库仑定律
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《库仑定律》教学设计
【内容
分析
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】
库仑定律是静电学的重要知识，是学习电场强度的基础。电荷间相互作用力的平方反比规律具有极为重要的意义，利用其与万有引力定律相似的特点进行类比推理，这是物理学的重要研究方法之一，以及实验研究过程中的控制变量的设计思想，在教学中应作适当说明。点电荷是一个理想化的模型，教学中应让学生了解这一研究方法及其重要意义，知道求解复杂带电体间作用力的基本原则。
扭秤实验的设计思想是物理学史上的重要实验思想，通过本部分知识的介绍，应让学生了解转化、放大，以及处理电荷电量问题上的采用的守恒、对称思想在物理实验中的重要性。
目标展示】 【
1、知识与技能:
(1)了解库仑定律的建立过程和相关的物理学史。
(2)知道点电荷的物理意义、理解真空中的库仑定律以及适用条件。
(3)知道静电力常量k的物理意义、数值和单位。
(4)会用库仑定律解决涉及点电荷静电力计算的简单问题。
2、过程与方法
(1)提出问题——猜想与假设——实验验证——得出结论——反思评价
(2)控制变量的科学研究方法，理想化模型、放大、转化、类比、以及对称、守恒的思想方法。
3、情感态度与价值观
利用库仑定律建立的过程以及相关的物理学史培养学生的科学素养。
【重 点】 库仑定律的建立过程 对库仑定律的理解和应用。
点】 探究库仑定律的定性演示和库仑扭秤实验的验证过程。 【难
【教学流程】
【教学过程】
(一)、创设情景，提出问题
我们已经学习了电荷、静电感应、电荷守恒的初步知识，现在再来看一个演示实验。
演示实验:用毛皮摩擦过的橡胶棒使验电器张开。
设问一:这个想象说明什么,验电器的工作原理是什么,
学生:电荷之间存在相互作用，同种电荷相斥、异种电荷相吸。
设问二:那么带电体相互吸引和排斥的力有多大,猜想一下带电体间的作用力与哪些因素有关呢,
(二)、猜想假设，设计
方案
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，定性探究
学生猜想:电荷量、距离、形状、体积、质量等。
设问:到底是怎样的关系呢,如何验证你的想法,
交流对话:指导学生得出验证实验的设计思想——控制变量法，研究作用力跟某一因素的关系时，要先控制其它因素不变。这是实验设计的精髓。
动画演示一:电量不变，改变带电体间距离，观察小球悬线偏离竖直方向的夹角α随距离的变化情况。
实验分析与思考:偏角大小与电荷间作用力大小有何关系,
分析得出 ，即越大，就越大。随间距的增大而减小。 FFrF,mgtan,,
动画演示二:保持距离不变，观察偏角α随电荷量变化的情况。
学生活动，归纳得出:?两电荷间的作用力随距离增大而减小;
?两电荷间的作用力随电量的增大而增大。
(三)、库仑的猜想和库仑扭秤实验
设问:以上研究的还只是定性的关系，两电荷的相互作用力与电荷量、间距到底有怎rQ样的定量关系呢,请你猜测一下。
学生讨论、猜想:最好是最简单的正比和反比关系。
1启发与设问: 18世纪法国物理学家库仑也研究了这个问题，他的猜想是，，F,QF,2r你知道他为什么会这样猜想的,请根据相关资料说明你的观点。
学生活动:阅读资料并得出——把静电力与万有引力类比，从而获得启示。
设问:是否只有库仑首先有这种猜想,
学生:其实这一点在他以前已有科学家猜到了，比如爱皮努斯、伯努利、普利斯利、卡文迪许等，库仑的重要贡献在于，用他制作的十分精细灵敏的扭秤装置验证了这个猜想。
1、结构简介。
2、如何解决力的准确测量,
?操作方法，力矩平衡:静电力力矩,金属细丝扭转力矩， F~,
?思想方法:放大、转化
3、与关系的验证。 Fr
?设计思想:控制变量法——控制不变 Q
?结果:库仑精确地用他的扭称实验测量了两个带电小球在不同距离下的静电力，证实了自己的猜测。若用平方反比关系表示，指数偏差可达?0.04，基本上验证了F与r之间的平方反比关系。
?后续研究:从1785年库仑定律发表以后直到现代，科学家一直设法检验距离r的方次与“2”之间究竟有多大偏差，实验表明库仑定律是一个精确度极高的物理定律。
4、如何解决电量测量问题,
设问:该实验的精髓在于控制，库仑先控制电量不变，研究了F与r的关系;再控制r不变，要研究F与电量Q的关系，又遇到了困难，因为在当时电量单位还未确定还无法测量电量，那么库仑又该如何定量的比较一个带电体所带的电量呢,
原来库仑已认识到，两个完全相同的金属小球，一个带电、一个不带电，两者相互接触后电量被两球等分，各自带有原有总电量的一半。这样库仑就巧妙地解决了这个问题，用这个方法
1111、、、等的电荷，从而顺利的验证得出 依次得到了原来电量的F,Q,Q1224816
思想方法:守恒、对称。
(四)、理解库仑定律
投影库仑扭秤实验得到的结论:库仑定律
在真空中两个点电荷间的作用力跟它们的电量的乘积成正比 , 跟它们间距离的平方成反比 , 作用力的方向在它们的连线上。
QQ12公式: F,k2r
学生活动，阅读教材，教师点拨归纳:
1、Q、Q是电荷量的绝对值;库仑力的方向:沿连线，同性相斥，异性相吸。 12
2、库仑力同样具有力的共性，比如遵守牛顿第三定律。
9223、k为静电力常量，后来测得 k,9.0，10N,m/C
4、适用条件:真空，点电荷
?点电荷同质点一样也是一个理想化模型——带电的几何点。
?若带电体间的距离比它们自身的尺寸大得多，以至带电体的形状和大小对库仑力的影响可以忽略不计，这样带电体就可以看作点电荷。
?对于任一带电体可以看作由许多点电荷组成，所以若知道带电体的电荷分布，根据库仑定律和力的合成法则可以求出带电体间的静电力的大小和方向。
注:在中学物理的实际应用中，常要把实际带电体等效为点电荷，如把均匀带电小球等效为位于球心的点电荷。
(五)、巩固与应用分析
例1、两个点电荷的带电量 ，相距 ，且静止于真空中，求它们之间q,q,1Cr,1m12
的相互作用力。
kqq912学生活动: F,,9，10N2r
教师说明:这时F与k在数值上相等，这就是k的物理意义，即k在数值上等于两个带电荷量为1库的点电荷，在真空中相距1米时的相互作用力。
例2、两个相同的均匀带电小球，分别带有，的电荷，在真空中相距rQ,1CQ,,2C12
时，相互作用力为F。
?今将、、r都加倍，作用力多大, QQ12
?只改变两电荷的电性，作用力如何变化,
?只将r增大2倍，作用力如何变,
?将两个小球接触一下，仍放回原处，作用力如何变化,
?为使两小球接触后，静电力的大小不变，两球应如何放置,
学生活动，要求分析并迅速得出:作用力不变;不变;作用力大小变为，方向不变;F/9大小变为，方向由原来的相吸变为相斥;距离变为即可。 F/9r/8
(六)、反思评价、知识小结
【教后反思】
1.由于静电实验受影响因素较多，不易成功，所以教学中采用动画展示的方法，加快了教学的节奏。
2.该实验是静电学中的经典实验，在教学中设计了很多的思考、讨论等师生交流活动，有益于培养学生的科学素养和探究精神。
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