第九章第3節《電場電場強度》教學設計北師大北海附中：鄒鴻志【課題】電場電場強度【教材】人教版必修三第九章第三節教學內容分析1.本節在教學中的地位和作用：本節內容在靜電現象、電荷間的相互作用力（庫侖定律）的學習之后，即是在學習了電荷相關知識的基礎上進入本章《靜電場的描述》中的第一個描述電場性質的新概念——電場強度，這是具體認識電場的開端且核心的章節，本節重點在于從力的性質出發認識和描述電場，運用比值定義法的邏輯以及物理模型描述電場，為之后的章節繼續學習電荷在電場中的電勢、電勢能等能的性質做好鋪墊，為整個電磁學的學習做好鋪墊。2.課程標準對本節的要求:（1）內容要求：知道電場是一種物質。了解電場強度知道，體會用物理量之比定義新物理量的方法。會用電場線描述電場。（2）教學提示：引導學生了解場的物質性，培養學生的物質觀念與相互作用觀念。引導學生學會建立電場線的物理模型，體會物理模型在研究具體問題中的重要作用。讓學生了解電場強度的含義并體會其中應用物理量之比定義新物理量的方法。（3）學業要求：用電場強度描述電場的性質。形成初步的物質觀與相互作用觀能用物理量之比定義電場強度，進一步了解用物理量之比定義新物理量的方法。能用電場線分析電場和磁場中比較簡單的問題，并得出結論。在分析和論證過程中，能使用證據說明自己的觀點。學生情況分析1.學生的知識基礎：高二學生對于力以及相互作用已有一定的理解基礎，有樸素的物質觀（實物），已掌握矢量運算的基本方法。對接觸力如摩擦力、壓力有較清晰的認識，也曾經歷過非接觸力如磁力和萬有引力的學習，有了模糊的“場”的感知，但此前并沒有深入強調過這種力是因為“場”的作用。在本章前兩節已經學習了靜電現象以及點荷間的庫侖力，對電學有了一定的思維基礎。2.學生的心理特點：學生對看不見、摸不著的物質比較陌生，難以建構出具象的感知，因此需要引導學生感受電場的存在、理解場的概念和特征、學會用場描述電場并能理解此模型。同時學生在研究或學習時往往對結論和現象比較重視，而對其解釋的過程以及現象原理缺乏深入鉆研的意識和耐心，教師需要加強引導他們通過觀察和推理，如強調用比值定義法建立電場強度定義的過程。3.學生的認知特點及困難：現階段的學生比較容易接受形象具體的物理現象和物理模型，對看不見摸不著的場的感覺不夠清晰，與學生頭腦中的傳統物質觀不一樣。學生對電場強度概念陌生，得出電場強度的定義的過程又比較抽象，需要推理并靈活運用到比值定義法，學生已經接觸用比值法定義新物理量：速度、密度、壓強、平均速度、加速度等物理量，電場強度的定義將比值定義法推上了一個新的高度。因此在教學中，如何引導學生發揮想象力，運用時實驗探究、邏輯推理的方法來構建電場及電場強度的概念是教師需要思考解決的問題。教學目標1.物理觀念：（1）理解電荷間的相互作用是通過電場發生的向學生強化相互作用觀念。（2）知道場與實物是物質存在的兩種不同形式，通過電場表現出的力的性質滲透電場的物質觀念。2.科學思維：（1）通過電場的定義，強化比值定義法等科學思維方法的應用。（2）構建點電荷產生的電場公式，培養學生科學推理能力。（3）用可見的電場線描述看不見摸不著的電場，通過實驗去展示電場的分布，培養學生模型建構能力。3.科學探究：學生經歷引入電場強度概念的過程，基于觀察提出問題，形成猜想假設，分析事實和結論，用比值法定義了電場強度。（2）通過實驗模擬電場線，根據實驗現象知道常見的幾種電場，理解什么是電場線及其特點。4.科學態度與責任：（1）經歷電場強度建立的過程，認識到物理研究是一種對自然現象進行抽象的創造性工作。（2）通過學習相關史實以及實驗探究，認識各種電場線的分布，讓學生形成探索自然，增強認識物質世界的多樣性的內在動力。教學重、難點分析【教學重點】電場強度的定義及物理意義；電場強度疊加原理；電場線的理解和分析。【教學難點】理解電場強度定義的方法和過程。實驗教具及媒體PVC管、泡泡液、毛皮、靜電棒、泡沫小球、電場線演示道具若干（點電荷、平行板、等量同種及異種電荷等）。教學流程電電場類比法類比重力場分析庫侖力物理觀念科學態度與責任電場強度觀察分析法比值定義法問題引導實驗驗證物理觀念科學思維科學探究點電荷電場公式法推導法借助庫侖定律場強定義推理科學思維電場線觀察分析法類比磁感線、觀察實驗和物理學史科學思維科學態度與責任知識序思想方法序策略序核心素養序教學過程教學環節和內容教師活動學生活動設計意圖【課堂引入】實驗引入活動1：靜電棒使“靜電泡泡懸浮”“蝴蝶飛舞”（視條件可改變實驗內容）；引導學生：靜電棒和靜電泡有靜電力，靜電棒對靜電泡有能量能做功。活動1：觀察并思考，描述實驗現象，思考現象背后的物理原理。感受電荷之間相互作用不需要接觸。教材P11，提出電場的概念。利用可視化的實驗效果，使學生對本節課的內容產生興趣，切身感受靜電力的存在，培養學生核心素養中科學探究能力，增強學生解釋與交流的意識。情景包裹電場的物質性——力的性質和能的性質。一、電場的物質性靜電場：真實存在于靜止電荷周圍（物質）性質：對放入其中的電荷有力的作用，可以對電荷做功電場是客觀存在的，是一種物質存在的形式（不是假想模型）問題1：電場看不見、摸不著，它究竟是物質存在還是假想？通過力的作用效果、力對空間的累積效應（功）等電場表現出來的性質進行感知和研究。素養提升：要嚴格分析是施力物體的電場對受力物體產生電場力的作用，研究對象要清晰。讓學生感受那些無法直接觀察到的物理情形或特征可以通過輸入外界信息，得到反饋，通過分析反饋從而得出該物理情形或者特征的結論的研究思路。通過抽象概念的學習，培養學生的證據意識和科學推理的能力。二、電場強度1.源電荷：激發電場的帶電體所帶的電荷（施力）2.試探電荷：體積小、帶電少（受力）不影響源電荷產生的電場3.電場強度：（1）定義：（比值定義法）（2）單位：（3）矢量：與正（試探）電荷受力方向相同；與負（試探）電荷受力方向相反。類比：風力分級是利用風力對受力物體產生的作用效果劃分的，用風力大小描述風的強弱。問題2：可以用靜電力F描述某處電場的強弱嗎？活動2：（思考實驗）引導學生提出猜想和驗證猜想，得出矛盾和沖突，指導學生對觀點進行修正（明確適用條件）并再次驗證。驗證：情況1：根據庫侖定律，把同一個試探電荷q放在不同位置，受電場力不同。情況2：如果在電場中同一個位置，放置不同電荷量的試探電荷q1>q2>q3則會得到F1>F2>F3而電場的強弱是電場的固有屬性，僅由場源決定，結論產生矛盾和分歧，同一個點出現了三種不相等的電場強弱的描述。情況3：在離源電荷遠的地方放上一個電荷量較大的試探電荷q1，在離源電荷近的地方放一個電荷量小到幾乎為0的試探電荷q2得到結果（遠）F1>（近）F2≈0，矛盾進一步擴大，用電場力來描述電場強弱出現了明顯的局限性。問題3：電場強弱僅有源電荷決定，同一個位置的電場強弱應該是與試探電荷無關的，情況2中q1>q2>q3如何統一標準來比較電場強弱？類比：不同時間產生了不同位移，如何比較速度？（比較單位時間內的位移）小結：電場強度的定義、符號、單位、標矢性、方向規定拓展1：比值定義法——采用兩個（或多個）物理量相比來定義物理量的方法，是在比較時選取相同標準的方法。例如：速度、加速度、功率、密度、壓強、電阻、電場強度……練習1：電場中A、B兩點分別放置試探電荷q和nq所受靜電力相等，求A、B兩點電場強度之比EA/EB。猜想：可用靜電力F大小描述電場的強弱，靜電力大的位置說明該處電場強。設計實驗驗證：結論1：這種情況可以用試探電荷在電場中的受力描述電場中不同位置電場的強弱。結論2：這種情況不可以用試探電荷在電場中的受力描述電場的強弱。結論3：這種情況也不可以用試探電荷在電場中的受力描述電場的強弱。思考：用電場力來描述電場強弱一定要選擇相同電荷量的試探電荷作為前提條件，例如情況1。觀點修正：為描述電場的強弱，需要比較“單位試探電荷的受力”，即比較再次驗證：發現比值相等，與“同一位置電場相同，由場源電荷決定”相吻合。類比重力場：同一位置g相同，但放不同質量的物體G則不一樣。思考、推導、總結、得出結論：某點的電場強度與放置與該點的試探電荷所受電場力大小及電荷量大小都無關，僅與源電荷和空間位置有關。思考：與已有的物理概念相聯系，感受比值定義法的意義和必要性。培養學生猜想的能力，激發學生思考，通過3種利用電場力描述電場強弱的理論分析，對自己的猜想進行理論論證，發現猜想的觀點的局限性的時候，能及時給觀點框定適用范圍（條件）。不用“錯誤”而是用“局限性”來描述學生的猜想，讓學生體驗通過物理知識認識自然的過程是不斷提出觀點、檢驗觀點、修正觀點，一步一步接近真理的過程。培養學生的科學推理和質疑創新能力。通過類比，鼓勵學生大膽地質疑創新。物理概念建立中的科學方法主要有：比值定義法和乘積定義法，定義法是概念本質物理思想的體現，將研究方法顯化有利于學生概念的形成。鼓勵學生大膽分享觀點、論據、結論，對思想實驗進行理性分析。定義法的學習有效貫通整個物理學習過程，有利于形成正確的物理觀念。三、點電荷的電場電場強度的疊加點電荷的電場強度（決定式）：適用條件：真空點電荷點電荷的場強大小與試探電荷無關、與場源正負無關；點電荷電場強度的方向與試探電荷無關，只與場源正負有關。3.均勻帶電球體與點電荷的等效4.電場疊加矢量疊加遵循平行四邊形定則問題4：電場強度的方向與該點正電荷受力方向相同，圖中已經畫出單個點電荷場源為圓心，半徑為r的圓上各個點的電場強度大小和方向，該圖是如何畫出的？請判斷A、B、C三點的電場強度是否相同？問題5：從這幅圖中能獲取到什么信息？（關于場源、P點位置、P點電場強度、電場疊加法則……）追問：為什么P點離Q2較近，但是E2畫得比較短？P點離Q1較遠反而E1畫得比較長？說明什么？為什么可以用平行四邊形定則繪得P點合場強？練習2：兩個相同場源電荷+Q如圖所示，兩條虛線分別是場源電荷的連線和中垂線，請用規范作圖法繪出A點疊加場的方向，并計算B點電場強度。觀察、思考并回答：用帶箭頭的線段表示電場強度，線段長度表示電場強度的大小，在圓上各點放正的試探電荷，用試探電荷的受力方向代替電場強度的方向。A、B兩點電場強度的大小相等、方向不同；A、C兩點電場強度相等，因為這兩點電場強度的大小相等、方向也相同。（追問）如果放的是負的試探電荷，那又該怎么畫？力的方向與圖中相反，場的大小、方向不變。學生觀察并回答：有正負兩個場源電荷；P點離Q2較近，離Q1較遠；每個場源電荷在P點都產生一個電場，用平行四邊形定則畫得P點的合場強為兩個電場的矢量和。說明Q2<Q1。電場強度是矢量，矢量疊加遵循平行四邊形定則。讓學生經歷從定義式到決定式的推導過程，知道該決定式的適用范圍。能判斷空間各點電場強度的大小和方向。等效的思想。知其然，更知其所以然。學會觀察、學會分析、學會組織語言進行描述和分享。培養學生從圖中獲取信息的能力、科學推理能力和語言表達能力。利用力的合成進行推理，降低思維難度。學以致用。四、電場線1.概念：法拉第為了形象的描述電場而引入的虛擬的線；電場線上每點的切線方向表示該點電場強度的方向；電場線的疏密表示電場強度的大小。2.特點：（1）正—負（無限遠）或者無限遠—負（2）不相交、不相切3.幾種常見的電場線（1）正點電荷（2）負點電荷（3）等量異種點電荷（4）等量同種點電荷（5）勻強電場活動3：利用塑料繩模擬“怒發沖冠”；模擬電場線的實驗，讓學生直觀感受電場、以及描述電場的簡化方法。問題6：初中是怎樣描述磁場的？類比磁感線來理解電場線。問題7：勻強電場是電場強度大小處處相等、方向處處相同的電場，請繪出勻強電場的電場線。（實驗演示）用平行板模擬勻強電場的電場線。觀察并記錄，知道電場線是不存在的，是一種物理模型。回顧初中怎樣用磁感線描述磁場的。小組分析繪制并分享思考和討論過程。降低抽象物理模型的理解難度。幫助學生建立場線的概念。考察學生關于電場線的掌握程度，利用學生組內互動合作完成。【課堂總結】電場的物質性兩種描述電場的方式：電場強度（比值定義法）、電場線（物理模型）幾種常見的電場線歸納總結形成知識、方法的框架。認識到物理研究是一種對自然現象進行抽象的創造性工作形成探索自然，認識物質世界的多樣性的內在動力。【課后拓展】重力場的定義拓展練習：場源電荷為+Q，判斷a、b、c三點電場強度大小Ea、Eb、Ec的關系。（a、b在同一個球殼上，c在球殼外）注重知識的應用和遷移，在應用過程中將所學的內容進行內化形成能力。教學反思與評價本節課屬于本章核心內容，物理概念多，難度大。在教學中主要的教學策略：1.本節課是本章的核心內容，概念多且重要。第九、十兩章是在大概念——電場（具體說應該是靜電場）統領下的主要研究電場的物質性，即力的性質和能的性質。這兩種性質對應兩大核心概念——電場強度和電勢，電場強度描述電場力的性質，電勢描述電場能的性質。充分把握電場和電場強度這兩個重要概念有利于相互作用觀念和物質觀念這兩種物理觀念的滲透和強化。2.通過生動有趣的創新實驗，激發學生的學習興趣，啟發學生的思維。本節課沒有用教材“怒發沖冠”實驗導入，改用靜電棒使“靜電泡泡”懸浮和利用塑料繩模擬“怒發沖冠”兩個生動