高二物理教案電場及其描述

1、1.3 電場及其描述【教學(xué)目的】1、了解電場 ,了解場是一種物質(zhì).場和實(shí)物是物質(zhì)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(zhì)間接對另一電荷施加靜電力的作用.2、理解電場強(qiáng)度,會(huì)計(jì)算電場強(qiáng)度.理解其矢量性與疊加性,但不要求作復(fù)雜的疊加運(yùn)算.3、知道電場線的物理意義.會(huì)用電場線描述電場的強(qiáng)弱和方向,了解點(diǎn)電荷電場和勻強(qiáng)電場等幾種電場線的分布特征.【教學(xué)重點(diǎn)】理解電場強(qiáng)度,會(huì)計(jì)算電場強(qiáng)度.理解其矢量性與疊加性,但不要求作復(fù)雜的疊加運(yùn)算.知道電場線的物理意義.會(huì)用電場線描述電場的強(qiáng)弱和方向,了解點(diǎn)電荷電場和勻強(qiáng)電場等幾種電場線的分布特征【教學(xué)難點(diǎn)】了解電場 ,了解場是一種物質(zhì) .場和實(shí)物是

2、物質(zhì)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(zhì)間接對另一電荷施加靜電力的作用【教學(xué)媒體】實(shí)驗(yàn)器材：有水龍頭的實(shí)驗(yàn)室梳子絲綢 .玻璃棒 .帶絕緣座的金屬球 .絕緣細(xì)線 .鐵架臺(tái) . 帶電小球課件：視頻 模擬電場線實(shí)驗(yàn)， 揭密片段，flash課件 模擬電場線【教學(xué)安排】【新課導(dǎo)入】利用視頻 揭密 中大師遠(yuǎn)處發(fā)功推動(dòng)桌面上裝水的搪瓷臉盆，實(shí)際上是桌下的人用強(qiáng)磁鐵吸引搪瓷（里面是鐵）運(yùn)動(dòng)教師聲稱自己也會(huì)發(fā)功，（演示實(shí)驗(yàn)）用梳過頭的梳子吸引細(xì)小水流請學(xué)生來揭密導(dǎo)出電荷之間的作用力與磁體之間的作用力都可以不通過接觸產(chǎn)生 因此施力體比較隱蔽， 常被魔術(shù)師借用， 甚至被騙子利用， 我們對這些

3、看起來似乎是不可思議的現(xiàn)象， 首先要用科學(xué)的方法去分析， 要仔細(xì)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(chǎn)生 這種作用力是怎么從一個(gè)物體到另一個(gè)物體的呢？這在歷史上有過長期的爭論：一種觀點(diǎn)認(rèn)為這種作用力是超距作用，從一個(gè)物體到另一個(gè)物體是直接的不需要介質(zhì)也不需要時(shí)間，這種方式可以表示為：電荷電荷；另一種觀第1頁共8頁點(diǎn)以在 19 世紀(jì) 30 年代法拉第為代表， 認(rèn)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(chǎn)生了一種由電或磁產(chǎn)生的物質(zhì)，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

4、其中的某些物體（如電場對放入場中的電荷）產(chǎn)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(nèi)容】場是真實(shí)存在的：教師提問：如何判斷超距作用和場這兩種觀點(diǎn)誰正確？（學(xué)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(zhì)無關(guān)，且不需要時(shí)間教師指出： 實(shí)際上法拉第通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電荷間的作用力與中間介質(zhì)有關(guān)，不同的介質(zhì)作用力不同 現(xiàn)代物理學(xué)還發(fā)現(xiàn)這種作用力從一個(gè)物體到另一個(gè)物體需要時(shí)間，這都證明了場的存在場雖然不象實(shí)物，它看不見，摸不著，但是客觀存在的在后來的許多物理學(xué)家的研究下，發(fā)現(xiàn)場也與實(shí)物一樣有質(zhì)量和能量電荷周圍有電場，磁體周圍有磁場，物體周圍

5、有引力場 因此我們現(xiàn)在學(xué)習(xí)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(zhì)形態(tài)，電視臺(tái)和無線電廣播電臺(tái)就是靠激發(fā)電磁場的方式發(fā)送各種節(jié)目信號(hào)的。雖然電磁場“看不見 ”“摸不著 ”，但是我們卻可以在遠(yuǎn)離發(fā)射塔的地方，用電視機(jī)和收音機(jī)接受到它們發(fā)送的節(jié)目信號(hào)，這就是電磁場客觀存在的很好例證。本節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)描述電場的重要概念。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(tái)上 )是否存在電場 ?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?qū)μ幱趫鲋械碾姾墒┘恿Φ淖饔谩？衫秒姾蓹z驗(yàn)其是否受電場給的力

6、來檢查電場的存在。（如圖 1）拿一個(gè)帶電體放入這個(gè)區(qū)間,看它是否受力產(chǎn)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(yàn)的帶電體本身電量較小，我們稱這種帶電體為檢驗(yàn)電荷或試探電荷。(演示實(shí)驗(yàn) :用試探電荷檢驗(yàn)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(yàn)電荷 q。 )第2頁共8頁教師指出： 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q對電荷q2 產(chǎn)生靜電力（或說庫侖力）,現(xiàn)在應(yīng)該怎么說 ?回答：電荷q1 產(chǎn)生電場 ,這個(gè)電場對電荷q2 產(chǎn)生作用力。電場對放入其中的帶電

7、體能產(chǎn)生電場力，這是電場的基本性質(zhì)之一。所以我們可以選擇一個(gè)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(chǎn)生的電場中的不同位置，觀察檢驗(yàn)電荷 q 受到的電場力有何特點(diǎn)。電場強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)探究場強(qiáng)的定義：實(shí)驗(yàn)一：教師有意將試探電荷緩慢地移過不同位置.引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察絲線的傾斜方向?，F(xiàn)象：鋁箔球在電場中不同方位均有偏轉(zhuǎn)，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(shí)驗(yàn)二：鋁箔球逐漸遠(yuǎn)離場源，注意觀察絲線偏離豎直方向的角度?，F(xiàn)象：偏角逐漸減小。問：由這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)我們能得到什么結(jié)論？學(xué)生答后教師歸納：以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，在電場中不同點(diǎn)，電場對檢驗(yàn)電荷施加的電場力的大小和方向一

8、般是不同的。比如在a 點(diǎn)電場對電荷施加方向向右的作用力，在d 點(diǎn)電場對電荷施加方向向左的作用力，在a 點(diǎn)電場對電荷的作用力大，在b 點(diǎn)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(xué)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(qiáng)呢?怎么說明 ?討論： 用檢驗(yàn)電荷受到的電場力，行嗎？（學(xué)生討論估計(jì)多數(shù)學(xué)生會(huì)說可以，電場力大的說明電場強(qiáng)，教師保留問題，繼續(xù)實(shí)驗(yàn)三）實(shí)驗(yàn)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(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論在電場中同一點(diǎn)，檢驗(yàn)電荷

9、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(gè)與檢驗(yàn)電荷的電量無關(guān)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(zhì)和試探電荷都有關(guān). 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(qiáng)弱呢 ?第3頁共8頁學(xué)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(shí)驗(yàn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)： 在電場中同一點(diǎn)，電場力不僅隨檢驗(yàn)電荷的電量的減小而減小，隨電場力的增大而增大，而且跟檢驗(yàn)電荷的電量之間存在定量關(guān)fa2fanfa定值 1q2qnq系 。 比 如 ： 在 a點(diǎn) 有； 在 b點(diǎn) 有fb2fbnfb定

10、值 2q2qnq在電場中同一點(diǎn)，比值f q 是一個(gè)與檢驗(yàn)電荷和電場力無關(guān)的量，而在電場中不同點(diǎn)，比值一般不同， 因而比值反映電場的性質(zhì)。所以我們可以用它來描述電場，并把它定義為電場強(qiáng)度。電場強(qiáng)度定義：放入電場中某點(diǎn)的電荷受到的電場力與它電量的比值，叫這一點(diǎn)的電場強(qiáng)度，簡稱場強(qiáng)。符號(hào)： eef定義公式：q ；公式表明電場中某點(diǎn)的場強(qiáng)在數(shù)值上等于單位電荷在該點(diǎn)受到的電場力。其中 f 為試探電荷 q 在場中某點(diǎn)受到的電場力，e 為該點(diǎn)場強(qiáng)。注意，電場e 不是電荷 q 產(chǎn)生的，所以 e 的大小與 q 無關(guān)。因此不能說e 與 q 成反比，與 f 成正比。單位： n c規(guī)定電場中某點(diǎn)場強(qiáng)的方向?yàn)檎姾稍谠?/p>

11、點(diǎn)受到的電場力的方向。所以場強(qiáng)是矢量。一般電場中不同點(diǎn)，場強(qiáng)的大小及方向不同，場強(qiáng)大的地方，電場強(qiáng)，場強(qiáng)小的地方，電場弱，通常我們也把場強(qiáng)的大小和方向叫做電場的強(qiáng)弱和方向。圖 3ef由于我們是從一般電場出發(fā)引入場強(qiáng)的定義的，所以q 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(diǎn)。說明哪點(diǎn)的場強(qiáng)最大？標(biāo)出 a、 b、 c 三點(diǎn)的場強(qiáng)方向。若在 c 點(diǎn)放一負(fù)電荷，標(biāo)出負(fù)電荷受到的電場力的方向。答案略。真空中點(diǎn)電荷電場的場強(qiáng)圖 4下面我們以一個(gè)特殊的電場 真空中點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場為例，分析場強(qiáng)的物理意義。第4頁共8頁例 2：在真空中 a 點(diǎn)有一正點(diǎn)電荷 q=2.0

12、10-4c，把試探點(diǎn)電荷 q=2.0 10-5c 的負(fù)電荷置于 b 點(diǎn)，它們相距 r=2m ，如圖所示。求： （ 1） q 受的電場力；（ 2） q 所在點(diǎn)的電場強(qiáng)度；（ 3）只將 q 點(diǎn)電荷換成 q/=4.0 10-5c 的正電荷，再求 q/ 受力和 b 點(diǎn)的場強(qiáng)；（ 4）將受力電荷拿走，再求 b 點(diǎn)場強(qiáng)。 * （ 5）若將 q 拿走呢？答案略。qq解析 :在點(diǎn)電荷 q 形成的電場中 ,距 q 為 r 處放入點(diǎn)電荷 q，q 受的電場力即庫侖力f k r 2，fqq根據(jù)場強(qiáng)定義或該處場強(qiáng)為eqk r 2（r可取任意值），因此 e k r 2 即為點(diǎn)電荷在真空中場強(qiáng)公式，其中 q 為場源電量，

13、r 為某點(diǎn)到場源的距離。k 為靜電常數(shù)。 +q 受力方向即為該點(diǎn)場強(qiáng)方向（如圖所示）。若把 +q 換成 -q，所受電場力方向正與場強(qiáng)方向相反，但仍與圖中相同， 說明場強(qiáng)不以電荷和力為轉(zhuǎn)移。即正電荷場強(qiáng)向外， 負(fù)電荷場強(qiáng)向內(nèi)， 離場源電荷越遠(yuǎn)，場強(qiáng)越小。幾點(diǎn)注意 :qfee k r 2 是適用于點(diǎn)電荷在真空中的電場，但是決定式； 而q 適用各種電場， 是定義式，而非決定式 . 場強(qiáng)的大小與方向跟檢驗(yàn)電荷的有無、電量、電性沒有關(guān)系。圖 5場強(qiáng)的大小只由場源電荷和場點(diǎn)到場源的距離來決定。離場源電荷越近的點(diǎn)場強(qiáng)越大，離場源電荷越遠(yuǎn)的點(diǎn)場強(qiáng)越小。場強(qiáng)的疊加 對于多個(gè)電荷產(chǎn)生的電場，同樣遵從平行四邊形法則

14、。兩個(gè)電荷 +q 和 q同時(shí)存在時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明它們產(chǎn)生的電場互相獨(dú)立、互不影響，p 點(diǎn)的場強(qiáng)是e1 和 e2 疊加的結(jié)果，遵從平行四邊形法則，如圖5 所示（板畫） 。例 3：（ x 軸上 a、 b 兩處分別放有兩個(gè)點(diǎn)電荷（圖6）， a 處為 q,b 處為 +2q,在 x 軸上某處 ,兩個(gè)電荷各自產(chǎn)生電場強(qiáng)度數(shù)值為ea 和 eb,則圖 6()a.ea=eb之點(diǎn) ,只有一處 ,該處合場強(qiáng)為 0;ea=eb之點(diǎn)有兩處 ,一處合場強(qiáng)為 0,另一處合場強(qiáng)為 2eaea=eb之點(diǎn)共有三處 ,其中兩處合場強(qiáng)為0;另一處合場強(qiáng)為2eaea=eb之點(diǎn)共有三處 ,其中一處合場強(qiáng)為0,另二處合場強(qiáng)為2ea解析：根據(jù)題

15、意畫出圖 6。第5頁共8頁圖 8eqeq1kk22在 ab 之間某點(diǎn) x1,q 在 x1 處產(chǎn)生的場強(qiáng)ara 2，+2q 產(chǎn)生的場強(qiáng)brb 2。當(dāng) r a2rb時(shí)， ea=eb。 ea 方向向左， eb 的方向向左，合場強(qiáng)e=2ea。在 a 點(diǎn)左側(cè) x2 處， ax2=ra， bx2=rb， r a2 2r b2存在。 ea=eb， ea 的方向向右， eb 的方向向左，合場強(qiáng) e=0。r a21rb2ea=eb不存在。在 b 點(diǎn)右側(cè) x3 處， ax2 bx2，2不可能，所以 ea=eb之點(diǎn)有兩處 ,且合場強(qiáng)一為0,另一為 2ea,答案應(yīng)選 b.由上面例題可見： 電場強(qiáng)度概念能定量描述各點(diǎn)電

16、場的性質(zhì)。但電場中各點(diǎn)場強(qiáng)的大小和方向的分布是非常復(fù)雜的，我們?nèi)绾畏奖愣中蜗蟮亓私怆妶鲋懈鼽c(diǎn)場強(qiáng)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(qiáng)矢量，從這個(gè)圖上我們可圖 7以很方便地了解正電荷周圍各點(diǎn)的電場分布情況，但它還不是最好的， 因?yàn)殡妶鲋杏袩o數(shù)個(gè)點(diǎn)，我們不能畫出無數(shù)個(gè)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。電場線電場線是描述電場強(qiáng)度分布的一族曲線.描述方法 :用曲線的疏密描述電場的強(qiáng)弱,用曲線某點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)場強(qiáng)方向.實(shí)驗(yàn)觀察（課件歸納）各種電場的電場線：如圖8。實(shí)驗(yàn)?zāi)M幾種典型的電場線。圖 8問 1：任意兩條電場線都不會(huì)

17、相交，這是為什么？教師歸納：如果相交，則交點(diǎn)就會(huì)有兩個(gè)切線方向，而同一點(diǎn)場強(qiáng)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有什么特點(diǎn)？從圖 9 中可看出 ,e1 為 +q 在 a 處的場強(qiáng) ,e2 為 q 在 a 處的場強(qiáng) ,e 為 e1與 e2 的合場強(qiáng) ,正好為電場線在 a 的切線。兩個(gè)點(diǎn)電荷形成的電場中,圖 9每條電場線上每個(gè)點(diǎn)符合上述的關(guān)系。教師歸納：電場線總是從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷或無窮遠(yuǎn)，如果只有負(fù)電荷，則電場線來自無窮遠(yuǎn)，終止于負(fù)電荷。它是不閉合的曲線.大家要特別注意一個(gè)問題： 我們雖然可以用實(shí)驗(yàn)?zāi)M電場線的分布，但是，電場線并不是第6頁共

18、8頁電場中真實(shí)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(xué)中是非常重要的。雖然法拉第當(dāng)時(shí)認(rèn)為電場線是真實(shí)的曲線，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(jié)：電場線具有以下特點(diǎn)：在靜電場中 ,電場線從正電荷起,終于負(fù)電荷 ,電場線不能相交 ,否則一點(diǎn)將有兩個(gè)場強(qiáng)方向 .電場線不是電場里實(shí)際存在的線,是為使電場形象化的假想線 .勻強(qiáng)電場實(shí)驗(yàn)觀察：兩塊靠近、正對且等大平行的金屬板,分別帶等量正負(fù)電荷時(shí)的電場線?，F(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 所示圖 10提問：象這樣的電場線說明了其場強(qiáng)分布有何特點(diǎn)？討論：其場強(qiáng)（邊緣除外）大小處處相等，方向與板垂直，從正板到負(fù)板。教師指出： 在電場的某一區(qū)域里,如果各點(diǎn)場強(qiáng)大小和方向都相同,這個(gè)區(qū)域的電場叫勻強(qiáng)電場我們把這種電場稱為“勻強(qiáng)電場”。例 4：書 p18/ 例解答略。例 5：如圖 11 所示 ,一個(gè)質(zhì)量為3