教學目標
知識目標
1.知道什么是電場;
2、理解電場強度的概念勻強電場,掌握電場強度點的定義、電場強度方向的單位及規定;
能力目標
能夠認識電場的物質性,理解物理學中用比率定義物理量的方法;
情感目標
電場雖然看不見摸不著,但確實存在,我們可以通過它所表現出的性質去研究和理解它,這是物理學中常用的研究方法,研究它也可以有助于建立科學的方法論。
教學建議
重點難點分析
1、重點讓學生理解電場強度的概念,掌握電場強度的計算方法。
2. 電場強度是描述電場性質的物理量之一,是本節的難點,初學者應注意不要將電場強度與電場力混淆。
教材關于電場強度定義的分析
電場強度雖然是用測試電荷所受電場力與電荷量的比值來定義的一個物理量,但它與測試電荷是沒有任何關系的。場強度與測試電荷所受電場力既不成正比,也不與測試電荷的量成反比。也就是說,電場中某一點的電場強度與該點放置的測試電荷的大小、電荷的正負號、該點是否有測試電荷都沒有任何關系。電場強度與產生電場的源電荷以及該點在電場中的位置有關。
關于電場概念教學的建議
在解釋電場這個概念的時候,要注意強調電場的物質性,即電荷之間的相互作用是通過電場這個介質完成的。由于電場是看不見、摸不著的,所以它是客觀存在的。解釋的時候可以拿它和引力場做類比,也可以把它和現代科技聯系起來,比如衛星信號的傳輸就是通過電磁場這個介質完成的。
關于電場強度教學方法的建議
電場強度是電學知識中最基本的概念之一,是描述電場力的性質的物理量,電場強度的研究是本章的難點內容。
電場強度是描述電場性質的重要物理量,是教學的重點。教材以點電荷產生的電場為例進行說明和討論。同一個測試電荷在電場中的不同位置受到的電場力是不同的,電場強度定義為電場中不同位置的電場力與測試電荷的電荷量的比值。這也說明電場在電場中的不同位置對電荷的作用是不同的。教學中可以說明,在電場中的同一點,如果改變測試電荷的電荷量,則測試電荷受到的力也會成比例地變化。測試電荷受到的電場力與電荷量的比值是一個常數,由此引出了電場強度的概念。
注意電場強度與電場力的區別和聯系
項目
電場強度E
電力F
區別
物理意義
反映電場本身的力的性質。
指電場中作用于電荷的力。
決定因素
在電場中某一點,E為常數,用E=F/q來衡量,由電場本身決定,與測試電荷的有無無關。
該力的大小由電場力所帶電荷q與電場中該點電場強度E的大小決定,即F=qE。
矢量的方向
場強的方向與置于電場中的正電荷所受電場力的方向相同。
正電荷上電力的方向與電場強度的方向相同,負電荷上電力的方向與電場強度的方向相反。
單元
牛頓/庫侖或伏特/米
牛
連接
F=等式
電場強度
1.教學目標
1.理解電場的概念。
2.理解電場強度的概念。
3.掌握電場強度的計算方法。
2. 重點難點分析
1、重點讓學生理解電場強度的概念,掌握電場強度的計算方法。
2、電場強度是描述電場性質的物理量之一,這是難點,初學者容易將電場強度與電場力混淆。
3. 主要教學過程
1. 回顧庫侖定律
真空中兩個點電荷之間的力與它們電荷的乘積成正比,與它們距離的平方成反比。力的方向在它們連線上。這就是庫侖定律。
2. 新課程介紹
任何力的作用都是獨立于物質的。當你踢球的時候,腳的力直接作用在球上;當狗拉雪橇的時候,狗對雪橇的拉力是通過繩索起作用的;地球對近地表物質的作用力,是通過引力場—物質起作用的;地球和月球之間的引力,也是由于引力場—物質的作用;兩個電荷相互作用的時候,它們并不是直接接觸,它們的相互作用也是通過其他物質的作用,也就是電場。
3.教學過程設計
(1)電場
a. 電荷周圍有特殊物質
問:既然場是物質,為什么我們看不見它?
答案:物理形態
例如可見光有波長,但還有很多其他波長的光是我們看不見的,但這并不代表它們不存在。我們不能以人的感官作為判斷場是否存在的標準。場客觀存在的證明是它具有力和能量的特性。例如引力場對有質量的物體有作用力,能對物體做功,說明它有能量。電場對置于其中的電荷Q也有作用力,能對Q做功,說明它有能量。
b.電場的基本性質:電場對置于其中的電荷有強烈的作用,這種力叫電場力。
c.靜電場:靜止電荷的電場。
場具有能量和力的特性。我們先來看一下電場中的力的性質,這是本章的重要部分。我們以點電荷為例。
如圖1所示,電荷 、 、 放置在+Q電場中的A點。它們所受的電場力為:
觀察上式可發現,場電荷Q對不同的測試電荷q有不同的電場力,但只要A點位置不變,F與q的比值不變。
如果我們移動到 B 點,那么
從上面的分析可以看出:若Q一定,則電場的空間分布也是一定的。對于場中某一固定點,其值只與Q和r有關,與測試電荷無關。它反映了電場的性質,反映了電場的強度,稱為場強。
(2)電場強度
a.定義:電場中某一點電荷所受的電場力與其所帶電荷量的比值,叫做該點的電場強度,簡稱場強。
b.定義:
F——電場力的國際單位:牛頓(N)
q——電量國際單位:立方(C)
E——電場強度的國際單位:牛頓/℃(N/C)
物理意義;
電場中某一點的電場強度,在數值上等于該點上單位正電荷所受的電場力。
d.電場強度是一個矢量,場強的方向定義為該點正電荷所受電場力的方向。在電場中同一點,+q和-q處力的方向不同。場強只能有一個方向,+q處力的方向定義為正。
例:在圖2中,標出A,B,C,D點的電場強度方向。
正點電荷電場中某一點的電場強度方向沿連線遠離+Q;負點電荷電場中某一點的電場強度方向
按照指向 -Q 的線進行操作。
e. 單位:牛/隔間 N/C
它是從點電荷的場強推導出來的,可以應用于任何電場。
(3)點電荷的電場強度
a.在真空中:(與試驗電荷q無關,只與場電荷Q和r有關)
b.方向:該點處正電荷所受電場力的方向(以后大家會遇到均勻電場,各點的場強和方向都相同)
(4)兩個點電荷產生電場的疊加原理
如圖3所示,在正點電荷和負點電荷產生的電場中,有一點A。計算A點的電場強度。由電場強度的定義可知,其值為+1C點電荷在A點的電場力?,F在在A點放上C,q會同時受到和的作用。每個力都可以單獨利用庫侖定律計算出來,就好像另一個電荷不存在一樣。q受到的合力是分力的矢量和。因為q是1C正電荷,所以它受到的電場力在數值上等于場強。也就是說,A點的合場強是單獨在A點產生的場強的矢量和。這就是電場強度的疊加原理。
利用電場強度的疊加原理,可以計算任意多個點電荷產生的電場強度。
無論其電荷分布如何復雜,它都可以被認為是由很多個點電荷所組成,因此其場強可以用場的疊加原理來計算。
可以看出,真空中任意數量的點電荷產生的電場強度只由兩個因素決定:場電荷和在電場中的位置。
測試電荷的值由元素決定,與測試電荷無關。
(5)比較:
a.這是場強的定義,適用于任何電場。
b.點電荷場強的計算公式。
(6)電場強度總結
a.電場中某一點的場強大小和方向,與該點是否放有試驗電荷、放有何種電荷、試驗電荷有多大等都無關,是電場本身的性質,與外界因素無關。對于一定的電場,當在某一點放有單位正電荷時,它所受到的電場力的大小和方向是一定的。
b. 場強
(7)示例
例1:場電荷C為正點電荷,試驗電荷C為負電荷,二者相距m,在真空中靜止,如圖4所示。求:
(1) q 上的電場力。
(2)q所在點B處的電場強度。
(3)將q代入C點的正電荷,計算B點處的力和場強。
(4)除去帶電力后,計算B點處的場強。
解答 (1)庫侖定律:N的方向在A、B連線上,指向A。
(2)根據電場強度的定義:所以N/C的方向是從A到B。
(3)根據庫侖定律:N從A指向B,N/C從A指向B。
(4)由于E與q無關,不會影響E的大小和方向,所以去掉q后,場強保持不變。
例2 如圖5(a)所示,點電荷q和9q在真空中靜止,兩點電荷間距離為r,均為正電荷。求:
(1) 線路中間A點的場強;
(2)找出場強為0點的位置。
解(l)將C置于A點,其受力情況如圖5(c)所示,F為作用于q上的力勻強電場,9F為
9q 是 上的作用力,凈力為 8F,指向 q,所以
(2)首先分析該點可能的位置范圍。當+1C放在該點時,它所受的力為零。因此,q和9q對+1C所施加的力必定大小相等,方向相反,且兩個力共線。因此可以得出該點在q和9q連線上。當+1C放在q左邊、9q右邊的連線上時,它所受的兩個力方向相同,不能抵消。因此,該點必定在兩個點電荷連線上。
設O點與C點間的距離為q,如圖(b)所示,O點處+1C電荷所受力為零,則有
(無意義,丟棄)
答:(1)方向為q。
(2)該點位于q和9q之間,與q的距離為r/4。
四、說明
1.注意對電場強度概念的理解:
(1)電場強度的定義
不管測試電荷是正電荷還是負電荷,E的方向都被定義為+q力的方向,類似于電流的方向被定義為正電荷的移動方向,不管是誰移動形成電流。
(2)電場強度是本征屬性,與測試電荷無關。
2、我們研究的電荷都是處于真空中的,如果電荷在空氣中,可以近似的認為是處于真空中。
電場強度