物理人教选修3-1教学设计：1.2 库仑定律含解析

教学设计
2 库仑定律
本节分析
本章的核心是库仑定律，它既是电荷之间相互作用的基本规律，又是学习电场强度的基础．因此，在本节教学中对电荷之间的相互作用，不仅要求学生定性知道,而且通过库仑定律的教学还要求定量了解，但对库仑定律的解题应用，则只限于真空中两个点电荷之间相互作用的一些简单计算．库仑定律是静电学的第一个实验定律，是学习电场强度的基础．本节的教学内容主线有两条:知识层面上掌握真空中点电荷之间相互作用的规律即库仑定律；方法层面上研究多个变量之间关系的方法，间接测量一些不易测量的物理量的方法，及研究物理问题的其他基本方法．
学情分析
学生在高一已经学习了万有引力的基本知识，为过渡到本节的学习起着铺垫作用．上一节学生已经学习了电荷及电荷守恒定律，知道了使物体带电的几种方法，并且知道了在物体起电的过程中，系统的电荷是守恒的．同时,学生在初中也明确知道电荷之间是有相互作用的:同号电荷相互排斥，异号电荷相互吸引．高二的学生已具备了一定的探究能力、逻辑思维能力及推理演算能力．能在教师指导下通过观察、思考，发现一些问题和解决问题．
教学目标
错误!知识与技能
（1)掌握库仑定律,知道点电荷的概念，并知道库仑定律的适用
条件．
(2)运用库仑定律进行有关的计算．
●过程与方法
(1)渗透理想化方法,培养学生由实际问题进行简化抽象建立物理模型的能力．
(2)渗透控制变量的科学研究方法．
●情感、态度与价值观
通过对本节学习,培养学生从微观的角度认识物体带电的本质,认识理想化是研究自然科学常用的方法,培养科学素养，认识类比的方法在现实生活中的广泛应用．
教学重难点
错误!重点：库仑定律及适用条件．
错误!难点：库仑定律的实验．
教学方法
教师启发引导教学与探究法相结合，并辅以问题法、演示法、归纳法等．
教学准备
演示实验、多媒体课件等．
教学设计（设计者：赵雪玲)
教学过程设计
演示一：让带电物体A靠近悬挂在丝线上的带正电小球，观察在不同距离时小球的偏转角
研究方法-—控制变量法
）控制电荷量Q不变
与r2关系;
）控制带电小球之间的距离验证静电力F
板书设计
2 库仑定律
一、库仑定律
1．内容：真空中两个静止的点电荷的相互作用跟它们所带电荷量的乘积成正比，跟它们之间距离的二次方成反比,作用力的方向在它们的连线上
2．库仑定律表达式：F＝k q1q2 r2
3．库仑定律的使用条件：真空中两个点电荷之间相互作用4．点电荷：一种理想模型．当带电体的大小比起相互作用的距离小很多时，带电体可视为点电荷
二、库仑的实验
1．实验方法：控制变量法
2．实验思想：（1）小量放大（2）电荷均分
教学反思
库仑定律是静电学的第一个实验定律，是定量描述点电荷之间的相互作用关系的规律，是学习电场强度的基础，其核心是点电荷之间的相互作用力,理解它的关键就是要理解点电荷．由于它还与力的平衡有密切的联系，所以本节在本学科有重要的地位，本节教学对一些重点、难点知识要进行合理的设计．
1．对于电荷之间相互作用力的定量规律，可以让学生先有一个定性的概念，可以通过实验让学生观察讨论并总结．
2．对于库仑定律需要强调的有：
（1）库仑定律仅适用于计算在真空中两个点电荷的相互作用力，在干燥的空气中也近似成立，而在其他电介质中使用该定律需要增加条件．
(2)由于库仑定律只适用于计算真空中两个点电荷的相互作用力大小,因此在实验演示、给出点电荷的定义之后直接提出库仑定律．（3）库仑定律和万有引力定律之间的相似性可以让学生通过练习，自己认识对比并讨论．
(4）点电荷的电性有正负之分，但在计算静电力的大小时，可
用所带电荷量的绝对值进行计算．根据电荷之间的电荷异同来判断是引力还是斥力．
(5）当一个点电荷受到多个点电荷的作用，可以根据力的独立作用原理进行力的合成分解并进行矢量运算．
3．对比引力常量测定的卡文迪许扭秤实验,说明库仑扭秤实验的原理，帮助学生理解本节知识．
错误!
库仑定律的发现过程与启示
库仑定律可以说是一个实验定律,也可以说是牛顿引力定律在电学和磁学中的“推论”．如果说它是一个实验定律，库仑扭秤实验起到了重要作用，而电摆实验则起了决定作用；即便是这样，库仑仍然借鉴了引力理论，模仿万有引力的大小与两物体的质量成正比的关系,认为两电荷之间的作用力与两电荷的电荷量也成正比关系．如果说它是牛顿万有引力定律的推论，那么普利斯特利和卡文迪许等人也做了大量工作．因此，从各个角度考察库仑定律,重新准确地对它进行认识,确实是非常必要的．
1．科学家对电力的早期研究
人类对电现象的认识、研究，经历了很长的时间．直到16世纪人们才对电现象有了深入的认识．吉尔伯特比较系统地研究了静电现象,第一个提出了比较系统原始理论，并引入了“电吸引"这个概念．但是吉尔伯特的工作仍停留在定性的阶段，进展不大。

18世纪中叶，人们借助于万有引力定律,对电和磁做了种种猜测.18世纪后期，科学家开始了电荷相互作用的研究．
富兰克林最早观察到电荷只分布在导体表面．普利斯特利重复
了富兰克林的实验，在《电学的历史和现状》一书中他根据牛顿的《自然哲学的数学原理》最先预言电荷之间的作用力只能与距离二次方成反比．虽然这个思想很重要，但是普利斯特利的结论在当时并没有得到科学界的重视．
在库仑定律提出前有两个人曾作过定量的实验研究，并得到明确的结论．可惜,都没有及时发表而未对科学的发展起到应有的推动作用．一位是英国爱丁堡大学的罗宾孙,认为电力服从二次方反比律，并且得到指数n＝2。

06，从而使电学的研究开始进行精确研究．不过，他的这项工作直到1801年才发表．另一位是英国的卡文迪许.1772～1773年间，他做了双层同心球实验,第一次精确测量出电作用力与距离的关系，发现带电导体的电荷全部分布在表面而内部不带电．卡文迪许进一步分析，得到n＝20.02。

他的这个同心球实验结果在当时的条件下是相当精确的．但可惜的是他一直没有公开发表这一结果．
2．库仑定律的建立
库仑是法国工程师和物理学家.1785年，库仑用扭秤实验测量两电荷之间的作用力与两电荷之间距离的关系．他通过实验得出：“两个带有同种类型电荷的小球之间的排斥力与这两球中心之间的距离二次方成反比．"同年，他在《电力定律》的论文中介绍了他的实验装置、测试经过和实验结果．
库仑的扭秤巧妙地利用了对称性原理，按实验的需要对电荷量进行了改变．库仑让这个可移动的球和固定的球带上同量的同号电荷，并改变它们之间的距离．通过实验数据可知，斥力的大小与距
离的二次方成反比．但是对于异号电荷之间的引力,用扭秤来测量就遇到了麻烦．经过反复的思考，库仑借鉴动力学实验加以解决．库仑设想：如果异号电荷之间的引力也是与它们之间的距离二次方成反比，那么只要设计出一种电摆就可进行实验．
通过电摆实验，库仑认为：“异性电流体之间的作用力，与同性电流体的相互作用一样，都与距离的二次方成反比．”库仑利用与单摆相类似的方法测定了异号电荷之间的引力也与它们的距离的二次方成反比，不是通过扭力与静电力的平衡得到的．可见库仑在确定电荷之间相互作用力与距离的关系时使用了两种方法，对于同性电荷，使用的是静电力学的方法；对于异性电荷使用的是动力学的方法．
库仑注意修正实验中的误差，最后得到：“在进行刚才我所说的必要的修正后，我总是发现磁流体的作用不管是吸引还是排斥都是按距离二次方倒数规律变化的．”但是应当指出的是，库仑只是精确地测定了距离二次方的反比关系，并把静电力和静磁力从形式归纳于万有引力的范畴,我们这里要强调的是库仑并没有验证静电力与电荷量之积成正比．“库仑仅仅认为应该是这样．也就是说库仑验证了电力与距离二次方成反比，但仅仅是推测电力与电荷量的乘积成正比．”
3．二次方反比定律的验证和影响
库仑定律是二次方反比定律，自发现以来，科学家不断检验指数2的精度。

1971年威廉等人的实验表明库仑定律中指数2的偏差不超过10－16，因此假定为2.事实上,指数为2和光子静止质量为零是
可以互推的。

200多年来，电力二次方反比律的精度提高了十几个数量级，使它成为当今物理学中最精确的实验定律之一．回顾库仑定律的建立过程，库仑并不是第一个做这类实验的人,而且他的实验结果也不是最精确的．我们之所以把二次方反比定律称为库仑定律是因为库仑结束了电学发展的第一个时期．库仑的工作使静电学臻于高度完善．电荷量的单位也是为了纪念库仑而以他的名字命名的．库仑定律不仅是电磁学的基本定律,也是物理学的基本定律之一．库仑定律阐明了带电体相互作用的规律，决定了静电场的性质，也为整个电磁学奠定了基础．库仑从1777年起就致力于把超距作用引入磁学和电学．他认为静电力和静磁力都来自远处的带电体和荷磁体，并不存在什么电流体和涡旋流体对带电物质和磁体的冲击；这些力都符合牛顿的万有引力定律所确定的关系．库仑提供了精密的测量，排除了关于电本性的一切思辨．库仑的工作对法国物理学家的影响还可以从稍后的拉普拉斯的物理学简略纲领得到证实．这个物理学简略纲领最基本的出发点是把一切物理现象都简化为粒子间吸引力和排斥力的现象,电或磁的运动是荷电粒子或荷磁粒子之间的吸引力和排斥力产生的效应．这种简化便于把分析数学的方法运用于物理学．因此，理论物理学首先能在法国兴起．
另外，从库仑定律的建立过程中，类比方法在科学研究中有重要作用．但是一些类比往往带着暂时的过渡性质，它们在物理学的发展中只是充当“药引子”或者“催化剂"的作用．因此,物理学家借助于类比而引进新概念或建立新定律后，不应当局限于原先的类比，不能把类比所得到的一切推论都看成是绝对正确的东西，因为类比、
假设不过是物理学家在建筑物理学的宏伟大厦时的手脚架而已，大厦一旦建成，手脚架也就应该拆除了．。