9.1 电荷教学设计

教学设计
课题 电荷 课型 新课 课时 1
教材分析 通过实验，了解静电现象。能用原子结构模型和电荷守恒定律的知识分析静电现象。 本节由电荷、静电感应、电荷守恒定律、元电荷四部分内容组成，是本章的预备性知识，是电磁学的基本概念，教材侧重从物质微观结构的角度认识物体带电的本质。结合摩擦起电和感应起电的具体情境，理解电荷守恒定律是本节的重点，通过元电荷的学习，让学生产生“量子化”的初步概念，明确电量不能连续变化。
学情分析 学生在初中学习过两种电荷及其相互作用、电荷量的概念、摩擦起电等，因此，在本节课的教学中，应在初中已有的知识基础上，充分利用形象直观的静电演示实验，尽量让学生参与到利用旧知识，获取新知识的思考中来。 侧重从物质微观结构的角度认识物体带电的本质，结合摩擦起电和感应起电的分析，进一步帮助学生理解产生电荷的机理。
教学目标 物理观念:知道电荷量、元电荷、比荷等概念，知道电荷是物质的一种基本属性。 科学思维:认识摩擦起电、感应起电的本质，理解电荷守恒定律 科学探究:基于静电现象的实验事实，用原子的结构模型和电荷守恒知识建构模型解释现象，培养学生基于事实证据进行科学推理的核心素养。
教学重难点 教学重点： 电荷守恒定律 教学难点： 利用电荷守恒定律分析解决摩擦起电和感应起电的相关问题。
教学方法 教学方法： 讲授法 教具:静电起电机、枕形导体、球形导体
教学过程 教学 环节 教学活动 设计意图 二次备课
环节一：回顾历史上对电现象的研究 问题：生活中有哪些与电相关的现象？有哪些静电现象？ 学生列举生活中的电现象以及静电现象 学生实验：与头发摩擦后的气球吸引小纸片 演示实验：静电乒乓 问题：什么叫做“物体带电”？咋样我们就说一个物体带了电呢？ 问题：人类是怎样开始研究电现象的？ 回顾人类对电现象的研究： 公元前600年左右，古希腊学者泰勒斯发现摩擦过的琥珀吸引轻小物体的现象。 公元1世纪，我国东汉时期，学者王充在《论衡》一书中也写下“顿牟掇芥”一语。意为摩擦过的琥珀能吸引像草芥一类的轻小物体。 16世纪，英国科学家吉尔伯特在研究这类现象时首先创造了英语中的“(电)”这个词，用来表示琥珀经过摩擦以后具有的性质，并且认为摩擦过的琥珀带有电荷。 除此以外，雷电也是人们观察到的自然界中的电现象，美国科学家富兰克林通过实验发现，雷电的性质与摩擦产生的电的性质完全相同，由此统一了自然界中的“天电”和“地电”。正是这些早期的科学家们对电现象的研究，揭开了自然界中电现象神秘的面纱。
环节二： 认识电荷 （初中） 富兰克林规定： 与丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷为正电荷。 与毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷为负电荷。 通过初中的学习，我们知道，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。 问题：那么，自然界中是否只有两种电荷？如何证明？ 演示实验：用自制教具“旋转乒乓”探究吸管摩擦头发带什么电。 用许多物体来做类似的实验，鉴别它们所带电荷的种类，迄今为止，我们没有发现对这两种电荷都排斥或都吸引的电荷，因此，我们推断，自然界的电荷只有两种。 问题：自然界中只有两种电荷？为什么命名“正电荷”、“负电荷”，而不命名成诸如“N电荷”、“S电荷”呢？
环节三： 物体带电的本质 问题：什么叫做“物体带电”？“物体带电”的准确含义指的是什么？其本质是什么？ 从微观层面看：物质都是由原子组成的，而原子中有带正电的质子和不带电的中子构成的原子核，还有带负电的核外电子。原子核的正电荷的数量与电子的负电荷的数量一样多，所以整个原子对外界表现为电中性。 如果一个物体含有的正负电荷数相等，达到精确的平衡，我们就说物体不带电；正负电荷数目不等，则我们就说物体带电。绘图，用红点代表正电荷，绿点代表负电荷，让学生数红点和绿点的数目。 物体带电是由于物体出现了多余的“净电荷”。 含有的正电荷数目多于负电荷数目，我们就说物体带正电：含有的负电荷数目多于正电荷数目，我们就说物体带负电；
环节三： 几种起电方式 使物体带电的过程，称为“起电”，下面我们来看几种常见的起电方式 1、摩擦起电 摩擦起电是最常见的起电方式。橡胶棒和毛皮摩擦之后带电就是通过摩擦起电。 问题：两个相互摩擦的物体，为什么会带电？摩擦是如何让物体带上电的呢？（怎样让物体有了多余的电荷呢？） 讨论现象：毛皮摩擦过得橡胶棒带负电。 问题：橡胶棒多余的负电荷哪来的呢？ 从微观结构上看，电荷来源于带正电的原子核以及带负电的电子。 问题：是橡胶棒带正电的原子核跑了呢 还是抢了毛皮的电子。 微观解释：由于原子内部原子核的结构一般是很稳定的，通常离原子核较远的电子受到的束缚较弱，容易受到外界的作用而脱离原子。当两种物质组成的物体互相摩擦时，一些受束缚较弱的电子会转移到另一个物体上。于是，原来电中性的物体由于得到电子而带负电，失去电子的物体则带正电。 问题：丝绸摩擦过的橡胶棒带什么电？ 学生大胆猜测 演示实验：用验电器探究丝绸摩擦过的橡胶棒带什么电？ 验电器介绍：接触，金属箔片带同种电荷排斥张开 电荷越多，排斥越大，张角越大 检验电性：①使验电器带电负电②橡胶棒触摸③丝绸接触 问题：是不是所有品物诗与橡胶棒摩擦之后，都带负电 本质：原子核对电子的束缚能力。 问题：对电子的束缚能力最弱的材料是什么？ 演示实验：摩擦金属球使其带电 激发对自然界各种现象、也包括电现象的求知欲。积累对静电现象的感性认识，提高观察能力 基于静电现象的实验事实，通过问题串层层递进搭设学生对几种起电方式的理解的台阶，用原子的结构模型和电荷守恒知识建构模型解释现象，培养学生基于事实证据进行科学推理的核心素养。
环节三： 几种起电方式 2、接触起电 问题：对还有什么方式可以使金属球带电？ 演示实验： ①回顾验电器实验 ②用带负电橡胶棒接触悬挂的锡箔纸包裹的乒乓球探究接触起电的两物体带电电性 问题：你可以尝试着从微观角度解释接触带电的原因吗？ 带负电的橡胶棒与锡箔乒乓球接触，由于正负电荷相互吸引，电子从橡胶棒转移到锡箔乒乓球上。接触后带上同种负电，它们相互排斥开来。
环节三： 几种起电方式 3、感应起电 问题：如果不接触，能让导体带电吗？刚才用橡胶棒接触验电器的靠近的过程中有什么现象？ 演示实验：取一对用绝缘柱支持的枕形导体左右摆放，使它们彼此接触。起初它们不带电，贴在下部的两片金属箔是闭合的。 现在用起电机使金属球带电，用验电器检验其带电性质——负电。 让金属球靠近枕形导体，观察金属箔的变化 问题：同学们请观察：会有什么现象发生？金属箔有什么变化 我们看到，金属球靠近其中一端时，导体两端的金属箔片张开，表示此时导体两端分别带上了电荷。 问题：同学们能解释实验中金属箔张开的原因吗 分析：在黑板上用磁贴演示，当我们用带负电的金属球去靠近金属导体的左端时，导体中自由电子在金属球的负电荷排斥下会向远离橡胶棒的一端移动，也就是导体的右端移动，从而使靠近金属球左端一端由于缺少自由电子而带正电荷，远离金属球的右端带负电荷。 这就是我们看到导体两端的金属箔片都张开的的原因。 移走金属球后，导体上可以移动的自由电子又会回来与另一端的正电荷发生中和现象，导体两端又回到不带电的状态。 像这样，一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥作用，导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带异种电荷，远离带电体的一端带同种电荷。这种现象叫作静电感应。 我们再看一遍实验。像这样，通过静电感应，使物体带电的方式，叫感应起电，这种起电方式，带电的橡胶棒并没有与导体发生接触，而是“隔空”使得导体带电，这是感应起电的特点。 问题：如果先将左右导体分开，再拿走橡胶棒，金属箔会发生什么现象？ 导体原来不带电，自由电子重新分布后，一端失电子，一端得电子，左右应该感应出等量异种电荷。 我们可以试一试，来看实验，同学们，你观察到的现象跟你预期的是否一样？ 由于切断了左右导体电荷中和的通路，在拿走橡胶棒后，左右导体下的金属箔片依然张开，表示左右导体依然带电。 问题：我们再进一步想一想：导体两端带电应该有什么关系？ 演示实验：为了验证这个想法，我们可以再让刚才分开的左右导体接触，看看会有什么结果？ 我们看到，金属箔片都闭合了，导体又回到了不带电的状态。这说明左右导体确实带有等量异种电荷。 回顾解释开头静电乒乓实验。
环节四： 电荷守恒定律 前面我们谈到三种起电方式，并且从微观的角度解释了物体带电的原因。 同学们可能注意到了，摩擦起电和接触带电，从微观上看就是电子在两个相互接触的物体之间转移；而感应起电，是自由电子在导体上的重新分布，也就是说，三种起电方式本质上都没有创造电荷，只是电荷的分布发生的变化，在研究电现象的过程中，人们也坚持着追寻守恒量的方法，揭示出隐藏在物理现象背后的客观规律。 大量实验事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变。这个结论叫作电荷守恒定律。 近代物理实验发现，在一定条件下，带电粒子可以产生或湮没。例如，一个高能光子在一定条件下可以产生一个正电子和一个负电子；一对正、负电子可以同时湮没，转化为一对光子。不过在这些情况下，带电粒子总是成对产生或湮没的，两个粒子带电数量相等但电性相反，而光子又不带电，所以电荷的代数和仍然不变。因此，电荷守恒定律现在的表述是：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。 电荷守恒定律是物理学中守恒思想的又一具体体现，是自然界重要的基本规律之一。 引导学生在实验分析的基础之上自主总结了解电荷守恒定律
环节五： 电荷的量度 问题：如何定量的量度物体所带的电量呢？ 这就需要定义物理量来量度电荷的多少。我们定义物体带电的多少为电荷量，它的单位是库仑，简称库。 在1881 年第 1 届国际电学大会上，科学家们已经用我们熟悉的电流的单位安培，和时间单位秒，定义了电荷量的单库仑的大小。 即：1 A恒定电流在1 s时间间隔内所传送的电荷量为 1 C。 正电荷的电荷量为正值，负电荷的电荷量为负值。 而在前面的实验中，我们知道无论是电荷的转移还是重新分布，都是以电子的电荷量为单位进行的，迄今为止，实验发现的最小电荷量就是电子所带的电荷量。前面提到的质子、正电子所带的电荷量也是与电子的电荷量绝对值相同，电性相反。 人们把这个最小的电荷量叫作元电荷，用e表示。实验还发现，所有带电体的电荷量都是e的整数倍。这就是说，电荷量是不能连续变化的物理量。 以电荷量的国际单位库仑计算，这个元电荷所带的电荷量是多少呢？ 元电荷e的数值，最早是由美国物理学家密立根测得的，他因此获得诺贝尔物理学奖。在密立根实验之后，人们又做了许多测量。现在公认的元电荷e的值为 e = 1.602 176 634×10-19 C 在计算中，可取 e=1.60×10-19 C 对于带电粒子，它的质量和带电量都是很重要的属性，为方便后面的定量研究，人们定义出了带电粒子的比荷，即带电粒子电荷量q与带电粒子的质量 m 之比 ，例如，电子的比荷为，这也是一个很重要的物理量 问题：库仑是个很大的电荷量单位，1库仑的电荷量相当于多少个电子电量呢？ 1库仑电量，大约相当于大约6.25×1018次方个电子电量 这是一个很大的数量，大到什么程度？我们打个比方，如果把一个元电荷比作一滴水大约为零点几毫升，那么一库仑的电量就相当于整个三峡水库的最大蓄水量，
环节五： 小结拓展 小结：这节课，我们主要是在观察电现象的基础上，用微观的原子结构模型和电荷守恒定律解释了宏观的摩擦起电、接触带电以及感应起电这样一些静电现象，我们还知道了电荷的最小量为电子所带电量，即元电荷，打下了之后定量研究电学现象的基础，后面的研究将逐渐由定性转为定量。 在这节课的最后，老师在做两个有趣的小实验，请同学们课后试着用今天所学的知识，来思考解释一下 希望这两个小实验能够引发同学们的兴趣，带着对电现象好奇和思考继续后面的学习。
课堂检测反馈
板书设计 §9.1 电荷 电荷 正电荷 负电荷 同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。 物体带电？ 吸引轻小物体 本质：存在净电荷 几种起电方式 摩擦起电 接触起电 感应起电 电荷守恒定律 内容 元电荷 1、元电荷：最小的电荷量，用e表示。 2、元电荷的值： 3、比荷：电子的电荷量e与电子的质量之比。
教学反思 本节课是一堂常规之上有创新的起始课，从生活中的静电现象入手，藉由物理学史引出对物体带电本质的讨论，然后通过实验探究，共同讨论摩擦起电、接触起电以及感应起电三种起电方式，让学生在实验体验中经历电荷守恒规律的探究过程，形成电荷守恒的物理观念。通过这次备课、上课，我对核心素养导向下的实验探究过程设计有了新的感悟。 成功之处： 亮点1：“静电乒乓”实验导入。引发学生的好奇，培养学生的问题意识，在课堂的探究任务结束之后，用探究的结果回过头重新解释开头的“静电乒乓”实验。将最后一个环节“对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思”作为本节课的导入环节，既符合了教学内容的逻辑性，又关注了科学探究素养培养的延续性。 亮点2：问题导向的进阶式探究设计。从物体的静电现象到物体的带电本质，由浅入深，让学生初步形成对电荷的认识。在处理三种起电方式的时候，通过实验情境的创设，通过问题串的形式搭设台阶，从现象到微观结构再到三种起电方式的本质，一步一步引导学生进行分析，让学生在充分的体验和思考讨论中经历探究过程，水到渠成地形成电荷守恒的物理观念，突破这一难点，培养学生科学推理、科学论证的科学素养。同时，在问题的设计中，设置了几个认知冲突式的问题，引发学生思考和讨论，激发学生的学习兴趣。 不足之处： 实验的准备不够充分，对于突发状况的预案没有做到位，在演示实验的过程中，出现了预料之外的不明显的实验现象，影响了整个课堂的进度。 感应起电实验过渡不是很顺，设计上来难度有点大，台阶过高，可以适当降低一些难度和结构。 开头的学生实验气球导致课堂秩序有点混乱，转移了学生的注意力。 板书字迹不够工整， PPT和课堂的任务进度结合不够紧密。