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《2.库仑定律》教案
教学目标：掌握库仑定律的内容，学会用库仑定理解题，了解生活中的静电现象。
教学重点：定性与定量的描述力与距离和电量的关系，库伦定理的内容及适用条件。
教学难点:库仑定理的适用条件，探究力与电量和距离关系的实验。教师：上一节课，我们探究一种新的性质力的产生条件，并对这一条件进行了认识，就是物体必须带有电荷。电荷的种类有哪些？起电方式？它们有什么样的相互作用规律？请同学们一起回顾以上所涉及到的知识。
学生：回答
1、探究库仑定理
老师：我们研究一种性质的力，除了研究产生的条件，有时更关心的是它的大小，那么它的大小与哪些因素有关呢？这就是本节课所要学习的内容。
复习了相关知识，我们看几张图片更直观的了解带电体相互作用的性质。看到第一张图片我们可以想到语文中的一个成语，是什么呀？怒发冲冠对不对？只不过这里冲冠的原因是因为受到静电的作用，由于人与带电体都带上了同种电荷，在斥力的作用下，使人的头发竖起来了！我们再来看下一张图片，这是带电的塑料勺子，当靠近细流时，因为同种电荷相吸，使水流的方向发生偏转。我们看一下视频。
……神奇吧，静电居然有这样的魔力。那想想，改变水流运动状态的原因是什么？
学生：力
老师：嗯，非常正确。看了以上两张图，结合你们现有的知识，请同学们猜想一下两带电体之间的作用力与哪些因素有关呢？
同学：猜想电量、大小、形状，两电荷间的距离……探究实验好像就只针对电荷量与距离，没有考虑其他因素若他们猜想与质量有关
老师：同学们的猜想各有各的道理，但是其实实验已经以证明，当两个点电荷相距较远时，改变它的质量或体积都不会改变他们之间作用力的大小。那与距离以及电荷量对他们的作用力有何关系呢？
我们看一个动画(FLASH)。注意课本将这个内容的目的大家要认真观察，注意老师是怎么演示的！这是带电的固定小球A，金属小球通过细线悬挂在铁架台上，先后悬挂于P1、P2、P3位置，为了方便我们比较不同位置的偏转角度的大小关系，我们将小球在不同位置的三种状态呈现在同一张图上。同学们观察，此时三个位置的偏转角的变化情况是怎样的？
学生：依次变小
老师：嗯，对！那我们现在对小球进行受力分析。可以知道，F=
说明了偏转角度越大，它受到的力越(大)。那造成这个小球在不同位置受力大小不同原因是什么呢？
学生：因为他们距带电体的距离不同。
老师：嗯，那是不是说明距离越小，力就越大。现在当老师将带电体靠近金属小球时，大家注意，偏转角度如何变化？学生：越来越小
老师：嗯，对，根据这个式子，说明力也是越来越(小)的！现在我们有一次说明了距离越小力越大，距离越大力越小！
老师：现在我们控制距离不变而去改变带电体的电量，看看会有什么现象？(改变小球电量)同学们，小球是不是在原来的偏转角下变得更(大)了。
老师：同学们，我们同样可以得到随着电荷量的增大力也会变得更大！！
老师：我们定性地得出了力的大小的影响因素，是带电体之间的距离以及它们的电量。但是怎样得到他们之间的定量关系呢？关于这个问题，科学家们刚开始也不是很快明白的。其实对于任何一个物理规律探索的过程中，都不是一蹴而就的！是有很多物理学家不断地做实验，然后总结归纳，最后才走到成功的！同样库仑定理的发现亦如此！
对库仑定理有贡献的首先是富兰克林。他做了一个空罐实验，有一个带电的金属桶，当以用细线悬挂的金属软木球靠近在金属外表面，会受到引力作用。但若将软木球放在桶内，不管软木球置于何处，都不受到电的吸引作用。当时，富兰克林百思不得其解。
大约过了十年，富兰克林写信告诉他英国的朋友普利斯特里。普利斯特里核实了富兰克林的实验，并以非凡的洞察力领悟到通过这个实验可以得到电力反平方定律，因为当软木球放在很深的带电金属桶内时，没有电力作用在这个球上，这个事实是与没有万有引力作用于物质球壳内部的质点上这个事实相类似的。由于万有引力服从反平方定律，也许电力也服从反平方定律。
在上述实验事实和推测的启发下，库仑通过实验定量的测出电荷间作用力与距离、电荷量的关系，并最终得到库仑定律。
从库仑定律的发现历程中，我们可以看到，类比推理在科学研究中所起的作用是很大的。如果不是先有万有引力定律的发现，并利用类比推理进行合理猜想，单靠具体实验数据的积累，不知何年才能得到严格的库仑定律表达式。那同学们此时应该会问：库仑当年是如何定量的得出力与距离和电荷量的关系的呢？我们一起来看一下当年库仑做实验的装置——库仑扭秤。这个装置与当年卡文迪许测量引力常量的装置十分类似。

2、库仑的实验(学生自学，观看相关实验教学视频)
老师：首先我们来介绍库仑扭秤装置。纽秤的结构如图。在细银丝下悬挂一根绝缘棒，棒的一端是一个带电的小球A，另一端是一个不带电的球B，B与A所受的重力平衡，现在从容器正上方放入一固定小球C。为了研究带电体之间的作用力，先使A、C各带同种电荷，这时秤杆会因A端受力而偏转。此时银丝就会产生一个扭转力矩。那么悬丝的扭力矩等于施于小球A上电力的力矩。根据力矩平衡原理，可以知道在此距离下A、C之间的作用力。这就是扭秤装置的原理。那现在如果老师让同学们自己利用已有的知识来设计一个实验，你们又该如何得出力与距离以及电荷量的关系呢？设计实验，首先要确定的是用什么研究方法！那有多个变量影响的情况下，用什么方法？是不是与我们之前探究加速度与力和质量的关系所用的方法是一样的，是(控制变量法)。现在给大家两分钟思考一下。大家应该都有了自己的想法，只要合理就是可以的。现在我们给出一种方案，大家在看在看这个视频的时候，与自己的设计进行对比。如果有更好的，下课后和老师同学分享。这个视频中的实验在库困扭秤的基础上，对装置进行了改进，用杠杆平衡的方法，最终也定量的测出了力与距离半径的关系。(我们先一起来认识一下这个实验装置。这是微量天平，这是滑道，滑道的右侧有一标尺，有两个完全相等的带电小球，一个装在微量天平的右侧，另一个装在滑道上，他可以在滑道上上下移动来改变两球的距离，距离的大小从标尺上读出。微量天平的左侧有一游码，可以左右移动，来维持衡量的水平。这个实验员操作是相当规范的，他将绝缘小球通过与人体接触，是之不带电。再让它和与它相同的小球相碰，从而使带电小球的电量减半。)看了这个视频，我们一起来回忆一下。先保持电量不变，改变两球之间的距离r，得出力与距离的平方成正比；然后控制距离不变，改变两球的带电量，得出力与电量的乘积成反比。而库仑当年也得到了这样的结论。
3、分析库仑定律内容
老师：阅读教材，库仑定律的内容是怎样叙述的。大家一起来阅读一遍。根据库仑定理内容，我们得出了其表达式。我们要明确每个字母所代表的物理意义。K值是静电力常量，大小为……请问K常量有没有单位？如果有，又给如何得出它的单位？通过表达式得出。我们来看一下应用库仑定律时应该注意哪些问题。同学们都知道电荷具有正负，但在计算力的大小时，为了避免出错，我们一般只带电荷的绝对值进行计算。至于力的方向，就直接通过同种电荷相互排斥异种电荷相互吸引来判断。
从库仑定律内容的表述中，我们看到该定理成立是有条件的。请你们画出库仑定理的条件。
学生：阅读并画关键词。
老师：你们画出的关键词汇有哪些？***，你起来回答一下。
学生：真空、静止、点电荷。
老师：嗯，也善于把握定理的条件。我们一起来理解一下。真空：库仑定律的适用条件是在真空，为什么其他介质不行呢？因为放在任何一个介质，在电荷的作用下都会被极化，产生的极化电荷会对我们带电物质的作用力产生影响。同学们也可以这样理解，不同的介质具有不同的k值，前面K的大小是在真空中的大小，对于其他介质，比如玻璃，K值就已经不是那么大了。所以不能用真空中的库仑定律公式来求其他介质中的静电力。现在观察库仑扭秤装置，他将带电体放在圆柱体的容器中，我们应该发现，库仑已经注意到减小空气方面的影响。前面看的那个视频，实验是在空气中做的。所以在空气中，高中阶段我们依然使用库仑定律的近似处理。
静止：当同学们深入学习就会明白，如果带电体具有相对运动，那运动的电荷会产生磁场，那他不仅会受到电场力，还会受到磁场力，所以库仑定律不再使用。
点电荷：这个请同学们自己来分析，怎样的带电体可以看做点电荷？点电荷类似力学中的质点，那怎样的物体可以看成质点呢？
学生：当物体的形状大小相对于所研究的问题可以忽略是就可以看成质点。
老师：同样的道理，通过类比，我们知道在研究带电体间的相互作用时，如果带电体自身的大小远小于它们之间的距离．以至带电体自身的大小、形状及电荷分布状况对我们所讨论的问题影响甚小，相对来说可把带电体看作一带电的点，叫做点电荷。也就是说，点电荷和质点一样也是一种理想化的物理模型。
分析了库伦定理的的适用条件，应该对该定理有了更深的理解。其实任何规律的成立，都有其成立的特定条件。所以，在以后使用这些规律分析问题时，千万要注意：所研究问题是否与所使用规律的条件相符。同学们，如果有两个带点的小球不断靠近，力会不会变得无穷大呢？若学生说不会，那我应该问为什么呢？因为此时已经不能再看做点电荷了……对，也就是说不满足库伦定理的适用条件，所以不能再用表达式计算库仑力的大小。问题提问方式，不要自己不断解释(当他们的大小与两者间的距离相比不能忽略时，是不是此时就不满足库伦定理的适用条件了，因为此时在力的作用下改变了带点球体上的电荷分布，电荷不再均匀分布在带电体表面。在这种情况下，电荷就不能看成是集中在球心的点电荷。所以不能用公式计算力的大小。)删掉这段内容
下面我们来看一个例题，检验同学们掌握的情况……()
通过这道例题，同学们在应用库仑定律时应该会小心很多。
同学们，普利斯特利从空罐实验的现象，受到了万有引力平方反 比定理的启发，进而猜想到库仑力的影响因素。物理学家们在探究的过程就一直认为库仑定律与万有引力定律有相似之处。而自然规律既具有多样性，又具有统一性，我们一起总结一下它们两者的不同点与相同点。你们觉得有哪些地方不同点呢？
学生：回答(公式、适用范围、影响力大小的因素、不同点)
我们一起比较了万有引力定律与库仑定律，同学们在学习过程中，也要对各个知识点进行总结归纳以及对比。这样我们可以加深对所学知识的理解。我们知道任何有质量的两个物体之间都存在万有引力，那想想电荷间是不是既受到万有引力也受到静电力呢？那在研究微观带点力的相互作用力时，是否两者都要算呢？
下面我们来看一道题。左边的一组同学算万有引力，右边的同学算库仑力。告诉老师你们计算的结果。万有引力的大小？库仑力的大小？那我们将这两个力比一下，得出了库仑力比万有引力大得多！所以在研究微观带电粒子(电子、质子、离子、原子核等等)的相互作用时，由于微观粒子间的万有引力远小于库仑力，通常可以忽略微观粒子间的万有引力。
库仑定律内容中描述的是两个点电荷，那如果换成三个及三个以上的点电荷，库仑定律是否还适用？那又如何求力的大小呢？我们知道，两个点电荷之间的作用力不因第三个点电荷的存在而有所改变。因此三个或三个以上点电荷之间的静电力，可以先分别求出各个点电荷的作用力大小，利用平行四边行法则进行矢量合成，就可以所受到的合力了。那我们来看书本上的一个例题。