9.2 库仑定律 教学设计 人教版（2019）必修第三册

“学思课堂”引领下的问题链教学尝试
《库仑定律》教学设计
教学设计思路
本节课的核心内容是库仑定律及其适用条件。由于库仑定律的定性及定量的探究实验，对实验环境的要求很高，是教学的难点。该教学设计从两个方面入手，突破本节课的教学重点及难点。
①从锡箔小球的平衡状态入手，让学生感知静电力的存在，把抽象陌生的物理量“实物”化，并通过定量计算，体会静电力是微小作用力这一特点。也能得出静电力大小与细线的偏角成正相关，自然而然引出定性分析静电力与距离、电荷量关系的实验操作方法；
②把不完美的实验数据变成培养学生科学思维的素材。通过分析金属球间静电力大小与球心间距离的实验数据，引导学生反思库仑定律的适用条件，强化对“点电荷”这个理想化物理模型的理解，体会建模的原因和重要意义。
针对情境设置引发学生深度学习的问题串，层层递进，从现象到本质，帮助学生建立静电力的知识结构是本节教学设计的亮点。
教学目标设计
素养要求 课时学习目标
物理观念 1.知道静电力与哪些因素有关。理解库仑定律的内涵和适用条件；2.知道点电荷的概念和物理意义，以及建立点电荷模型的条件；3.通过学习库仑定律，体会电荷之间产生的静电力的相互作用观；
科学思维 1.通过观察静电现象，增强建模能力和科学推理能力；2.通过对“万有引力”和“库仑力”的对比，“质点”与“点电荷”的类比，体会类比、迁移等思想方法的重要意义，增强使用理想化物理模型解决问题的意识；3.通过观察库仑扭秤的巧妙设计，体验对称、微小放大和类比的思想方法；
科学探究 通过实验探究静电力的影响因素，并对实验现象进行定性分析和定量计算；通过对两带电球体间静电力规律的分析，提高论据意识和实验创新能力；
科学态度与责任 了解并感悟科学家揭示科学本质的艰辛历程以及巧妙思想；体会物理科学的和谐与统一之美；
教学流程设计
一、基于情境，提出问题
情境引入：播放闪电视频，由视频中闪电过程释放能量引入话题：关于闪电，同学们觉得有哪些问题值得我们思考和研究？如：能量从哪里来？能量的转化总是与力做功息息相关，是什么力在做功？电荷与电荷的作用力有何特点？
教师总结：电荷与电荷间的作用力，称之为静电力，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。研究静电力的特征及大小是研究静电场问题的基础，由于闪电问题太过复杂，先尝试分析带电小球在静电力作用下的状态。
二、分析问题，展开研究
任务1 感知静电力及其影响因素
问题1:观察带电小球的状态，建立物理模型，思考如何测量小球所受静电力的大小？
问题2:根据图1和图2数据，计算静电力大小？
问题3:猜想小球所受静电力大小与什么因素有关？
设计目的：初步感知静电力，通过定量计算得出数值，体会带电小球所受静电力是微弱作用力这一特点。观察实验，猜想静电力影响因素，如形状、体积、电荷量、距离等。并在忽略次要因素和复杂因素的基础上，确定研究方案，即研究静电力与电荷量、距离间的关系。
观察实验现象，利用控制变量法得出初步结论：距离越近，静电力越大；电荷量越多，静电力越大。
任务2 定量研究静电力大小
问题4:利用图1装置，能否定量研究静电力与电荷量、距离之间的关系？遇到的困难有哪些？
问题5:小组讨论，针对实验所遇到的困难，尝试设计新的实验方案？
问题6:观察库仑扭秤装置，尝试解释该装置的巧妙之处？
设计目的：引导学生利用已学知识设计实验方案，体会类比、迁移等思维方式对解决新问题的重要意义。针对静电力微弱不易测量这一难题，学生通过回顾之前所学“微小量放大”典型案例，尝试找到合理解决方案。如杠杆原理、扭秤装置等。关于电荷量如何测量，对刚接触静电现象的同学们来说，难度过大，需在老师的引导下，观看库仑扭秤装置中小球的特征，并操作带电过程，循序渐进，让学生感悟“电荷均分”这一巧妙设计。在认识仑扭秤装置的基础上，将库仑定律建立的历史背景加以介绍，科学家以广博的知识和深刻的洞察力为基础进行猜想和创新，才是最具有创造力的思维活动。
意义构建，深度理解
总结实验结论，得出库仑定律的内容
内容：真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比，作用力的方向在它们的连线上。
理解库仑定律的适用条件
随着科技的发展，测量微弱作用力的方法越来越多，如微力传感器、高精确度的电子秤等，图4是老师设计的一个研究带电球体静电力大小随距离变化关系的实验装置。在干燥晴朗的天气，金属球带上电荷以后，在短时间内所带电荷量几乎不变，实验数据稳定，实验现象明显。但由图5实验数据可知，两球间的静电力大小与两球心间距离的平方并不是反比关系。
问题7:总结实验数据的变化规律，并尝试解释其原因？
问题8:对比卡文迪许扭秤装置和库仑扭秤装置，为什么库仑扭秤中的小钢球体积远小于卡文迪许扭秤装置？
问题9:库仑定律只适用于“点电荷”间静电力的计算，是否意味着该定律没有实际的应用价值？如图7，该如何计算带电玻璃棒对带电小球的静电力？
设计目的：库仑定律只研究了静电力与两带电体电荷量、距离之间的关系，意味着在研究问题的过程中，忽略了带电体的体积、大小及电荷分布对静电力的影响。类比“质点”的建立过程，引出“点电荷”这一理想化物理模型。由于万有引力定律的表达式也适用于质量分布均匀的球体之间，很多同学容易延续这种惯性思维，认为库仑定律也适用于两个带电球体之间。对图5中实验数据显示的规律进行分析，有助于激发学生的深度思考。教师适当引导，学生利用已掌握的静电感应知识，对实验数据进行合理的分析，体会库仑定律的适用条件。
对图7中带电小球所受静电力求解方法的讨论，可强化对“微元”和“矢量叠加”等思想方法的理解和应用，由此体会库仑定律的重要意义。
四、小结巩固，拓展应用
习题1：在氢原子内，氢原子核与电子之间的最短距离为5.3×10-11m，请比较氢原子核与电子之间的静电力和万有引力？（质子电荷量为e=1.6×10-19C，质子的质量为m=1.67×10-27kg,电子的质量为9.1×10-31kg）
习题2:总结万有引力与库仑力的异同
万有引力定律 库仑定律
研究方法
表达形式
适用条件
主导领域
习题3:真空中三个点电荷，它们固定在边长为0.1m的等边三角形的三个顶点上，每个电荷电量都是2×10-6C，求：
（1）每个电荷所受到的库仑力？
（2）若在三角形的中点放一电荷量为1×10-6C的点电荷，它受到的库仑力多大？
设计目的：通过习题1和习题2，巩固库仑定律的基本规律。并引导学生分析万有引力与库仑力的异同，体会“类比”思想在物理学发展过程中的重要意义。习题3涉及静电力的叠加问题，帮助学生强化力的合成与分解的方法。
图2 小球质量
图1带电小球
图3 库仑扭秤
图5
电子秤示数
图4
图7
图6