教学目标
知识目标
1.知道什么是电场;
2、理解电场强度的概念匀强电场,掌握电场强度点的定义、电场强度方向的单位及规定;
能力目标
能够认识电场的物质性,理解物理学中用比率定义物理量的方法;
情感目标
电场虽然看不见摸不着,但确实存在,我们可以通过它所表现出的性质去研究和理解它,这是物理学中常用的研究方法,研究它也可以有助于建立科学的方法论。
教学建议
重点难点分析
1、重点让学生理解电场强度的概念,掌握电场强度的计算方法。
2. 电场强度是描述电场性质的物理量之一,是本节的难点,初学者应注意不要将电场强度与电场力混淆。
教材关于电场强度定义的分析
电场强度虽然是用测试电荷所受电场力与电荷量的比值来定义的一个物理量,但它与测试电荷是没有任何关系的。场强度与测试电荷所受电场力既不成正比,也不与测试电荷的量成反比。也就是说,电场中某一点的电场强度与该点放置的测试电荷的大小、电荷的正负号、该点是否有测试电荷都没有任何关系。电场强度与产生电场的源电荷以及该点在电场中的位置有关。
关于电场概念教学的建议
在解释电场这个概念的时候,要注意强调电场的物质性,即电荷之间的相互作用是通过电场这个介质完成的。由于电场是看不见、摸不着的,所以它是客观存在的。解释的时候可以拿它和引力场做类比,也可以把它和现代科技联系起来,比如卫星信号的传输就是通过电磁场这个介质完成的。
关于电场强度教学方法的建议
电场强度是电学知识中最基本的概念之一,是描述电场力的性质的物理量,电场强度的研究是本章的难点内容。
电场强度是描述电场性质的重要物理量,是教学的重点。教材以点电荷产生的电场为例进行说明和讨论。同一个测试电荷在电场中的不同位置受到的电场力是不同的,电场强度定义为电场中不同位置的电场力与测试电荷的电荷量的比值。这也说明电场在电场中的不同位置对电荷的作用是不同的。教学中可以说明,在电场中的同一点,如果改变测试电荷的电荷量,则测试电荷受到的力也会成比例地变化。测试电荷受到的电场力与电荷量的比值是一个常数,由此引出了电场强度的概念。
注意电场强度与电场力的区别和联系
项目
电场强度E
电力F
区别
物理意义
反映电场本身的力的性质。
指电场中作用于电荷的力。
决定因素
在电场中某一点,E为常数,用E=F/q来衡量,由电场本身决定,与测试电荷的有无无关。
该力的大小由电场力所带电荷q与电场中该点电场强度E的大小决定,即F=qE。
矢量的方向
场强的方向与置于电场中的正电荷所受电场力的方向相同。
正电荷上电力的方向与电场强度的方向相同,负电荷上电力的方向与电场强度的方向相反。
单元
牛顿/库仑或伏特/米
牛
连接
F=等式
电场强度
1.教学目标
1.理解电场的概念。
2.理解电场强度的概念。
3.掌握电场强度的计算方法。
2. 重点难点分析
1、重点让学生理解电场强度的概念,掌握电场强度的计算方法。
2、电场强度是描述电场性质的物理量之一,这是难点,初学者容易将电场强度与电场力混淆。
3. 主要教学过程
1. 回顾库仑定律
真空中两个点电荷之间的力与它们电荷的乘积成正比,与它们距离的平方成反比。力的方向在它们连线上。这就是库仑定律。
2. 新课程介绍
任何力的作用都是独立于物质的。当你踢球的时候,脚的力直接作用在球上;当狗拉雪橇的时候,狗对雪橇的拉力是通过绳索起作用的;地球对近地表物质的作用力,是通过引力场—物质起作用的;地球和月球之间的引力,也是由于引力场—物质的作用;两个电荷相互作用的时候,它们并不是直接接触,它们的相互作用也是通过其他物质的作用,也就是电场。
3.教学过程设计
(1)电场
a. 电荷周围有特殊物质
问:既然场是物质,为什么我们看不见它?
答案:物理形态
例如可见光有波长,但还有很多其他波长的光是我们看不见的,但这并不代表它们不存在。我们不能以人的感官作为判断场是否存在的标准。场客观存在的证明是它具有力和能量的特性。例如引力场对有质量的物体有作用力,能对物体做功,说明它有能量。电场对置于其中的电荷Q也有作用力,能对Q做功,说明它有能量。
b.电场的基本性质:电场对置于其中的电荷有强烈的作用,这种力叫电场力。
c.静电场:静止电荷的电场。
场具有能量和力的特性。我们先来看一下电场中的力的性质,这是本章的重要部分。我们以点电荷为例。
如图1所示,电荷 、 、 放置在+Q电场中的A点。它们所受的电场力为:
观察上式可发现,场电荷Q对不同的测试电荷q有不同的电场力,但只要A点位置不变,F与q的比值不变。
如果我们移动到 B 点,那么
从上面的分析可以看出:若Q一定,则电场的空间分布也是一定的。对于场中某一固定点,其值只与Q和r有关,与测试电荷无关。它反映了电场的性质,反映了电场的强度,称为场强。
(2)电场强度
a.定义:电场中某一点电荷所受的电场力与其所带电荷量的比值,叫做该点的电场强度,简称场强。
b.定义:
F——电场力的国际单位:牛顿(N)
q——电量国际单位:立方(C)
E——电场强度的国际单位:牛顿/℃(N/C)
物理意义;
电场中某一点的电场强度,在数值上等于该点上单位正电荷所受的电场力。
d.电场强度是一个矢量,场强的方向定义为该点正电荷所受电场力的方向。在电场中同一点,+q和-q处力的方向不同。场强只能有一个方向,+q处力的方向定义为正。
例:在图2中,标出A,B,C,D点的电场强度方向。
正点电荷电场中某一点的电场强度方向沿连线远离+Q;负点电荷电场中某一点的电场强度方向
按照指向 -Q 的线进行操作。
e. 单位:牛/隔间 N/C
它是从点电荷的场强推导出来的,可以应用于任何电场。
(3)点电荷的电场强度
a.在真空中:(与试验电荷q无关,只与场电荷Q和r有关)
b.方向:该点处正电荷所受电场力的方向(以后大家会遇到均匀电场,各点的场强和方向都相同)
(4)两个点电荷产生电场的叠加原理
如图3所示,在正点电荷和负点电荷产生的电场中,有一点A。计算A点的电场强度。由电场强度的定义可知,其值为+1C点电荷在A点的电场力。现在在A点放上C,q会同时受到和的作用。每个力都可以单独利用库仑定律计算出来,就好像另一个电荷不存在一样。q受到的合力是分力的矢量和。因为q是1C正电荷,所以它受到的电场力在数值上等于场强。也就是说,A点的合场强是单独在A点产生的场强的矢量和。这就是电场强度的叠加原理。
利用电场强度的叠加原理,可以计算任意多个点电荷产生的电场强度。
无论其电荷分布如何复杂,它都可以被认为是由很多个点电荷所组成,因此其场强可以用场的叠加原理来计算。
可以看出,真空中任意数量的点电荷产生的电场强度只由两个因素决定:场电荷和在电场中的位置。
测试电荷的值由元素决定,与测试电荷无关。
(5)比较:
a.这是场强的定义,适用于任何电场。
b.点电荷场强的计算公式。
(6)电场强度总结
a.电场中某一点的场强大小和方向,与该点是否放有试验电荷、放有何种电荷、试验电荷有多大等都无关,是电场本身的性质,与外界因素无关。对于一定的电场,当在某一点放有单位正电荷时,它所受到的电场力的大小和方向是一定的。
b. 场强
(7)示例
例1:场电荷C为正点电荷,试验电荷C为负电荷,二者相距m,在真空中静止,如图4所示。求:
(1) q 上的电场力。
(2)q所在点B处的电场强度。
(3)将q代入C点的正电荷,计算B点处的力和场强。
(4)除去带电力后,计算B点处的场强。
解答 (1)库仑定律:N的方向在A、B连线上,指向A。
(2)根据电场强度的定义:所以N/C的方向是从A到B。
(3)根据库仑定律:N从A指向B,N/C从A指向B。
(4)由于E与q无关,不会影响E的大小和方向,所以去掉q后,场强保持不变。
例2 如图5(a)所示,点电荷q和9q在真空中静止,两点电荷间距离为r,均为正电荷。求:
(1) 线路中间A点的场强;
(2)找出场强为0点的位置。
解(l)将C置于A点,其受力情况如图5(c)所示,F为作用于q上的力匀强电场,9F为
9q 是 上的作用力,净力为 8F,指向 q,所以
(2)首先分析该点可能的位置范围。当+1C放在该点时,它所受的力为零。因此,q和9q对+1C所施加的力必定大小相等,方向相反,且两个力共线。因此可以得出该点在q和9q连线上。当+1C放在q左边、9q右边的连线上时,它所受的两个力方向相同,不能抵消。因此,该点必定在两个点电荷连线上。
设O点与C点间的距离为q,如图(b)所示,O点处+1C电荷所受力为零,则有
(无意义,丢弃)
答:(1)方向为q。
(2)该点位于q和9q之间,与q的距离为r/4。
四、说明
1.注意对电场强度概念的理解:
(1)电场强度的定义
不管测试电荷是正电荷还是负电荷,E的方向都被定义为+q力的方向,类似于电流的方向被定义为正电荷的移动方向,不管是谁移动形成电流。
(2)电场强度是本征属性,与测试电荷无关。
2、我们研究的电荷都是处于真空中的,如果电荷在空气中,可以近似的认为是处于真空中。
电场强度