第九章 静电场及其应用 内容与价值分析

第九章《静电场及其应用》内容与价值分析
　　（一）课标要求及解读
　　课标要求：
　　3.1.1 通过实验，了解静电现象。能用原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象。
　　例1 通过多种方式使物体带电，观察静电现象。
　　例2 演示并分析静电感应现象。
　　3.1.2 知道点电荷模型。知道两个点电荷间相互作用的规律。体会探究库仑定律过程中的科学思想和方法。
　　例3 与质点模型类比，体会在什么情境下可将带电体抽象为点电荷。
　　例4 体会库仑扭秤实验设计的巧妙之处 。
　　3.1.3 知道电场是一种物质。了解电场强度，体会用物理量之比定义新物理量的方法。会用电场线描述电场。
　　例3 用电场线描绘两个等量异种点电荷周围的电场。
　　3.1.4 了解生产生活中关于静电的利用与防护。
　　例6 分析讨论静电在激光打印、静电喷雾和静电除尘等技术中的应用。知道在有可燃气体、粉尘的环境中如何防止静电事故。
　　活动建议
　　（1）通过观察查阅资料等方式，了解避雷针的结构和基本原理，撰写一篇研究报告。
　　（2）收集资料，综述静电的危害，了解预防的方法。
　　解读课标：本单元通过对物体带电本质的认识，电荷相互作用的基本规律和静电场的基本性质等知识的学习和应用，培养学生的物质观念，相互作用观念，体会物理模型、类比、比值定义法等科学的思维方法在研究具体问题中的重要作用，通过追寻库仑定律的探究历程，体会库仑扭秤实验设计的思想方法，提升科学态度和责任素养，关注知识与生活、技术、社会的关系，培养学生应用物理知识解决实际问题的能力。
　　（二）学习内容分析
　　人类对电的认识是在长期实践中，不断发展，逐步深化的，经历了曲折而漫长的道路。公元前600年左右，希腊哲学家泰勒斯发现并记载了摩擦过的琥珀能吸引轻小物体，开启了人类研究电现象的历史，人类研究电现象的历史比研究力学的历史要更加丰富多彩，到了20世纪，物理学解开了物质内部结构之谜，人们对电现象的本质有了更深入的了解。从物质微观结构的角度理解摩擦起电、感应起电、接触带电的本质都是带电粒子的转移，建构电荷守恒的观念。人们最早认识电荷就是从电荷的相互作用开始的，与力学中的力相联系，建立带电体的理想模型-------点电荷，从猜想到定性探究，再到类比、猜想、实验验证，得到两个点电荷间的相互作用规律-----库仑定律。两个彼此远离的电荷之间如何建立力的联系呢？层层递进引出电场，从物质观念认识电场，理解电场强度的含义，体会比值定义物理量的重要方法，电场线模型的引入使抽象的电场概念具体化、形象化。重视科学与生产生活、现代科技相联系，了解生产生活中静电的利用和防护。
　　人类对静电场的研究过程蕴含着认识自然现象的最基本的思路和典型的科学思想方法，现对本章蕴含的隐性知识分析如下：
　　1.本章人类对电的认识过程蕴含人类对新事物认知的一般过程：
　　公元前希腊人泰勒斯发现摩擦过的琥珀能吸引轻小物体，人类开始研究这类现象，并创造了“电”这个词，从现象到本质，之间经历了很多科学家对电的不断探索与研究，甚至有的被电击致命，最终人们解开原子结构之谜，揭示了电现象的本质。两个电荷之间的库仑力，两个物体之间的万有引力，是如何发生相互作用的？最初科学家们给出了多种“荒唐”“神秘”的观点，直到法拉第提出“电场”观点，这个观点已经被近代物理学理论和实验所证实。学生通过本章的学习再一次去感受和体验，从现象到本质，从谬误到真理，不断修正和完善，推翻和建立，是人类认识世界，认知事物必须经历的一般过程。
　　2.在库仑定律的探究过程中渗透物理学科思维方法，了解巧妙解决问题的方法。
　　物理定律是以经过多年重复实验和观察为基础的典型结论。库仑定律的探究先通过定性实验，让人们注意到，电荷之间的相互作用力与万有引力具有相似的形式，在此基础上类比万有引力做出猜想，进而设计定量实验验证猜想。从定性→定量→获得普遍结论（库仑定律）…… 这一程序是分析物理问题基本且重要的思路。在定量探究过程中，通过悬丝扭转的角度比较力的大小，这是微小力放大的思想方法。库仑扭称实验的历史背景，在库仑那个年代，还不知道怎样测量物体所带的电荷量，所以电量的测定是当时的难题，库仑利用对称平分的思想巧妙解决了这个难题。控制变量思想、微小力放大的思想、对称思想是物理学中的重要思想，基于事实证据进行科学推理，与物理学家的智慧碰撞，培养学生严谨的、持之以恒科学态度。
　　3.在知识形成过程中突出物理学重要的思想方法——理想化模型的建立。
　　构建物理模型是一种研究问题的科学思维方法，可以使物理问题变得简单。“理想化模型”，突出研究对象和所研究问题的主要方面，忽略次要因素，为人类研究复杂事物提供了科学的思想方法。在本章中涉及到的理想化模型有：点电荷、试探电荷（检验电荷）、电场线、匀强电场。点电荷的概念比较抽象，学生在生活中对它没有感性认识，它依赖于学生对质点模型的建立。试探电荷模型是是一个专门为研究电场而理想化的模型，其作用是检验电场的强弱，条件是带电量和体积足够小，对原电场的影响可以忽略，可以理想化为是一个自身不产生电场的点电荷。电场线是为了形象地描述电场中各点电场强度的强弱和方向而引入的假想的曲线。电场线并不存在，它是在满足“曲线上每一点的切线方向和该点电场强度的方向一致；曲线密集的地方场强强，稀疏的地方场强弱”这个规则下，人为画出的形象描述电场分布的辅助工具。匀强电场也是理想化的物理模型，绝对意义上的匀强电场现实空间中是不存在，但现实中带有等量异号电荷的两块相同、正对放置的平行金属板，若板间距离很小，板间的电场（除边缘部分外），可以看做匀强电场。体验理想化模型的抽象过程，理解理想化模型的科学思维方法，有助于培养和发展学生的科学思维能力。
　　4. 在概念的建构过程蕴含比值定义物理量及控制变量的思想方法。
　　在物理学中，常常用比值定义物理量，用来表示研究对象的某种性质。力学中的速度、加速度、功率、压强等都是用两个物理量之比定义一个新的物理量。电场强度是描述静电场的一个重要的物理量，电场强度概念的建立过程让学生再一次认识体会用比值定义新的物理量的方法，它也隐含了人类认识新物理量的思维过程。看不见摸不着的电场如何研究呢？利用电场对电荷具有力的作用这一明显特征，可以从静电力入手，这奠定了电场强度这个物理量的力学特征。同一个带电小球放在不同位置，受力不同，说明电场强度是与电场本身有关、与位置有关，而与带电小球无关，表明了电场强度是描述电场本身的物理量。不同试探电荷放在同一位置受力也不同，说明不能直接用力表示场强，进一步探究发现同一位置F与q的比值相同，说明这个比值反映了电场在这个点的性质，所以定义电场强度。在探究过程中分别控制q不变和位置不变，控制变量的思想是物理中研究三个及三个以上变量时常用的方法。电场强度概念建构的方法在后续磁感应强度等概念的建立也会用到。
　　5.在概念理解过程采用类比法把对动力学知识的认识理解迁移到对静电场的理解。
　　对点电荷模型的建构，通过与机械运动中质点模型类比，帮助学生理解将带电体看成点电荷的条件。在处理库仑定律这部分内容时，与力学中的万有引力定律类比，提出电荷之间的作用力与它们电荷量的乘积成正比，与它们之间的距离的二次方成反比的猜想，进而用库仑扭秤实验验证，得到库仑定律。彼此远离的两个电荷间是如何发生相互作用的？万有引力曾被认为是超距作用，静电力跟万有引力一样，直到法拉第提出“电场”观念，通过类比“场”的观念可以推广的引力场、磁场等。电场的概念很抽象，电场线类比初中的已经学习过的磁感线，多个点电荷电场强度的叠加类比力学中力的合成方法，一个大的带电体不能看成点电荷，可以把它分做若干小块，再叠加处理，这也是力学中微分、等效思想的类比迁移利用。在后续的学习中讨论电荷在电场中做功情况，能量转化情况可以类比力学中物体受重力做功，重力势能的转化情况等。通过类比，把已经掌握的知识方法迁移到对静电场的理解，降低学生学习本章知识的难度。