第十章 静电场中的能量 教案- 高二上学期物理人教版(2019)必修第三册.docx
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1、第十章 静电场中的能量教案学情分析学生通过前一章的学习,了解了静电场的力的性质。本单元将进一步加深学生对静电场的理解,丰富学生的能量观念。(一)认知基础学生在初中简单接触了电学,建立了电荷的概念。通过前面的学习,学生初步从相互作用观的角度理解电场,会对身边生活中常见的静电现象与应用进行解释,会用电场强度描述电场,知道利用库伦定律计算点电荷的电场力,但相关概念对于学生而言较为抽象,理解不透彻。学生通过对动能定理和机械能守恒定律的学习,已经建立了能量观,理解做功是能量转化的量度,知道重力做功与路径无关,知道重力做功等于重力势能的减少量。这有助于学生类比重力场学习电场,从能量观的角度理解电场力做功特
2、点、电势能等概念。在方法及能力上,学生对模型建构、类比迁移等科学思维方法掌握较好,具备一定的抽象思维能力,但是空间思维、逻辑推理、数形结合等科学推理能力,与新课标要求存在差距。(二)学科前概念在学生头脑中,对重力场的内涵理解是不全面的。比如:重力是学生最熟悉的力,是从相互作用观理解重力场;物体由于被举高而具有重力势能,是从能量观理解重力场。但是学生并没有学习过关于“势”的概念,在关联学习电势概念时具有一定的难度。学生对于重力势能的理解是物体的质量为正值,高度越高,重力势能越大。电荷具有正负电性,电性的不同会导致电势能截然相反,例如:对于正电荷,电势越高,电势能越大;对于负电荷,电势越高,电势能
3、反而越小,由于学生的生活体验中没有质量为负值的物体,所以在理解电势能的相关概念及内涵时没有重力势能那么容易。(三)认知关键点对“电势”概念的理解存在困难。学生没有建立重力势的概念,不知道重力势能与重力势的关系,也没有相关的生活经验参考,尽管本章已经利用比值定义法从电势能的角度定义电势,避免涉及电势的物理意义,但是电势的概念依然非常抽象,部分学生仍理解困难。在理解电势能、电势与电荷量三者关系时,由于学生认知的局限性,对电势能、电势、电荷量三者的符号关系容易困惑,将“正电荷所处电势越高,电势能越高”的理解迁移至“负电荷所处电势越低,电势能越高”有一定难度。学生易将“定义式”和“决定式”混淆,认为定
4、义式中的物理量是决定因素,例如:认为电势是有试探电荷的电势能决定的,认为电容是由电容器所带电荷量决定的。教学目标与重难点分析(一)学习目标1.理解静电力做功跟路径无关的特点。通过类比重力势能理解电势能的概念,体会能量观点是分析物理问题的重要方法。理解电势能的变化与静电力做功的关系。2.通过建立电势概念的过程,理解电势是从能的角度描述电场的物理量,会判断电场中两点电势的高低。通过类比等高线理解等势面的概念。3.知道电势差的概念。知道两点之间电势差与这两点电势之间的对应关系。理解静电力做功与电势差的关系式,能应用静电力做功的公式进行计算。4.会推导匀强电场中电势差与电场强度的关系式U=Ed,能应用
5、关系式进行有关计算。5.认识常见的电容器,通过实验感知电容器的充、放电现象。理解电容的概念及定义方法,知道电容的单位。通过实验探究影响平行板电容器大小的因素,了解平行板电容器的电容公式。6.通过解决带电粒子在电场中加速和偏转的问题,加深对从牛顿运动定律和功能关系两个角度分析物体运动的认识,以及将曲线运动分解为两个方向上的直线运动来处理的思路的认识。了解示波管的构造和基本原理。(二)重点和难点及分析:电势能 电势 带电粒子在电场中的运动1.电势能与电势是本章的重点,也是难点。说它是重点的原因是:第一,电势是描述电场两个核心概念之一(前一个是电场强度),电势是描述电场能量性质的物理量。第二,建立电
6、势概念与建立电场强度概念都采用了用物理量之比定义新物理量的方法,有利于学生体会科学研究方法。之所以是难点的原因是:第一,经过普通高中教科书物理必修第二册功和能的关系问题学习,对学生来说,能量虽然是熟知的概念,但是电势能的概念抽象,需要类比重力势,电势和电势差概念相对更抽象。第二,学生学习重力势能时没有接触与电势相对应的物理量,如“重力势”,所以教科书通过类似电场强度的定义过程来定义电势。2.带电粒子在电场中的运动要求学生会从运动和力的关系的角度、从做功和能量变化的关系的角度进行分析解决问题,并能对偏移距离、偏转角度、离开电场时的速度等物理量进行分析与计算。由于力学和电学知识的综合应用程度逐渐提
7、高以及微观带电粒子运动的抽象性,学生在学习这部分内容时会出现困难,所以确定为本单元重点和难点。(三)重难点的突破策略本章教学中要善于采用类比的策略发展前认知中有利的概念,创设基于真实的概念前的物理情境,采取循序渐进、实验、归纳、演绎等教学策略建构新概念,突破疑难点。1.通过创设情境突出重点,突破难点。为什么静电力做功与路径无关就可以引人电势能的概念?这是学生常常感到困惑的问题,也是教师不容易讲清楚的内容。应该怎样讲清楚这个因果关系?学生已经学习了动能定理的知识,因此,就有条件使电势能的引入更有逻辑,可以在学生原有认知基础上创设合理情境,通过逻辑推理来建立电势能的概念。例如创设这样的情境:一个带
8、电质点在电场中由A运动到B,只受静电力作用,由于静电为做功,质点增加了一定的动能。由动能定理可知,质点增加的动能等于静电力所做的功。根据能量守恒定律,质点动能的增加定意味着另一种形式的能量减少,这种形式能量的减少量也等于静电力做的功(功是能量变化的量度)。由于静电力做的功与路径无关,是由始、末位置决定的,说明电场中这种形式的能量是由位置决定的,因此把这种能量叫作“电位能”,后来统一称为“电势能”。这样,电势能概念的提出不是笼统、抽象的,而是创设了质点在静电力作用下由A运动到B的具体情境后,根据动能定理,一环扣一环进行思维加工,从而引出电势能的。为什么试探电荷在电场中某点的电势能与它的电荷量之比
9、跟试探电荷无关呢?可以创设这样的情境:以无限远为零势能位置,把电荷量为q的试探电荷从无限远移到电场中某点。设静电力做负功,功的绝对值为W,则试探电荷在电场中该点的电势能是W。现把另一电荷量为2q的试探电荷也从无限远移到电场中同一点,它们的路径一样,位移完全相同。两个试探电荷在电场中同一位置,2q所受的静电力始终等于1q的2倍(因电场强度相同),因此从无限远移动2q到电场中某点静电力做的功一定是1q的2倍。这样2q在电场中的电势能就是1q的2倍,因此,试探电荷在电场中某点的电势能与它的电荷量之比必然跟试探电荷的电荷量无关。2.要善于运用类比的方法以引导学生建构概念,突破疑难点。由于静电场中能量的
10、相关概念和规律都非常抽象,离学生的生活实践和体验感知较远,所以要通过类比学生已经学习的、较容易感知的重力场来学习建构静电场中能量的相关概念,这一点非常重要。比如,用重力场类比静电场,重力势能类比电势能,重力做功类比电场力做功,用重力做功和重力势能变化的关系类比电场力做功和电势能变化的关系。应该指出,静电力做功比重力做功的情况复杂。因为地球产生的重力场对物体只能产生引力,但场源电荷产生的电场对电荷既可以产生引力,也可以产生斥力,导致静电力做功的情况较为复杂。在同一电场中,同样从A点到B点,移动正电荷与移动负电荷,电荷的电势能变化是相反的。教学的重点要突出重力做的功等于重力势能的减少量,无论正、负
11、电荷,静电力做的功都等于电势能的减少量。教师还可以用地理知识中的等高线类比等势面(线),用水桶盛水类比电容器储存电荷,用水桶的容积类比电容器的电容,用平抛运动类比带电粒子在电场中的偏转运动,等等。3.引导学生通过对比学习来加深对概念的理解。电势和电场强度的概念都是通过比值定义法得出的:电场强度,试探电荷在电场中某点所受的静电力与其电荷量之比跟试探电荷无关;电势,试探电荷在电场中某点的电势能与其电荷量之比跟试探电荷无关。但两个公式有很大的不同。电场强度E是矢量,定义式描述的是电场强度的大小,它的方向跟正电荷的受力方向相同,跟负电荷的受力方向相反。公式中,F为静电力的大小(不带正负号),q为电荷量
12、的绝对值(不带正负号)。电势是标量,公式中,为试探电荷在该点的电势能(带正负号),q为电荷量(带正负号),电势的正负由二者比值决定。内容与价值分析(一)课标要求及解读课标要求:3.1.5 知道静电场中的电荷具有电势能。了解电势能、电势和电势差的含义。知道匀强电场中电势差与电场强度的关系。能分析带电粒子在电场中的运动情况,能解释相关的物理现象。3.1.6 观察常见电容器,了解电容器的电容,观察电容器的充、放电现象。能举例说明电容器的应用。例7 查阅资料,了解电容器在照相机闪光灯电路中的作用。活动建议通过观察、查阅资料等方式,了解并分析电容器应用的实例,撰写研究报告。解读课标:本单元通过对静电场中
13、能量的讨论、电容器的电容和带电离子在电场中的运动这三个主题的研究学习,重在培养学生的能量观念和运动与相互作用观念,提升科学论证能力,体会类比方法等科学研究的方法,体会比值法在定义物理量中的重要作用,体会科学研究应该从不同的角度展开,体会科学、技术、社会、环境的关系,由此将进一步体会人类认识和描述自然的方式,提升物理学科核心素养。(二)学习内容分析前一章静电场及其应用是从力的角度来研究电场所具有的性质,而本章内容则是从能的角度来研究电场。通过本章的学习,学生将会清晰物理学中电能的含义,还可以进一步理解初中所学的电压的物理意义。同时本章的学习在物理观念的形成、科学思维的提升、灵活解决问题的能力的培
14、养、认识科学、技术、社会、环境的关系等方面都有很大的价值体现。1.本章的学习可以形成关于认识电场能的性质的能量观念,提升学生“运动和相互作用观”和“能量观”。本章的学习,可以使学生更加全面的认识电场的性质。首先从前章所学的电场力出发,研究静电力做功进而引出电势能这一概念;随后通过不同电荷在电场中同一点电势能不同、但电势能与电荷量的比值一定引出电势的概念,明确电势是描述电场的能性质的物理量,它表征了电场赋予外来电荷电势能力的本领;电势差就是电势的差值;由静电力作为中间联系,由静做功与电势差的关系、静电力与电场强度的关系得到电势差与电场强度的关系。由此形成关于认识电场这一物质的重要的物理观念-能量
15、观。在带电粒子在电场中的运动这一主题的研究过程中,涉及了带电粒子受力与运动的相应关系、系统电势能与机械能的相互转化等综合问题,可以提升学生的 “运动和相互作用观”和“能量观”。2.本章的学习将电场力的性质与能的性质紧密联系在一起,可以使学生形成合理的认知结构,储存结构良好的静电场“知识组块”。静电场中力学性质的描述是由静电力到电场力,静电场中能的性质也由静电力出发,到静电力做功再到电势能、电势、电势差,最后又把电势差与电场强度联系起来,将静电力做功与电势差联系起来,使整个的静电场的描述紧密联系起来,形成一个逻辑关系紧密的静电场 “大概念”。通过熟悉掌握物理量之间的关系,可以灵活运用来解决实际问
16、题。3.在知识形成的过程中突出了类比法在科学研究中的作用。本章在电势能的学习中通过对比重力势能的引入,体会学习电荷在电场中的电能;类比重力做功与重力势能之间的关系,让学生通过电场力做功与电势能之间的关系来计算电场中电荷的电势能;通过类比重力势能的系统性和相对性,体会电势能的系统性和相对性等等。这一系列的类比学习可以说是前面知识为现在学习的铺垫,更是现在的学习对前面的学习的引申、拓展,体会类比法在科学研究和实际学习中的作用对提升学生的学习能力至关重要。4.注重科学思维的提升,科学论证更加科学、严密、富有逻辑。在静电力做功与路径无关这一环节,是对重力做功与路径无关的类比和引申,但对科学论证的能力要
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