静电场教材分析

《静电场》教材分析及课标解读

兰州市教育科学研究所 黄晖

一、课程标准的要求

1．了解静电现象及其在生活和生产中的应用，用原子结构和电荷守恒的知识分析静电现象。

2．知道点电荷，体会科学研究中的理想模型方法。知道两个点电荷间相互作用的规律。通过静电 力与万有引力的对比，体会自然规律的多样性与同一性。

3．了解静电场，初步了解场是物质存在的形式之一。理解电场强度。会用电场线描述电场。 4．知道电势能、电势，理解电势差。了解电势差与电场强度的关系。

5．观察常见电容器的构造，了解电容器的电容。举例说明电容器在技术中的应用。 课时安排建议：

第一节：电荷及其守恒定律 一课时 第二节：库仑定律 一课时 第三节：电场强度 二课时 第四节：电势能和电势 三课时 第五节：电势差 一课时 第六节：电势差和电场强度的关系 一课时 第七节：静电现象的应用 一课时 第八节：电容器的电容 二课时 第九节：带电粒子在电场中的运动 二课时 二、教材总体分析及特点

（一）本章知识呈现的整体线索

任何场的描述都要从两个角度来描述，一个是力的方面；另一方面是能的方面。本章的内容 是电学的基础，也是学习后两章（恒定电流和磁场）的准备知识。本章的核心内容，简单概括为 “六个二”：电场强度和电势这两个概念，具体研究点电荷电场和匀强电场这两种电场，有电荷 守恒定律和库仑定律两个基本规律，介绍电场线和等势线两种图线，讨论静电感应和电容器两个 具体问题，分析带电粒子在电场中加速和偏转两种运动。

基本概念多而抽象，是这一章的突出特点。针对这个特点教材注意从具体情况出发引入概念， 注意适当的论证；注意通过实验，激发学生的学习热情，使学生了解探究的过程和方法，弄 清概念的物理意义。如电场强度的概念，学生应该明确的知道电场强度是表示电场强弱的物 理量，因而首先应该知道什么是电场的强弱。相同试探电荷放在电场中的不同点，受到电场 力大的点，电场强；受到电场力小的点，电场弱。理解抽象的概念，不能停留在字面上，一 定要把事实、背景弄清楚。把分析过程弄清楚。本章的另一个特点是综合性比较强，许多知 识要在力学知识的基础上学习。教材在内容选择、确定讲述方法时注意了这个特点，教学中 要通过类比，把新旧知识联系起来，由旧知识过度到新知识，学生更容易接受和理解。 （二）教材编写特点

1． 强调对概念的基本研究方法的学习

使物体带电的实质就是电子的转移。物体失去电子而带正电，物体得到电子而带负电。在电 子转移的过程中，电荷的总量保持不变的。这就是电荷守恒定律。在对静电场的研究中，不仅可 以了解电荷之间相互作用的规律、静电场的性质，而且还会应用科学研究的基本方法，如假设法、 类比法、对称性原则等。

2． 加强与生活、技术、社会的联系

本教材非常注意物理知识与生活、技术、社会的联系。教材通过“科学漫步”栏目，让学生 认识到静电现象在技术中有广泛的应用，如静电喷漆、静电植绒、静电复印、雷火炼殿等。在

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“电容器的电容”一节中，通过“做一做”让学生了解传感器的现代应用。在“带电粒子在电场 中的运动”一节中，特别介绍了示波管的原理，通过“思考与讨论”让学生进一步明确示波器为 什么可以观察电信号随时间的变化情况，通过“科学漫步”让学生知道什么是静电加速器以及直 线加速器的原理与作用。 3． 突出了对静电场的认识过程，类比方法贯穿始终 认识静电现象，研究电场的性质无一不是先猜想，再实验探究，从而建立起完整的静电场理 论。人们研究静电场的方法经常是通过类比的方法进行的，如电荷守恒定律类比质量守恒定律， 库仑定律类比万有引力定律，点电荷类比质点，电场力类比重力，电势能类比重力势能，电势类 比电场强度的比值定义法，等势面类比等高线，电势差类比高度差，电容器类比装水容器，带电 粒子在电场中的偏转类比平抛运动等。 4．注意渗透电磁学与力学的紧密联系 本章处于承上（力学）启下（电磁学）的重要位置。电磁学依然保持着与力学的紧密联系。 教材从学生比较熟悉的力学中的一些基本概念（如力、能量）和规律入手，进一步来研究电场的 相关性质和规律。 5．内容结构的设计形成了较紧密的“知识链”系统 相关知识点形成了紧密的链条，在教学中从哪个环节入手开始教学，教材编写中注重了这方 面的问题（从力到电场强度；从电场力做功到电势能再到电势再到电势差）的教学安排非常符合 认知过程和学生的理解实际。是物理知识形成了一个严谨的科学体系，同时也真正做到了对学生 三维目标的达成。 框图如下： 试探电荷在电场中某点的电 势能与电荷量的比值跟试探 ? ? EP q 电场中两点电势之 差叫电势差 UAB ? ?A ??B 电荷无关 和重力与重力势能类 比 WAB ? EPA ? EPB E数值等于沿场强方向 单位距离的电势差 U ? Ed 电场力做功与路径无关 试探电荷在场中某点受的电场力 与电荷量的比值跟试探电荷无关 E ? F q 三、各节教学要求 1． 电荷及其守恒定律 本节从物质微观结构的角度认识物体带电的本质、使物体带电的方法、电荷守恒定律、元 电荷的电荷量，可以通过实验引导学生学习。 （1）电荷 2 讲授两种电荷及其相互作用、摩擦起电的知识时，重点是做好静电感应电荷的实验。课本上 介绍用 A、B 两个枕形导体做静电感应实验。当带电体 C 接近枕形导体 A 时，可见 A、B 上的金 属箔都张开，说明两个枕形导体都带了电。关于枕形导体所带电荷种类的判断，可以用一个带正 电的有机玻璃棒分别接近导体 A、B 端的带电箔片。可以发现 A 端的箔片被排斥，B 端的箔片被 吸引，由此可以说明感应电荷种类的差异。以后再按课本的程序演示，说明 A、B 导体所带的电 荷等量。

做好这个实验的关键是保证三部分导体对地的绝缘性能良好，让 C 导体带尽可能多的电荷， 而且应注意不使枕形导体与周围空间产生放电现象。

通过实验让学生对看到的现象进行讨论，解释看到的现象，归纳已学习过的起电的各种方法 （接触起电、摩擦起电、感应起电）的特点，使学生对起电的过程，即使物体带电的过程有较深 的理解。

（2）电荷守恒定律

电荷守恒定律是自然界主要的基本定律之一。如何引导学生得出守恒定律？可以提出以下几 个问题供学生讨论：

A． 摩擦起电的过程是什么？

B． 感应起电的过程是什么？是不是产生了新的电荷？

C． 什么是电荷的中和？电荷中和是不是正、负电荷消失了？

从而归纳出电荷守恒定律，该定律强调的是什么？

D．一对正、负粒子的产生和湮没是不是就否定了电荷守恒定律？电荷守恒定律怎样表述更完整？

（3）元电荷

只需要介绍电荷量的定义、单位，最小的电荷量是怎样通过实验测出来的，其值 e=1.60×10- 19C

2． 库仑定律

库仑定律是这一章的基础，也是本章的重点。教材详细地介绍了库仑的实验，目的是使学生 了解一些重要的物理实验方法，了解探究的过程，活跃学生的思维。通过类比质点对点电荷这个 理想化的物理模型进行教学。

从初中对电荷间的相互作用的认识过渡到对相互作用力的定量研究，首先就要弄清楚电荷间 相互作用力的大小和方向，库仑定律就是反映这种关系的物理规律，是电学的基本规律。课本上 的实验可以定性地说明点电荷间的作用力的大小与什么因素有关。得出库仑定律，是以库仑扭秤 实验为基础的的。通过教学，不仅可以了解库仑定律的建立过程，而且能学到一些物理实验方法。 这个实验不要求实际去做，但应运用模型、挂图或课件，以增强教学的直观性。同时要引导学生 联想到卡文迪许实验验证万有引力定律的过程，以帮助学生了解库仑扭秤实验的装置和原理。教 学中可采用讲解或自学讨论的方法，如果采用后一种方法，可以提以下问题：库仑是用什么办法 测算出点电荷间的作用力的？当时还没有电荷量的单位，库仑是怎样解决作用力与电荷量之间的 关系的？让学生带着问题阅读教材，展开讨论，明确库仑扭秤实验的过程。

对库仑定律的内容，要把文字表达和数学表达式结合起来理解，还要把万有引力定律作对比， 以利于记忆和应用。

在应用库仑定律进行运算时，电荷量要用绝对值代入，力的方向由引力或斥力具体确定，公 式中各物理量都统一使用国际单位制的单位。

在解决多个点电荷之间的作用力问题时，要注意两个点电荷之间就有一对库仑力，它们之间 的关系遵循牛顿第三定律。

在解决综合力学问题时，带电体不仅受到库仑力，还可能受到重力、弹力、摩擦力的作用， 教材的例 1 计算结果说明，在研究微观粒子的相互作用时，库仑力比万有引力大得多，因而万有

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引力可以忽略；但在研究其它带电体的平衡或运动问题中，是否可以忽略万有引力（重力），应 视具体情况而定。例 2 说明，一个点电荷受到多个库仑力的作用时，其分力和合力的关系同样遵 从平行四边形定则。 以上各点，应结合例题、习题的教学，尽可能启发学生亲历过程自行得出，使之易于理解、 记忆和应用。 3． 电场强度 教材通过库仑力与万有引力的类比，“物体不直接接触也能产生力的作用”这种“超距作用” 使科学家产生困惑，法拉第为此提出了场的观点，电场对放入其中的电荷有力的作用，这是电场 的显著特征，从这里入手建立了表征电场性质的物理量——电场强度。电场的概念，对于学生是 个新的概念，又比较抽象，既是本节的重点，又是本节的难点。开始只要求大体有所了解，不要 求学生深入地解释电场为什么是物质的一种形式。 （1）电场 电场是学生新接触的抽象概念，可以与磁极间的相互作用进行比较，由学生初中已有的磁场 概念形成对电场的认识，再结合对电磁场、电磁波及其应用于实际的广播、电视的介绍，帮助学 生理解电场是一种特殊的物质，并指出电场的物质性的表现之一，就是它对其中的电荷具有力的 作用。 （2）电场强度 关于电场强度的引入，首先要讲清试探电荷或检验电荷的意义。为了感知电场的存在及其性 质，要用检验电荷进行探测。只有检验电荷是点电荷，由它来确定电场中某点的位置才有确切的 意义；只有检验电荷带电量很小，它自身的电场对源电荷电场的影响才能忽略。然后，做好课本 图 1.2-1 所示的实验，定性地说明检验电荷在电场中的不同位置，所受电场力的大小不同，进而 说明电场中各点的强弱不同，为此引入电场强度这个物理量。 讲解电场强度的定义时，可以利用学生已知的密度概念。对于体积相同的两种物质来说，质 量大的密度大，我们用单位体积的质量来表示物质的这种性质。同样，对于电场中的两点，如果 同样的点电荷在某点受的力越大，就说明这点的电场越强（正如比较两个经历不同位移的物体运 动快慢比较，利用位移和时间的比值一样）。我们用单位电荷量的电荷受到的电场力，即电场力 与电荷量的比值表示电场的这种性质。 电场强度的单位是 N/C 或 V/m，是导出单位。 电场强度的方向，可以在课本图 1.3-2 的基础上来说明，以+Q 为圆心、r 为半径作圆，在圆 上任取两点 A、B，说明 A、B 两点的电场强度的大小相等，同一电荷分别在这两点所受电场力 大小相等，但力的方向是不相同的，从而说明电场强度是有方向的，是矢量。然后再进一步指出， 电场强度的方向是怎样规定的。 （3）点电荷的电场，电场强度的叠加 利用课本图 1.3-2，以点电荷电场中某点为例，分析电场力随试探电荷的电荷量的变大而增大， 概括出电场力与电荷量的比值相同；对于不同的点则比值不同，即 E=KQ/r2 。由此抽象出这个 比值与检验电荷量无关，表示电场本身的性质；在比值大的点电场强，在比值小的点电场弱，并 把点电荷的电场推广到任何电场。 由于电场强度是矢量，对几个电场的叠加，其合电场强度要用平行四边形定则进行矢量运算。 可以把电场强度与电荷所受的电场力，从意义、公式、方向、单位等方面用列表的形式加以 比较，加深对电场强度的理解，还应该通过解答习题，帮助学生认识公式 E=F/q 与 E= KQ/r2 的区 别和联系。 （4）电场线 4先通过讲解，明确引入电场线可以形象表示电场的分布，然后讲述电场线的定义，说明线上 各点的切线方向与该点的电场强度方向一致，再介绍电场线的三个特点，最后说明电场线是人为 设想的，不是真实存在的。 （5）匀强电场

匀强电场是最简单而又很重要的电场，要讲清什么是匀强电场，它的电场强度的特点和电场 线分布的特点是什么，实际的匀强电场有哪些。 4． 电势能和电势

教材从电场对电荷做功的角度出发，推知在匀强电场中电场力做功与移动电荷的路径无关。 进而指出这个结论对非匀强电场也适用的。并与重力势能类比，说明电荷在电场中也具有电势能。 电场力做功的过程就是电势能转化为其他形式的能的过程，电场力做的功只能决定电势能的变化 量，而不能决定电荷在电场中某点的电势能的数值，因此有必要规定电势能的零点

电势的概念既是本节的重点，也是本节的难点。类比电场强度的定义，通过匀强电场推知， 电荷在电场中的电势能与它的电荷量的比值，是由电场中这点的位置决定的，跟试探电荷无关， 并推广之从而给出了电势的定义。在规定了电势的零点后，就可以确定某点的电势。

电场中电势相同的点构成的面叫做等势面，等势面有其自身的特点和应用。建议用类比法教学。

（1）静电力做功的特点

教材通过把试探电荷 q 在匀强电场中从 A 沿直线、折线、曲线等不同的路径移到 B 点，计算 出这几种情况下静电力对电荷所做的功都是一样的，经过论证得出了静电力做功的特点：静电力 做的功只与电荷的起始位置和终点位置有关，与电荷经过的路径无关。同时推广到非匀强电场也 适用。对于把该特点推广到非匀强电场中，教学中可以不深究。让学生知道即可。 （2）电势能

电势能和电势是两个密切联系的概念，反映了电场的能的性质，内容比较抽象。教材把地面 附近重力对物体做功的情况跟物体的重力势能的变化关系，与正电荷在匀强电场中电场力做功的 情况跟电势能的变化关系进行类比，从而得出了静电力的功只能决定电势能的变化量，而不能决 定在电场中某点的电荷电势能的数值。只有规定了零电势能的位置，才能确定电荷在某点的电势 能。教学中，可以在复习重力势能、正功、负功等知识的基础上，引导学生列表对比进行讨论。 应该指出的是，由于电场力可以是引力也可以是斥力，电荷可以是正电荷也可以是负电荷，因此 电场做功的问题要复杂些。在教学中，对正电荷在电场中的情形由教师讲解，负电荷在电场中的 情形可以由学生自行推出结果，以培养学生的推理能力。

在讨论电势能的数值时，可以先复习重力势能是怎样确定的，再与重力势能类比，通过例子 讲清确定电势能数值的过程。要先确定电势能为零的位置，一般取电荷 q 在无穷远处的电势能为 零，把电荷 q 从电场中某点移到零电势能处电场力做功的大小，即为电荷 q 在电场中某点电势能 的数值。

对于电势能的正负的讨论，可以让学生根据重力势能的正负的意义，对于电势能的正负进行 讨论。贯彻课程标准“注重学生自主学习，提倡教学方式的多样化”的基本理念。 （3）电势

方案一：在引入电势之前，可以复习电场强度的引入过程，说明在电场中某点，随着检验电 荷电荷量的增大，所受电场力成正比地增大，但电场力与电荷量的比值是确定的，这就是该点的 电场强度。它与检验电荷的电荷量无关，是表示电场的力的性质的物理量。与电场强度的引入过 程类比，结合具体的电场定性说明：在电场中的某点，检验电荷的电势能随电荷的电荷量的增大 而成正比地增大，但电势能与电荷量的比值是确定的，它表示电场的能的性质的物理量，也可以 后作与电场强度的类比，从而加深对概念的理解。结合教材的推导，从而引入电势，电势的高低 也与检验电荷的电荷量无关，由电场本身的性质决定的。

与电势能确定一样，讲明零电势位置的确定。零电势确定后，电场中各点的电势的大小才有 确定的数值，电势的正负才能有确切的定义，再应用上述认识，说明点电荷+Q 和-Q 的电场中各

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