后得数为6.25的10次方。A板弄到手的电子个数, 和B板让出去的电子个数是完完全全相等的。
3. 答案是给出的，同时还有相关的提示。
（1）当带正电的导体球C靠近不带电的导体的时候, 在近端会感应出负电荷, 而在远端会感应出正电荷。因为近端产生了负电荷, 而远端产生了正电荷, 所以可以知道的是, 近端的电荷表现为负的, 并且远端的电荷表现为正的。
（2）依据电荷守恒定律, 在导体发生感应起电的这个过程里, 靠近带电体那一端积累的负电荷的数目是和远离带电体那一端剩余的正电荷的数目始终相等的, 不管是从任意位置去把导体切开, 被切断的两部分所携带的电荷量的大小都是相等的, 但是呢, 导体表面的那种电荷分布并不均匀, 离带电体越近的地方电荷密度就越大, 所以不同的那些切割位置所对应的数值是会存在差异的。
4. 正误判断
这两种说法都是错的。元电荷是咱们说的那个最小的电荷量的一个常数, 它本身并不是一个带电的粒子啊。在自然界里头, 所有带着电的物体, 其上的电荷量都必须得是元电荷的整数倍, 绝对不可能存在什么任意的数值的电荷量这样子的情况。
第2节 库仑定律
1. 教学目标
（1）你亲身去经历库仑定律的探究过程, 要深刻地去体会类比法以及实验验证法在物理规律建立时所占据的核心作用。
（2）通过类似于质点这种理想模型的类比方式, 来深入掌握点电荷这一模型在物理学意义上的具体内容以及它能够应用的具体条件, 并且能够熟练地运用这种理想模型的方法, 从而将复杂的物理问题进行简化处理。
（3）你要深入地去领会库仑定律里面所蕴含的意思, 还要搞清楚它在什么样的条件之下才可以使用, 同时你能够非常熟练地运用它来计算两个点电荷之间所产生的静电力的大小和方向, 并且你需要把力的合成的那些规律结合到一起, 以此来解决多个点电荷之间相互作用的复杂问题。
（4）要弄明白库仑扭秤这个实验是咋设计出来的, 把那个用来放大细微变化的小点子搞透彻了, 然后去真切地感受那种特别精细的实验, 到底有啥样的科学价值, 就是这么个意思。
（5）通过对比库仑定律与万有引力定律的相似性, 我们来感受物理学规律的和谐统一性, 从而提升物理学习兴趣与科学审美。
2. 对教材进行了一番深入的剖析之后, 再给出具体的教学策略以供参考。
本段落讲的核心道理是库仑定律这件事。这个定律在静电学领域是非常核心的一条规律内容。它是用来建立那些接下来才会出现的概念的基础材料的, 这些概念包括但不限于电场强度或者是电场叠加之类的东西。
书本上的编排顺序是按照这样的逻辑线索来写的: 先是把一些定性方面的探究事情搞清楚, 然后做出一些合理的猜测或者猜想, 接着再去进行定量情况下的实验操作, 之后去总结出那些带有普遍性的规律内容, 最后再把学到的知识拓展到应用场景里去。
这一整套流程下来, 都是为了引导着学生们去完成一次升级动作, 这次升级是从只凭感觉认知的那个阶段, 进步到了可以进行理性推导分析的那个阶段。在整个过程中, 特别着重把科学方法里面关于探究的那些思想传递给学生, 并且也融入了物理建模这样的一种思维方式进去。
这一部分的教学重点和难点集中在怎么把库仑定律理解透彻, 还有怎么样能够灵活地使用它来判断那些需要满足的条件。首先的一点是, 点电荷这个模型确实比较抽象, 生活中没有什么直观的认识能直接对应上, 所以需要依靠质点这个模型来做个类比, 帮助学生进行迁移和理解。
第二点是关于带电体的等效叠加思维, 得让学生真正明白, 任何带电体都可以拆分成无数个非常小的点电荷, 然后把这些小点的力结合起来, 再利用力的合成原则去算整体的静电力大小, 最后帮学生建立起局部情况与整体情况之间的辩证关系。
（1）先引入这个问题, 接着进行定性的探究。
本节内容的实现, 是要达成在静电力研究领域里的一次跨越, 这个跨越是从定性的阶段走向定量的阶段。可以在课前安排有趣的实验活动, 通过这种方法去引导学生进行猜想, 他们认为电荷与电荷之间的相互作用力, 是和电荷的数量以及电荷之间的距离这两个因素相关的。
在实际的教学过程中, 会采用控制变量法来开展半定量的实验研究, 这样能够达到提升探究逻辑性的目的。
实验设计要把握这些要点, 采用用双线绝缘丝线悬挂静电摆球, 搭配反衬标尺便于观察偏角, 选用洁净绝缘支座的带电金属球, 在实验前清洁器材、去除湿气, 防止漏电。
实验的过程是这样做, 先把电荷量这个条件保持不动, 再去加大它们之间的间距, 这时候观察到摆球的偏角变小了, 这说明间距变大的时候, 静电力也就跟着变小了在第二个步骤里, 再把间距这个条件固定住, 用两个完全一样的金属球碰一下来平分电荷, 这样就把电荷量给减少了, 结果发现摆球的偏角还是减小了这一现象证明了当电荷量比较小的时候, 静电力也会相应地变小。
在实验工作全部结束以后, 教师要引导着学生去进行总结, 把这些定性的规律全都归纳出来。与此同时, 还要把这些关于实验误差分析的方方面面渗透进去, 还得把这方案优化的思维也融合进来, 这样做的目的就是为了去培养学生们一种实事求是的态度, 同时还能够培养出一种严谨求真的科学态度。
（2）关于库仑扭秤的实验教学, 我们这里给出一些建议。
定性实验只能让人注意到规律的趋向, 不过要想完成定量的检验工作, 就必须依靠库仑扭秤实验来进行。在教学的过程中, 并没有必要要求学生们把那些器材的操作细节全都掌握下去, 重点应该放在讲解两大核心实验思想方面。
所谓的放大这种方法, 其实就是依靠悬丝的扭转力矩实现平衡的目的。然后, 把那些非常微小的静电力, 转化成可以观察到的扭转角度。这样一来, 就能够实现对微小物理量的那种精准测量的效果了。
在还没有办法用电荷量测量工具的那个年代, 库仑是利用了相同金属球接触之后电荷会平分的这一规律, 从而能够精准地改变带电体上面的电荷量, 这为进行定量探究这件事提供了可能性, 同时也凸显出来了科学探究过程当中间所体现出来的巧妙性。
与此同时, 补充物理学史, 让学生体会科学家大胆猜想、严谨验证、坚持不懈的科学精神, 实现知识教学与素养培育的融合。
（3）关于库仑定律在实际应用当中的核心要点部分。
当带电体这个对象的自身几何尺寸远远小于它们之间的距离, 而且它们的电荷分布情况以及物体本身的形状都可以被忽略的时候, 这种情况下, 就可以把它等效看做一个点电荷。
在这里需要重点去辨析清楚一些容易产生的错误认识, 比如说, 如果两个带电体之间的距离趋近于零, 或者一个带电体不能被看成是点电荷, 那么库仑定律就不再适用了；又比如说, 仅仅是因为它们之间的距离比较大, 或者是电荷在空间上的分布比较集中, 这样的带电体也不一定就是点电荷哦。
为了让大家更好地理解这些概念, 我们可以对比一下质点和点电荷这两个模型之间的相同点和不同点, 以此来进一步强化大家那种建立理想化模型来思考问题的思维方式。
② 力的方向与相互性: 在用公式进行计算的时候, 要把电荷量的绝对值代入进去, 然后根据同种电荷互相排斥、异种电荷互相吸引这个规则, 来判断力的方向；处于这两个点电荷之间的静电力, 它属于一对相互作用力, 这一对力的大小始终是相等的, 方向始终也是相反的, 这种特性跟电荷量的大小是没有关系的。
关于常量和单位的规范这个问题, 咱们来说一下库仑定律里的静电力常量, 它的值是被严格定义的等于9.0乘以10的9次方, 单位是牛顿乘以米再除以平方库仑, 也就是N·m²/C²这个写法, 请注意这个地方仅仅只适用于国际单位制里面的情况, 在进行任何实际计算的时候, 所有的距离数据、电荷量的大小数值以及最终算出来的力这些单位都必须强制统一换算成标准的形式, 也就是米的长度单位、库仑的电荷量单位以及牛顿的力的单位这三者保持一致才行, 教师可以通过给学生安排具体的实例分析任务让大家亲自去感受一以下什么叫做一个非常大的电荷量单位那就是“库仑”本身, 以此来深化学生对物理学里面各种物理量数量级大小的正确理解和认知。
这里有一个关于力的叠加原理的问题, 意思就是, 如果有多个点电荷在同一个地方对某个特定的电荷产生静电力, 那么这些力是可以按照平行四边形的规则进行叠加的, 也就是说, 任意一个带电体, 不管是啥样的, 都可以把它拆分成无数个小的点电荷来看待, 然后通过这些点电荷的相互作用力, 一个一个地加到一起, 就能求出总的合力是什么情况了, 这个内容也是为了后面学习电场强度叠加的知识打下一些基础。
这里是教学的一个片段, 内容为对例题进行的拓展和延伸。
对于涉及多个电荷所受到的力的叠加这一类型的例题, 专门设计了一系列具有梯度性质的拓展问题。
在两个大小相等并且是同一种类的电荷所连成的线段的中垂线之上, 如果把一个用来试验的电荷放上去, 那么当这个电荷慢慢远离这两个电荷所在的位置的时候, 它所受到的力的大小会发生怎样的改变呢? 另外还要问的是, 在什么样的特定情况下, 我们才可以把这两个分开的电荷看作是一个单一的点电荷来处理?
如果要是把那个点电荷给换成了那个均匀带电的直棒的话, 那试一试看这个电荷受到的力的方向到底是怎么样的呢。
通过拓展, 让学生把物理方法里的“微元拆分、等效叠加”这一块内容搞得非常熟练, 从而去攻克在分析复杂带电体受力情况时所遇到的那些艰难杂点。
3. “练习与应用”参考答案与提示
这部分的练习题主要集中在那叫做库仑定律的东西的理解还有实际怎么用上面, 题目是按照由浅到深的层次来的, 一边让学生把基础打牢靠, 一边也想要他们的本事能够提升上去, 里面着重去培养他们建立物理模型的本事, 精确算出数字结果的能力, 还有那种处理带方向量的叠加时候的思维方式。
1. 答案是如此, 同时附带相关的提示说明内容。
依据相同金属球电荷平分的规律, 当A和B接触后分开, 它们各自带的电荷量是$$frac{q}{2}$$；接着B再与C接触并分开, 这时B和C各自带的电荷量就是$$frac{q}{4}$$；最后让A和B再次接触, 它们的总电荷量为$$frac{q}{2}+frac{q}{4}=frac{3q}{4}$$, 在平分之后, B所带的电量变为$$frac{3q}{8}$$。
2. 答案与提示
因为这两个金属球之间的球心距离只有3r, 这个数值和球体本身的大小差不多, 电荷在接触之后会重新分布, 所以我们不能把它们当作点电荷来处理, 这就使得库仑定律不再适用了, 所以它们之间实际的作用力是不等于k乘以括号里面是分子的, 分母是r的二次方这样的公式结果的。
3. 答案是给出的，同时还有相关的提示。
初始作用力$$F=kfrac{q^2}{r^2}$$；电荷接触后重新分配, 电荷量变为$$frac{q}{2}$$, 间距不变时作用力$$F_1=frac{1}{4}F$$；若间距加倍, 作用力$$F_2=frac{1}{16}F$$。
4. 答案为$frac{(2sqrt{2}+1)kq^2}{4a^2}$, 方向是沿着正方形的对角线, 并且指向向外侧。
当正方形的四个顶点分别放有电量相等且电性相同的电荷时, 每一个电荷都会受到来自其余三个电荷的排斥作用力, 这时候为了算出最终合力的大小和方向, 人们需要先利用对称性以及平行四边形定则对多个分力进行叠加处理, 具体的做法是先把相邻两个角落里的电荷对该目标电荷产生的斥力合成为一个总的分力, 之后再把这个合成后的力与对角线位置那个电荷产生单独的斥力继续做叠加运算, 经过这一系列计算步骤就能得到最终的合力结果。
5. 答案：$$5.3^{-8} text{C}$$
带电小球受到重力、拉力和静电斥力这三个力的作用并保持平衡, 根据正切值等于静电力除以重力的公式$$tantheta=frac{F}{mg}$$, 我们可以推导出静电力的表达式为$$F=mgtantheta$$, 然后结合库仑定律的变形公式, 把已知的数据代入进去就可以求解出电荷量了。
第3节 电场 电场强度
1. 教学目标
（1）咱们先通过做实验来进行类比, 再去分析出现的现象, 这么一来就把电场这个概念给建立起来了。接着就明确了电荷和电荷之间的相互作用是依靠电场来传递的。最后再理解一点, 就是电场这种东西确实是客观存在的, 它是一种物质, 只不过是比较特殊的物质罢了。
（2）亲身去经历电场强度的比值定义这样的过程, 从而加深对于比值定义法的物理认知, 然后掌握电场强度的定义式以及单位和矢量方向。
（3）你要把那个点电荷的电场强度公式掌握到手的程度, 然后呢, 你还能够把这个电场叠加原理运用得非常熟练, 去用来算一算当有多个点电荷存在的时候, 它们综合起来的那一个合场强到底是多大会怎么样。
（4）需要掌握关于电场线绘制的具体规则以及它所蕴含的物理意义, 同时应当能够识别出典型情况下面临的电场线的分布特征高中物理教参贝语网校，并且还要学会通过构建可视化的模型来对抽象的电场情况进行详细的描述。
2. 对教材进行了一番深入的剖析之后, 再给出具体的教学策略以供参考。
本节的核心内容里面, 包含了电场的物质性、电场强度、点电荷电场、场强叠加原理、电场线、匀强电场这些具体的条目。这是静电学的核心重难点内容。它标志着学生从力的表象研究, 转变为了进入场的本质研究的阶段。。
本节的重点是要把电场强度这个概念给建立起来, 因为这个概念它是电磁学里面最核心的基础部分, 它用比值定义法来弄这种模式, 是可以移到后面去学的, 比如后面要学的电势、电容、还有磁感应强度, 这些物理量都能用上这种方法, 所以这里面是包含着很重要的科学探究的那种思维。
本节有两个难点。第一个是对于电场强度本质的认识不到位, 学生容易把试探电荷所受的力和场强之间的关系搞混, 从而不能明白场强是不依赖于试探电荷这一重要特性。
第二个是要分清电场的真实性和电场线的虚构性, 由于电场看不见, 摸不着, 学生们很难去感知它作为客观事物的存在, 所以经常会错误地把电场线当成是实实在在的物质。
（1）情境引入
大家借助于那个人体带电、头发都散开的有趣演示实验, 来引导学生们去进行深度的思考, 也就是去思考那些并没有发生实际接触的电荷之间, 究竟是什么原因让它们能够产生力的作用呢?
通过这种方式, 学生们可以非常直观地感受到电场的存在, 这样也就能有效地激发起他们的探究欲望, 从而顺理成章地把电场这个概念引入到课堂之中。
（2）关于电场这个概念在教学方面的具体做法。
结合初中阶段的磁场方面的相关知识进行类比式的教学, 以此来降低认知上的难度状况, 从而协助学生构建起核心的认知体系。
在电荷的周围, 肯定会存在一个电场, 这是因为静止状态的电荷会产生一种静电场。
电荷与电荷之间的静电力, 是通过电场这种物质形态来进行传递的。
电场它是一种特殊物质, 这种特殊物质和实物粒子是有区别的, 它是客观存在并且真实存在的, 大家可以通过受力情况来感觉到它。
先是对磁力以及重力在传递过程当中都不需要直接接触的这个特点进行对比, 然后让学生去形成一种对于场作用这种概念的统一认知, 以此来突破关于电场过于抽象这一教学难点。
（3）电场强度这个概念在建立的过程中。
按照这个顺序去做, 先通过实验来获得直观的感受, 接着大胆地提出猜想和进行推理, 然后用理论来对猜想加以验证, 最后再进行总结并给出明确定义, 从而把一个概念构建出来。
① 实验感知: 在同一位置放不同的试探电荷, 受力不同；把同一个试探电荷放到电场的不同位置, 受力也不同, 这就证明了电场里有强弱、方向方面的差异。
我们进行猜想的推理, 电场当中某一个地方, 试探电荷受到的那个力F除以这个电荷的电量q算出来的结果是一个固定的数值, 这就能够描述电场自身所具有的那些性质了。
我们进行了理论验证。我们依托库仑定律进行了推导。我们通过推导证明了该比值与试探电荷无关。我们证明了该比值仅由电场位置和场源电荷决定。
④总结并给出定义, 这里采用比值定义法来定义电场强度, 得到的数值表达式是E=F比q, 其中E和F和q都是物理符号, 需要进一步说明它的矢量方向, 这个方向就是正电荷在电场中所受力的方向, 同时也明确了它的单位是什么, 以及它在物理学中的实际意义是什么。
在教学工作里, 把重点放在纠正学生产生的数学思维误区上, 明确告知他们所谓的公式仅仅就是用于定义的式子, 而并不是决定事物性质的决定式, 所以电场强度的大小和力、电荷量没有任何关系呢, 这样就要让学生们彻底清楚区分开比值定义法这种新旧认知方法之间存在的差异点出来。