第六单元 静电场

一、单元概述

本单元参考《2017 年版高中物理课标》必修 3 的“静电场”主题，主要由静电现象、电荷守恒定律、点电荷间相互作用规律、电场的概念、电场的力的性质的描述、电场的能的性质的描述、静电的利用与防护、带电粒子在电场中的运动及应用、电容器和电容等内容组成．本单元开启了高中阶段电学内容的学习，是学习电磁学的基础．

在本单元学习中，学生经历点电荷和电场线等物理模型的建立过程，感受以生活经验为基础，由具体到抽象建构理想模型的科学方法，经历电势能、电势、电势差、电容等概念的抽象概括过程，体会用物理量之比定义新的物理量的方法，感受类比的研究方法；经历库仑定律的探索历程，体会库仑扭秤实验设计的实验思想与方法；了解生产生活中静电的利用和防护，感悟事物的两面性，形成趋利避害的意识；了解电场中带电粒子运动在科学技术中的应用及电容器在家用电器中的应用等，体会电学知识对生产生活和科技的影响，激发对电学的好奇心与求知欲，培养责任意识．

本单元课程内容学习建议安排 12 课时．

二、内容要求

本单元对应《2017年版高中物理课标》必修 3 的“静电场”主题，下表中的“标引”与《2017 年版高中物理课标》【内容要求】下的序号一致．“内容”是根据【内容要求】提炼出的单元主要内容，“具体要求例举”是针对主要内容给出的表现性要求的示例．

三、教学指引

（一）内容结构导图

（二）任务设计举隅

本单元的任务设计思考路径是：在研读《2017 年版高中物理课标》的基础上，发掘出学生能够处理的一项任务，将其作为本单元学习的核心任务，《2017 年版高中物理课标》必修 3 的“静电场”主题的【内容要求】中有“3.1.1 通过实验，了解静电现象．”，考虑到学生学科素养水平需要根据学生在真实问题解决过程中的表现来确定，因此将单元的核心任务确定为利用身边的器材“制作一个与静电现象有关的实验装置”．在教学中核心任务还需要进一步分解，以利于逐步落实，具体的任务分解、相关的教学内容及课时安排详见下表．

（三）重点活动举隅

1．单元活动

活动名称  制作一个与静电现象有关的实验装置

活动资源  学生身边的器材（如铜丝、铜板、铝箔、有机玻璃板、泡沫塑料、塑料盒、塑料瓶、吸管、丝线等）、实验装置的实物、实验装置的制作参考图（见后面评价示例中的示例2）等，

活动系列

设计意图  以制作一个与静电现象有关的实验装置的任务驱动完成本单元的学习，主要考虑到以下几个方面：该任务能够提高学生动手制作技能，有助于学生了解静电现象和理解静电场知识；通过制作体验，学生体会宏观现象与微观本质间是紧密联系的；通过自主开发实验，学生产生新的疑惑，主动释疑，培养科学探究意识，提升解决问题的能力．

任务具体要求：利用身边的器材，制作一个与静电现象有关的实验装置．请写出它的使用说明，并与其他组的同学讨论交流制作经验，进行改进等．

为完成制作任务，学生需要学习相关的物理知识，包括静电的检测、静电的储存、静电的利用三个内容板块，因此也可以分阶段布置任务，如制作简易的检测静电的装置、制作简易的储存静电的装置和制作简易的利用静电的装置．学生边学边做，可以将此活动作为单元的长作业，让学生以学习小组形式完成一个简易实验装置的制作．

任务完成情况检查：可在整个单元学习结束时，让学生在课堂中展示实物成果，简单介绍装置、制作方法和使用说明，交流学习体会等，也可以让学生在物理实验室或学科教室等地展示实物等．

2．课时活动

活动 1  形成“电场强度”的概念

活动资源  小球、静电高压起电机．

活动过程

［观察讨论］教师演示带电小球靠近静电高压起电机周围，用控制变量法，分别演示同一试探电荷在不同位置和不同试探电荷在同一位置的情况，学生仔细观察，提出物理问题，通过摆起角度的大小来判断电场力的强弱，通过摆起的方向来判断电场力的方向，同时建立试探电荷模型．

［交流分析］学生观察现象，描述电场力的大小、方向与试探电荷位置的关系，感受电扬有强弱和方向．学生根据实验现象，运用库仑定律讨论试探电荷放入点电荷电场的受力情况，发现不同试探电荷所受的电场力与其电荷量的比值，与试探电荷的电荷量无关，引出用比值定义新物理量的方法．

［实验验证］再次演示实验验证，引出电场强度的概念．

活动说明  教学中可以采用问题导学的方式，引导学生分步完成：先认识电场存在强弱，然后确定电场强度的方向．要强调异中求同是常用的一种思维方式．让学生经历“先观察实验，对一般情境作出猜想与假设，再举例点电荷电场，对特殊情境进行理论分析、论证，再对一般情境进行实验验证”的科学探究过程后，最后引入电场强度的概念．

设计意图  电场强度概念的建立是本单元的重点之一，也是难点之一，是描述电场的核心概念，是帮助学生对看不见摸不着的场形成定量认识的首个概念．电场强度概念很抽象，学生经历比较、概括和抽象的思维过程，体会用物理量之比定义电场强度的方法，这种定义方法也是后面建立电势、电容等概念的方法，建立概念的过程蕴含了“猜想和假设”“基于证据得出结论”等科学探究过程，因此本活动注重实验和科学推理相结合，尤其关注理论探究过程．

活动 2  引入电容器的学习

活动资源  常见的电容器图片和实物，用钢盆、保鲜膜等自制的电容器等．

活动过程

［观察思考］  呈现各种常用电容器的图片和实物，以手机的指纹传感器等常见电容器为例引出问题．学生观察生活中的电容器，思考：这些元件有什么作用？它们内部的构造是怎样的？它们是怎样“装进”和“倒出”电荷的呢？水可以用容器储存起来，与之类似，电荷也可以用一个“容器”储存起来，由此引出电容器的学习．

［实践体验］  将两只钢盆隔一层保鲜膜摞在一起，制成电容器．几位学生站在讲台旁，手拉手成一排，第一位学生用空出的手托住下面钢盆的底，使上面的钢盆带电，然后让最后一位学生用空出的手去拿上面的钢盆．

活动说明  课堂游戏可以请多位学生参与．在观察生活中常见的电容器时，可以让学生分组选择不同的电容器进行研究，然后让学生进行交流讨论，归纳共性，从而为电容器构造的学习做好铺垫．

设计意图  电容器是一种重要的电学元件，有着广泛的应用．因此本活动联系生活实际，引出电容器的学习，再用类比水容器的方法引出电容器的构造和功能．

3．学生实验

学生实验  观察电容器的充、放电现象

主要器材  电容器、直流电源、电流计（或电流传感器）、电压表（或电压传感器）、电阻、单刀双掷开关等．

实验要点

（1）实验时，根据电流计的读数，判断充电、放电电路电流大小和流向变化情况．根据电压表的读数，判断在充电、放电过程中电容器两极板电努差的变化情况，实验中根据电流计偏向判断电流方向，可以进一步推断电荷量变化，建议实验前先检验电流计偏向与电流流向的对应关系．

（2）实验时合理选择电源电动势、电容和电阻，既能使充电、放电过程中的电流、电压保持在电流计和电压表的量程范围内，又能明显呈现电流计和电压表的读数大小变化，同时具有恰当的充电和放电时间．电压表选内阻较大的，以防止快速放电时读数迅速减小，电流计选指针指在中央、双向偏转的．电容器选电容较大的，串联电阻也选较大的，使充、放电过程缓慢，容易观察．

（3）实验过程中引导学生细致观察，引起认知冲突：充电过程中出现电压与电流反步调变化．启发学生作出猜想假设、推理判断，并尝试解释．

（4）电压表和电解电容器正、负极不能接反，以免损坏．连接电路时，开关要断开，避免短路．

（5）有条件的学校可以用电流传感器和电压传感器进行实验，显示充电和放电过程的电流与电压随时间变化的图像，

四、评价示例

本单元评价包括四个部分：一是日常课堂活动评价，可以选择本单元的一些活动进行评价．课堂上引入概念时，采用问答的方式，让学生学会表达，如示例 3，要求学生对已有的观点进行论证，二是日常作业评价，教师可根据素养要求，布置不同的作业，如示例 1，同一气球情境，依据不同的素养要素和水平要求编制问题，三是单元检测，教师根据学生在规定的时间内完成本单元检测的情况给出测试的成绩，如示例 4 和示例 5．四是学生实验评价，如示例 2．以下给出了部分课堂例题、课后作业及单元检测的示例，供教师参考使用．

示例 1

如图 6 – 1 所示，请完成下列实验，并回答下面问题．

步骤1：将两只气球吹气后用细线扎紧，然后在气球上系上相同长度的细线，细线长约 0.5 m．

步骤2：用衣服来回摩擦一只气球，重复 6 ~ 8 次，使它带电．

步骤3：再用胶带将细线粘贴在壁橱、桌子或其他支撑物上．

步骤4：用同样的办法摩擦第二只气球，然后用细线将它悬挂起来．

步骤5：慢慢地将第二只气球向第一只气球靠近．观察此时会发生什么情况．

步骤6：用胶带粘住第二只气球的细线，将它悬挂在第一只气球的旁边．

问题 1

（1）当两只气球彼此靠近时，你观察到了什么现象？

（2）生活中有没有与此类似的现象？请举例．

分析  这是研究静电现象和电荷间的相互作用的问题．要求先完成实验再固答问题，问题来源于真实的实验情境，问题的设置一是让学生动动手，二是让学生观察物理现象，提出物理问题．实验器材获取方便，可行性较强．

解答

（1）靠近时，两只气球排斥，且距离越近，细线偏离竖直方向的角度越大，排斥得越厉害．

（2）在干燥的天气梳头发时，头发经过摩擦带上同种电荷，头发之间因相互排斥而飞起来．

属性表

说明  根据真实的实验提出问题，重在“问题”和“解释”等素养的培养，学习“静电产生”和“点电荷间相互作用”时，此问题可作为课堂讨论或课后作业使用．

问题 2

（1）能估测两带电气球之间的静电力的大小吗？如果不能，请简述理由；如果能，请写出估测方案．

（2）能否知道每个气球所带的电荷量？请说明理由．

分析  估测静电力的大小，有两条思路，一是用库仑定律直接求静电力的大小，二是结合力学知识求解，库仑定律的适用对象是两个点电荷，且要知道两个点电荷的电荷量，显然气球所带电荷量未知，气球上电荷分布并不均匀，无法确定距离，因此我们尝试结合前面学过的物体的平衡条件来分析．这是一个真实情境的问题，比较复杂，需要先建立模型，如图 6 – 2 所示，因两个气球上的电荷不是均匀分布的，电荷中心与质心未必重合，两个气球的静电力并不一定作用在气球质心的连线上．为简化问题，将两气球之间的电荷相互作用等效为两点电荷之间的相互作用力，并将气球的受力情况当作共点力处理，使整个问题简化为共点力平衡问题．然后利用物体的平衡条件，列方程求解．

解答

（1）假设两只气球形状、大小、质量完全相同，细线等长，处于如图 6 – 3 所示的静止状态，两细线与竖直方向夹角相同，以左边气球为研究对象，对其进行受力分析，它受到重力 G、细线对它的斜向上的拉力 F_弹、右边气球对它的水平向左的静电力 F_静、空气对它的浮力 F_浮．

对力进行合成或分解，设细线与竖直方向的夹角为 α，根据平衡条件，得到水平方向 F_静 = F_弹sinα，竖直方向 F_浮 + F_弹cosα = G．以下为两种估测方案示例．

方案 ①：根据水平方向 F_静 = F_弹sinα，测得细线的拉力和细线与竖直方向的夹角，就可以求出 F_静．

方案 ②：根据竖直方向 F_浮 + F_弹cosα = G，得到 F_弹 = \(\frac{{G - {F_浮}}}{{\cos \alpha }}\)，则 F_静 = \(\frac{{(G - {F_浮})\sin \alpha }}{{\cos \alpha }}\) = （G − F_浮）tanα，为测得 G − F_浮，需要测出气球未带电情况下细线竖直时 cosα 的拉力，还需测出细线与竖直方向的夹角，据此可求出 F_静．

（2）不能．根据库仑定律可知，两个静止的点电荷之间的相互作用力大小与两点电荷之间的距离的平方成反比，与两电荷的电量的乘积成正比．因为不能把气球看成点电荷，距离无法确定，且假如是两个点电荷，在带电量都未知的情况下，即使知道静电力大小，一般也不能计算出每个点电荷的带电量．

属性表

说明  此问题重“模型建构”素养的培养，让学生学会从不同视角分析问题，同时帮助学生理解库仑定律的适用范围，进一步形成相互作用的观念．学习“点电荷间相互作用”时，此题可作为课堂讨论使用．

问题 3

如图 6 – 4 为两只带电气球处于静止状态时的照片，用微力传感器测得细线的拉力为 0.021 N．请根据照片，估测静电力的大小．

分析  已用力传感器测得了拉力的大小，根据照片比例来估测静电力的大小．

解答  假设两只气球形状大小质量完全相同，细线等长，处于如图 6 – 5 所示的静止状态，两细线与竖直方向夹角相等，以左边气球为研究对象，对其进行受力分析，它受到重力 G、细线对它斜向上的拉力 F_弹、右边气球对它的静电力 F_静 和空气对它的浮力 F_浮．

对力进行合成或分解，设细线与竖直方向的夹角为 α，根据平衡条件，得到水平方向 F_静 = F_弹sinα．

利用刻度尺在照片上量得线长 l 约为 2.2 cm，两气球扎结点距离 d 约为 1 cm，假设两细线与竖直方向夹角相等，得到

sinα = \(\frac{d}{{2l}}\) = \(\frac{1}{{4.4}}\)．

则静电力的大小

F_静 = F_弹sinα = 0.021×\(\frac{1}{{4.4}}\) N ≈ 4.8×10⁻³ N．

属性表

说明  此问题重在“证据”和“科学态度”等素养的培养，学习“点电荷间相互作用”时，此题可作为课堂讨论或课后作业使用．

示例 2

利用身边的器材，制作一个与静电现象有关的实验装置，可以是检测静电、储存静电或利用静电的装置，也可以是集几种功能于一体的实验装置．请写出它的使用说明，并与其他组的同学讨论交流制作经验，进行改进等．

附：评价量表

评价内容包括实验装置、制作过程和分享交流三方面，每方面的评价内容又包括具体的表现标准．关注过程性评价，采用小组自评和他评结合，以满分 100 分为例，进行评分．

分析  利用学生在生活中容易找到的器材，完成制作．下面提供的实验装置仅作参考．

解答  （仅作参考）

（1）制作简易的检测静电的装置 [1]

举例 1：制作铝箔验电器

制作方法：按图 6 – 6，将两片铝箔挂在铜板的铜丝上，再将铜板安装在有机玻璃架上，制成开放型铝箔验电器．

提示：按图 6 – 6，在铝箔上打孔时，要将孔打得比铜丝的直径略大，以便铝箔能够轻轻转动．尽量缩短铝箔上端与孔的距离，可先打好孔再剪铝箔，挂钩钩环的直径约为 5 mm．

使用说明：用于检验物体的带电情况．这种验电器容易放电，所以不能使箔片长时间张开．最好在干燥的室内使用．

举例 2：制作电摆

制作方法：按图 6 - 7，用丝线把小铝球挂在有机玻璃棒上．

提示：有机玻璃棒粗细最好是 4 mm 左右，慢慢加热后，有机玻璃棒很容易折弯．可将铝箔剪成边长 1 cm 左右的方块，再揉成团，做成小铝球．

使用说明：用于验证同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引．可以用餐巾纸摩擦的吸管靠近小铝球，小铝球被吸管吸住，之后便与吸管带同种电荷，继而又被排斥而返回；再用尼龙布摩擦过的有机玻璃棒靠近小铝球，小铝球会被有机玻璃棒吸住，但是，小铝球同有机玻璃棒接触之后，便会带上与有机玻璃棒相同的电荷，所以之后又相互排斥．用有机玻璃棒比用玻璃棒的效果好，

举例 3：制作吸管验电器

制作方法：按图 6 – 8，在泡沫塑料或木块上，距离吸管顶端 处固定吸管．

提示：用针穿孔之后，用牙签等物将孔扩大，这样，穿上大头针之后吸管才能轻轻摇动．

使用说明：用于研究吸管上的电荷．用餐巾纸摩擦吸管，使吸管带电，再用毛皮摩擦过的胶木棒接近吸管，吸管被排斥，可以推断吸管也带负电，或用丝绸摩擦过的有机玻璃棒靠近吸管，吸管被吸引，说明吸管带负电．

（2）制作简易的储存电荷的装置

举例：制作空盒电容器

制作方法：按图 6 – 9，在耐压且绝缘性强的塑料盒内外侧都贴上铝箔，放入数十个小铝球，小铝球可以用铝箔制作．

使用说明：盒子底部的一极要接地，将有机玻璃板放在电容器上，再放上塑料板，用塑料板或尼龙布轻轻摩擦有机玻璃板，小铝球会剧烈地跳动并将带电体的电荷转移到铝箔上，从而使铝箔储存正电荷．如果将塑料板放在下面，用有机玻璃板摩擦，铝箔则储存负电荷．为了了解铝箔的带电情况，可以事先在伸出端接上氖管．用一端接地的铜丝靠近电容器，会引起放电．

（3）制作简易的利用静电的装置

举例：制作静电除尘装置

制作方法：按图 6 – 10，将一根铜丝穿过塑料瓶盖中心，沿中心轴线伸入瓶中，在瓶子外部将一根铜丝绕成螺线状，露出一个接头．

使用说明：打开瓶盖，点燃蚊香，让烟雾充满瓶中．盖上瓶盖，外部螺线状铜丝接头接感应起电机负极，瓶盖上铜丝接感应起电机正极，起电时，烟雾即刻消失．

属性表

说明  本示例可作为单元长作业使用．

示例 3

下列说法对吗？请简述理由．

（1）电荷量很小的电荷就是元电荷．

（2）物体所带的电荷量可以是任意的．

（3）电场线就是带电粒子在电场中运动的轨迹．

（4）两条电场线在空间可以相交．

分析  （1）（2）涉及元电荷的概念；（3）考查带电粒子的轨迹，需要从力和运动的关系来说明；对于（4），电场线能否相交，可以从电场线的物理意义去考虑，用反证法来说明．

解答

（1）这种说法是错误的，物体所带电荷的电荷量不是任意的，而是某个最小电荷量的整数倍，人们把最小电荷量称为元电荷．

（2）这种说法是错误的，一般情况下，自然界中物体所带电荷量均为元电荷的整数倍，不是任意的．

（3）这种说法是错误的．即使电场线是直线，当带电粒子的速度方向与电场线成一夹角时，即速度方向与电场力方向不在同一直线上，带电粒子做曲线运动，因此电场线并不一定是带电粒子在电场中运动的轨迹．

（4）这种说法是错误的，假如两条电场线在空间相交，那么在交点处两条电场线有各自的切线方向，而电场线上某点的切线方向表示该点的场强方向，即交点处有两个场强方向，这与电场中确定点的场强唯一的事实不符．

属性表

说明        本示例中的 4 个小问题可以分开使用，可以在构建“元电荷”“电场线”概念时作为课堂讨论使用，也可以作为课后作业使用，以进一步理解“元电荷”“电场线”概念．

示例 4

如图 6 – 11，A、B 是某个点电荷电场中同一条电场线上的两点，把电荷量为 10⁻⁹ C 的正试探电荷 q，从无穷远处移到 A 点，电场力做的功为 2×10⁻⁸ J．把电荷量为 2×10⁻⁹ C的负试探电荷 q₂ 从无穷远处移到 B 点，克服电场力做的功为 3×10⁻⁸ J．取无穷远处的电势为零．请判断：场源电荷是正电荷还是负电荷？场源电荷的位置是在 A、B 的左边还是右边？请简述理由．

分析  电荷在电场中某点的电势能等于把它从这点移到零势能位置的过程中电场力所做的功，据此求出电势能，然后根据电势的定义式求出电势，再判断电势高低和电场线的方向．

解答  取无穷远处 O 的电势为零，电荷在电场中某点的电势能，等于把它从这点移到零势能位置的过程中电场力所做的功，则有

E_pA = W_AO = − W_OA = − 2×10⁻⁸ J，φ_A = \(\frac{{{E_{pA}}}}{{{q_1}}}\) = \(\frac{{ - 2 \times {{10}^{ - 8}}}}{{{{10}^{ - 9}}}}\) V = − 20 V；

E_pB = W_BO = − W_OB = 3×10⁻⁸ J，φ_B = \(\frac{{{E_{pB}}}}{{{q_2}}}\) = \(\frac{{3 \times {{10}^{ - 8}}}}{{ - 2 \times {{10}^{ - 9}}}}\) V = − 15 V．

φ_A < φ_B < 0，故电场线方向从 B 指向 A，场源电荷周围电势小于零，故场源电荷为负电荷，其位置在 A 点的左边．

属性表

说明        本示例可在学习“电势”后作为课后作业或单元检测使用，若作为单元检测使用，完成时间为 4 分钟．

示例 5

图 6 – 12 为观察电容器的充、放电现象的实验电路图．当把开关 S 拨到 1后电容器充电，两极板的电荷量逐渐增加直至稳定，其判断依据是__________；开关 S 拨到 2 后电容器放电，两极板的电荷量逐渐减小至 0，其判断依据是____________．（从电流计和电压表的示数变化说明）

分析  实验时，根据电流计的读数，判断充电、放电电路电流流向和大小变化情况．根据电压表的读数，判断电容器两极板电势差在充电、放电过程中的变化情况．

解答  电压表示数迅速增大，随后逐渐稳定在某一数值，电流计的示数从某一个数值逐渐减小至 0             电压表示数逐渐减小至 0，电流计反向偏转且示数逐渐减小至0

属性表

说明  本示例可以作为单元检测使用，完成时间约 1 分钟．评分参考（以总分 4 分、每空 2 分为例）如下．

附：评价量表

示例 6

某些肿瘤可以用“质子疗法”进行治疗，在这种疗法中，质子先被加速到具有较高的能量，然后被引向轰击肿瘤，杀死细胞，若质子的加速距离为 4.0 m，要使质子由静止被加速到 1.0×10⁷ m/s，则匀强电场的电场强度应是________N/C．

分析  质子在匀强电场中做初速度为零的匀加速直线运动．方法一：运用运动学公式求出加速度，再运用牛顿第二定律和公式 F = qE 求出电场强度．方法二：运用动能定理来解决问题．计算中需要知道质子所带的电荷量和质量．

解答  1.3×10⁵

属性表

说明  本示例可以作为课堂例题或课后作业使用．

发布时间：2023/2/7 上午10:25:00  阅读次数：3216