库仑定律教学设计-人教课标版(新教案)

刘永华

（江苏省如东高级中学）

一．教学设计思想

高中物理新课程标准将学生探究能力的培养作为物理教学的目标之一，而探究性教学法是培养学生科学探究能力和创新能力的一种重要的教学方法。与传统的教学方式相比较，探究性教学方式，旨在强化学生的体验，通过对知识的探究，懂得知识形成的过程和获取的方法，从而拓展学生的思维能力和培养学生的创新能力。在教学中，应面向全体学生，开展多样化的探究活动。另外，多媒体技术和现代实验技术为建构主义学习环境的实现提供了最理想的条件；建构主义学习理论和教学理论，为实现基于多媒体和现代实验技术为基础的、以学生为中心的教学模式提供了理论基础。为此，我在设计中力求体现：以学生发展为本，面向全体学生，根据学生的实际情况选择教学方法；凸显“提出假设、实验验证、得出结论”的科学探究的基本过程，同时注重科学方法的渗透，培养学生良好的物理思维习惯；在探究学习中，鼓励学生自由想象，敢于提出自己的假设和预见、敢于动手实验验证并归纳出自己的结论，让每个学生都能体会到物理规律产生的艰辛过程，同时进一步培养学生的团队协作、共同探究的科学素养。

二．学习任务分析

本节内容的核心是库仑定律，它不仅是电磁学的基础，也是物理学的基本定律之一，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。

由于学生对静电力缺少感性认识，为本节课的学习带来了一定的困难。为此，先由简单的实验入手，在学生对静电力有了一定的感性认识后，再分为二个环节进行探究：先定性探究，后定量探究。每一次探究，都遵循科学探究的基本过程，从而使库仑定律的得出水到渠成。

%

教学重点：库仑定律及适用条件

教学难点：库仑定律的建立

三．学习者分析

学生已初步掌握了用实验探究物理规律的基本过程，有较强的动手能力，具有较好的思考、质疑、交流与合作的学习习惯；学生已通过“电荷及守恒定律”的学习，知道自然界中的两种电荷及使物体带电的方式，掌握了电荷守恒定律及基本应用；通过预习，学生迫切希望掌握有关静电的规律及应用，这些为本节探究性学习的顺利进行奠定了良好的基础。四．教学目标

．知识与技能

（）会用控制变量法探究影响静电力大小的因素。

（）理解点电荷是一种理想化的模型。

;

（）了解库仑扭秤，掌握库仑定律的文字表述及其表达式。

（）通过静电力大小的探究过程，培养学生观察、探究及实验的综合能力。

．过程与方法

（）通过实验探究静电力的大小，得出库仑定律，并体会物理学实验探究的一般过程。 （）以库仑扭秤实验为载体，渗透物理文化和科学思想方法的教育。 ．情感态度与价值观

（）感悟科学探究的方法，领悟实验在物理学科中的地位的作用。 （）体验和分享探究成功的喜悦，对科学探究产生浓厚的兴趣。

、

（）通过静电力与万有引力的类比，使学生体会到自然规律的多样性和统一性，体会到

自然界和谐与多样而统一的美。

（）使学生养成与他人合作、交流、反思的习惯，培养学生的共同探究和团队协作精神。 五．教学准备

．多媒体课件、感应起电机、数据采集器、力传感器、金属丝一根、库仑扭秤、静电天平、电脑等；

．学生分组实验准备：玻璃棒、橡胶棒（各二根）、丝绸、毛皮、感应起电机、悬挂的外面包有金属箔的泡沫塑料小球、带有绝缘底座的金属球二个、物理支架、完全相同的金属箔（三块）、静电天平等。 六．教学过程 （一）．创设情景，引入新课

学生分组实验：电荷间有相互作用力 # ．教师指导学生完成以下两个实验：将一玻璃棒的中点用绝缘丝线悬挂在物理支架上，使之呈水平、平衡，再用丝绸摩擦其一端。

①用另一与丝绸摩擦过的玻璃棒的一端，接近； ②用一与毛皮摩擦过橡胶棒接近。 ．让学生分析实验现象。

学生回答、教师点评：电荷间有相互作用力；且同种电荷相互推斥、异种电荷相互吸引。电荷间的相互作用力称为静电力，或库仑力。 ．组织学生对影响静电力大小的可能因素

进行猜想，分组讨论后汇报讨论结果，教师用

课件投影到屏上。

．教师引导学生分析：我们从最简单的情

景入手。首先研究真空中电荷间的静电力，这

样可以不要考虑电荷周围可能存在的复习外

部环境了；最好也能忽略电荷的形状、大小及电荷的分布对静电力的影响。进而提出问题：我们曾经学过的什么模型，可以忽略物体的形状、大小

在学生讨论、汇报后，师生一起小结：当带电体间的距离比它们自身的大小大得多时，以至带电体的形状、大小及电荷的分布状况对它们之间相互作用力的影响可以忽略不计时，这样的带电体可以看作带电的点，叫做点电荷。可见，点电荷和质点一样，都是一种理想化的模型。

体会：创设与主题相关的、真实的物理情景，可以激发学生学习的兴趣和好奇心。物理实验是创设真实情景最有效的工具。对实验现象的分析，既复习了上一节课的知识，又自然地引入即将要探究的电荷间作用力的课题上来。

探究始于问题，培养学生的问题意识是培养学生探究能力的首要目标。而由现实情景切入课题，很自然地激发学生对可能的答案进行猜想和思考。在教学过程中，教师要有足够的

影响静电力大小的因素：

带电体的电荷量、；

~

带电体间的距离；

带电体的形状、大小

耐心听取学生的汇报，不可为了确保教学内容的完成而简单地否定学生的猜想，否则会大大地挫伤学生探究的积极性。相反，利用学生对带电体的形状、大小及环境因素的猜想，能很自然地过渡到对“点电荷”的教学。这符合学生的认知特点，既为后续的探究指明了方向，也能使学生更好地理解库仑定律的适用条件。同时也指出可用空气中电荷间的相互作用来模拟真空中电荷间的相互作用。 （二）．实验探究，新课教学 、

探究：定性探究影响静电力大小的因素

．明确探究的目的。由上面的分析，学生明确了下面用实验验证静电力与带电体的电荷量、、、距离之间的关系。教师指导学生观察桌面上器材。

自行设计探究方案。如何探究如何改变小球的带电量小组内先讨论探究方案。

学生汇报、教师点评：可以采用控制变量法。根据电荷守恒定律，用不带电的小球与带电球接触可以改变电荷量。

．教师指导学生利用感应起电机使金属球和包有金属箔的泡沫塑料小球带上同种电荷。再让学生自主探究，将现象汇报到课堂上。

．根据学生代表的汇报，教师边用动画模拟实验现象、边引导学生分析，再得出结论，用课件投影到屏上。

体会：这个阶段是实施探究、促进建构的

教学过程。让学生进行自主探究，使学生

通过实验获得对静电力的充分的感性认

识，并以此为基础归纳总结出静电力与电

荷量、电荷间距离的定性关系，即让学生经历了“提出假设、实验验证、得出结论”

的科学探究的基本过程，从而促进了学生对物理规律的深刻理解，符合学生学习物理规律的内在建构过程。在探究中，使学生初步体会通过接触起电“分走电荷”的思想，为静电力大小定量探究的顺利进行埋下了伏笔。

探究：定量探究静电力的大小与电荷量、距离的关系 ．启发思维，提出假设：

教师用课件展示下面问题，组织学生

讨论。

'

再引导学生猜想：静电力会与带电量、及距离间有何种关系能猜想它们的关系式吗

各小组讨论、各抒己见。教师总结，并用课件将结果投影到屏上并板书。 之后 ，教师用简洁的语言介绍库仑定律发现前夕的历史背景：许多人都猜测静电力与万有引力有着某种相似，卡文迪许等人都确信“平方反比”规律适用于静电力。但由于当时电量不可以测定，所以这样的猜测无法得到证实。后来库仑受到卡

影响静电力大小的因素： 静电力与带电体的电荷量和带电体间的距离有关； （

距离一定时，电荷量越小，静电力越小

万有引力是两个物体因质量而具有的吸引力，大小与、及有关； 静电力是两个物体因带电而具有的吸引力，大小与、及有关。 库仑定律

一．定量探究静电力的大小 ．提出假设：

由万有引力：2

2

1r m m G

F = 类比 静电力：2

2

1r

Q Q k

F =

文迪许测定万有引力常量的扭秤实验的启发，突发灵感，设计出了库仑扭秤。（此处要肯定学生也具备了一定科学洞察力。） 【

接着，边引导学生观察库仑扭秤的实物，边用多媒体动画演示库仑扭秤的主要结构。

库仑扭秤的结构如图。在细银丝下悬挂一根绝缘型架，它的一端是一个带电金属小球，另一端有一不带电的球，与的重力平衡。在旁还置有另一与它一样大小的固定小球。为了研究带电体之间的作用力，先使、各带一定的电荷，这时型架会因端受力而偏转。

．经典实验赏析

（）精妙绝伦的设计思路

为了帮助学生理解库仑扭秤的原理，师生一起完成以下的探究活动——探究细金属丝的扭力与角度的关系

另取一根金属丝，一端与测扭力的传感器、数据采集器相连并固定在物理支架上，接到电脑上，金属丝的另一端有一个小指针，转动时的角度可由下方的量角器读出，请一位同学配合教师完成实验，实验现象直接用投影仪投影到屏幕上。由同学读出指针转过的角度，教师将数据输入电脑，经电脑处理得到扭力随角度θ变化关系的图象：一条过原点的倾斜直线，即∝θ。使学生认识到，库仑扭秤的精妙之处在于：通过测量悬丝扭转的角度可以比较当时不可测量的静电力的大小，即“放大微小量的方法”。 （）模拟大师的探究过程 （

①教师借助动画模拟用库仑扭秤探究“电荷量不变时静电力随距离的关系”的过程。 ②展示库仑当年部分实验数据，组织大家追随物理大师的思想一起探究。 两带电小球的电荷量不变时：

学生讨论，得出结论。

教师用课件投影并板书。

)

③提出问题：如何探究距离不变时，随、、的变化学生已经历了探究的过程，很容易想到用一个不带电的金属球与完全相同的带电金属球接触时电荷量平分。

教师在点评时，要及时鼓励、表扬学生有“等分电荷”的创意。

要求学生简要说明“距离不变时，探究∝·2”的过程。教师作补充、点评：保持距离不变、小球的电量不变，只改变小球的电量，得到∝；由于对称性，也将有∝：。这样就得到了：

实验次数

、球的距离

金属丝扭转的角度

个刻度 ︒36 & 个刻度 ︒144

个刻度

︒5.575

库仑定律

一．定量探究静电力的大小 ．提出假设： ．实验验证： 当、、不变时，∝21r

∝· 。课件播放、教师板书。

最后，简要介绍库仑在静电方面的贡献：

库仑得用自己设计的扭秤在真空环境下进行

了大量的精确实验，得到了“平方反比”定律，

并测出了比例系数，从此使人类对电学方面的

研究进入到了定量的阶段。 体会：定量探究静电力的大小，是本课的

关键环节。先由类比法，引导学生从已知的万

有引力公式猜想真空中点电荷之间的静电力

的大小表达式，再向学生展示库仑扭秤的实验装置、动画模拟实验过程、分享当年库仑的实验据从而得到实验结论。这样设计，既体现探究的基本过程，能使学生的思维始终被物理大师的思想和方法所吸引，使这个经典的物理实

验所蕴含的物理文化和科学思想得到较好的展示，又能使学生感受到理论与实践的相互依存的关系。

由于学生未学过力矩，且对扭力感受不深，特设计了“探究细金属丝的扭力与角度的关系”的探究。这样做，能为学生更好地理解库仑扭秤实验的巧妙之处扫清了障碍。 ．学生自主探究

设难置疑：物理大师精妙绝伦的实验不易在今天的课堂上重现。但我们可以借助课桌上器材：一架由物理天平改装后静电天平、三个完全相同的金属箔、、，绝缘夹子等。如何探究静电力的大小组内讨论，提出方案。

小组汇报后，教师组织班级集体讨论。教师要引导、启发学生，一起将实验的原理、方案补充、完善：实验开始前，在左边放上金属箔，移动游码使天平平衡（为节约时间，事先已将此天平调节平衡），读出游码所对读数；再将另一金属箔用绝缘夹及支架固定在的正上方，可用摩擦起电使、同时带上同种电荷，这时由于静电斥力的作用，天平失去平衡，再次移动游码使天平平衡，读出读出游码所对读数，则静电斥力的大小 （ ）△，即：∝△。要探究与、、的关系，只要探究△

与、、的关系。由于已经了解库仑扭秤实验，学生容易知道探究时还是采用“控制变量”的方法和“等分电荷”的思想。

；

体会：虽然学生对天平很熟悉，但用于研究静电力却有较多的学生一时不易理解。所以

教师在引导学生时，可用课件播放体现上述步骤的视频资料，让学生获得感性认识，有助于下面的探究活动的顺利进行。这个过程要启发学生共同参与，而不是全部由教师讲解，因为没有学生参与的教学过程是典型的灌输式教育，不符合现代教育理论。

教师组织学生分两大组进行探究活动：第一大组，探究当、、不变时，与的关系；第二大组，探究不变时，与、、的关系。要求学生自己设计记录表，记录实验数据，并进行数据处理。

教师巡视指导，及时解决实验中的可能出现的问题。待学生完成探究活动后，各选一组数据记录表，投影到屏幕上，并由提供数据的学生代表进行分析、归纳结论。如：

表 电荷量不变，.

一．定量探究静电力的大小 ．提出假设： ．实验验证： 当、、不变时，∝21r 当不变时， ∝· * 即：∝2

2

1r

Q Q

．得出结论：2

2

1r Q Q k F

表 距离不变，.

以表为例，要求学生汇报数据处理的方法，并给出探究结论。

学生：我们小组是直接观察表中的数据，发现越大，越小，但△·基本相等，间接表明了△∝

21r ，即：∝2

1r . 学生：我们认为可以利用图象处理数据，以△为纵轴，以2

1

r 为横轴，但还没有来得及画（学生显得有些紧张无措）。 ……

$

教师充分肯定学生的思路，指出列表法和图象法是处理实验数据的常用方法。教师将学

生得到的数据输入电脑，由计算机绘制出△、△

r 1、△21

r 、△r

1的图象，让学生讨论得出实验结论：电量不变时，△∝

21

r

， 即：∝

2

1r . 组织学生比较上述两种数据处理方法的不同，使学生认识到在探究物理量之间的关系时，图象法更为准确、直观，利用线性关系很容易得到两个量之间的定量关系。同时对图象中偏离较远的点进行误差分析，并提出减小误差有方法，从而体会为什么要用较小的金属箔片。

再引导学生表中的数据，得出：不变时，∝·，

最后归纳可得：2

21r Q Q k F =. 体会：展示库仑当年的实验数据，是对不易进行的扭秤实验的一个巧妙处理，节省了课堂教学时间，但也有弊端：加深了学生对物理大师的盲目崇拜，不利于学生科学素养的提高。用静电天平进行的分组实验，既能对无法重现库仑实验的缺憾的弥补，更能使学生在实验原理的探究、实践操作、数据处理、得出结论等方面的综合能力得到提高，更加体会到了库仑定律的建立过程，加深了对库仑定律的理解。教学中通过教师引导、学生探究、相互交流、课堂点评、得出结论等环节，形成了对库仑定律的集体建构，使库仑定律的得出水到渠成，符合“探究建构”的教学理念。当然，验证库仑定律还有其它方法，课堂上不可能一一展示，可由学生课后自己研究。

（三）．总结提高，得出结论

理解库仑定律：

"

教师用课件播放库仑定律的内

容，边引导学生分析，边板书。

%

（四）．形成性练习

播放课件：习题由学生自主完成。

最后教师引导学生体会：

（）微观粒子之间的万有引力远小

于库仑力，因此在上面进行的实验探

究时，都可以把万有引力忽略。

（）万有引力和库仑力在产生原

因、方向性方面有区别，说明了自然规律的多样性；两者都遵循“平方反比”规律，表达形式相似，说明自然界具有统一性。进一步体会到自然界的和谐、多样而统一的美。

（五）．课后延伸，加深理解

（）上网查阅有关科学家库仑生平、库仑定律的实验及改进的相关资料；

%

（）阅读教材.科学漫步——静电复印。

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八．教后反思：

．本节课主要有以下特点：

（1）在教学方法上，采取以学生为主体，以教师为引导，以分组协作探究为主要方式，让学生亲身感受物理规律的探究过程，体会到“提出假设、实验探究、得出结论”

的科学探究的基本过程；关注学生猜想能力的培养，并使学生养成良好的严谨、理性的物理思维习惯；提高了学生的综合素质。

（2）在教学中合理使用了多媒体课件，对学生的探究过程进行合理的引导，及时解决探究过程中疑难问题，降低了探究难度。

（3）注重科学方法的学习和渗透。如：忽略次要因素抓住主要因素得出点电荷是一种理想化模型、类比法、对称法及守恒的科学思想；又如：通过库仑扭秤实验体现微小量的放大法、控制变量法、相同金属小球接触时的“电荷平分”的思想。

（4）通过静电力与万有引力和类比，使学生体会到自然规律的多样性和统一性，体会到自然界的和谐、多样、统一的美。

总之，本节课的设计体现了“让学生感受、理解知识产生和发展的过程，培养学生的科学精神和创新思维习惯，重视学生搜集处理信息的能力、获取新知识的能力、分析问题和解决问题的能力”教学理念，符合建构主义的“教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者；学生要由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者”的思想。

．说明：

（）要成功完成静电实验的关键是要创设一个干燥的环境，课前应提前采取措施，确保课堂教学的顺利进行。

（）由于学生探究要较多的时间，可让学生课前做好预习。

（）由于受教学时间的，仅对静电斥力大小的探究，未涉及静电引力，这可由课后作业来补充。