第九章《静电场及其应用》学习过程

　　（一）本单元的概念结构图如下

　　在初中学习电场、正负电荷、电场力基础上进一步学习点电荷、电场强度、电场线等概念，学习描述电场，拓展和深化对电场的理解。本单元概念是进一步从力的角度学习如何描述电场，也为今后从能的角度学习如何描述电场打下基础。在归纳抽象、概念建立、分析论证、逻辑推理、实验探究等思维能力与核心素养方面都实现了进阶。依据学习内容、学情分析和教学目标设计学习过程进阶图如下。

　　（二）学习过程设计的说明

　　学习进阶层级设计及解读：

　　L1层级是在初中静电知识的基础上引入电荷量的概念，通过物理学史介绍摩擦起电，从而得出对电荷的发现，再通过富兰克林的实验，发现雷电的性质和摩擦产生的电的性质完全一致，让学生了解天电和地电的统一，了解自然界中存在正、负两种电荷，通过物质的微观结构解释摩擦起电的原因，接下来通过实验介绍起电的另一种方式-感应起电，进一步认识物体带电的本质，使学生认识到“电荷可能守恒”，通过大量实验表明电荷的总量保持不变，也就是电荷守恒，进一步完善学生对守恒思想的理解。而对于元电荷的概念，是从电荷量子化的角度上来阐述的，这是学生第一次对量子化有感性认识，通过元电荷是存在的事实和电荷量不连续性，让学生体会不连续变化的含义，加深对电荷的认识。通过实验和对实验现象的解释，从不同的角度上一步步深化了学生对电荷的理解，发展了学生严谨的理性思维，并渗透了科学态度和责任的教育。

　　L2层级是让学生体验带电体之间相互作用力的定量关系，为建构电场、电场强度的概念奠定基础。通过在课堂上进行实验探究，重视学生在对静电力定性的认识，再通过库仑的实验，确定静电力的定量关系，从而得出重要规律库仑定律，让学生经历从猜想到验证、从定性到定量的科学探究的历程。库仑的实验从研究方法上沿用了定量探究的一般方法：控制变量法，与“探究加速度与力、质量的关系”实验保持了一致性，在实验过程中利用库仑扭称试验和扭摆实验巧妙的解决了电量测量问题、微小库仑力测量的问题，领会采用的对称、微小力放大等思想方法，体会科学家解决实验中遇到很多问题的方法解决的巧妙性，体验科学思想方法在科学研究中的重要性。理解库仑定律还需要建构理想模型-点电荷，可以通过类比质点理想模型，加深学生对理想模型的体验。在处理复杂带电体之间静电力时，可以通过设置具体情境，使学生学会用叠加的思想来处理，体会局部与整体的辩证关系，为电场强度的叠加做好铺垫。

　　L3层级是通过电场强度新概念的建立和电场线的引入来认识电场。电场看不见，摸不着，先从电荷之间的相互作用力是通过电场发生的角度让学生知道电场是客观存在的一种物质。为了增强学生对电场客观存在的感性认识，可以展示人体带电时头发竖起散开的实验，也可以类比学生初中已经学过的磁场，让学生体会跟由分子、原子组成的物质不同，场是客观存在的一种特殊物质形态。如何来描述电场，首先引入一个新的概念电场强度，从定量计算的角度来描述电场，采用比值定义法定义电场强度，知道电场强度的客观性和矢量性，知道电场强度既可以描述电场的强弱，也可以描述电场的方向，通过等量异种电荷电场强度的计算，了解电场的强度的叠加原理；再通过虚拟的电场线进一步描述电场，使物理概念更具体化，更形象化，通过电场线的分布了解点电荷、等量同种电荷、等量异种电荷以及匀强电场的电场的分布，逐步完善学生对场的物质性的认识。法拉第提出的用虚拟的“线”描述抽象的“场”的做法是科学研究中一种重要的思想方法。

　　（三）跨越层级的活动设计

　　【活动一】感受电荷之间的静电力并探究影响电荷间相互作用的力的因素 

　　任务情景：感应起电机放在铁架台旁边，将一小块泡沫用丝线系在铁架台上，保持感应起电机的一个电级和泡沫靠近，转动感应起电机，发现泡沫被电级吸引与电级接触后，快速远离。

　　任务一：请分析泡沫为什么会被电级吸引，为什么与电级接触后，快速远离？

　　任务二：泡沫与电级远离后，改变泡沫与电级之间的距离，让电级逐步靠近泡沫的距离变大，观察丝线与竖直方向的夹角，发现夹角怎么变化？这一变化说明什么？

　　任务三：取一个更小的泡沫替换掉原来的泡沫，让泡沫与电级的距离跟原来的泡沫第一次的距离相同，更加快速转动起电机的手柄，观察丝线与竖直方向的夹角，发现夹角与原来泡沫第一次的夹角有什么不同？这一不同说明什么？

　　活动目的：让学生通过对静电力的感性认识，让学生明确电荷和电荷之间存在静电力，帮助学生实现了从L1层级向L2层级的跨越，同时也为后面建构电场、电场强度的概念打下基础。

　　【活动二】思考“如何描述电场”的方法

　　任务情景：

　　任务一：比较图1中同一点电荷在电场的不同位置的受力情况；

　　发现：试探电荷距离场源电荷越近，电场力越大。

　　任务二：比较在电场中的同一点，不同的电荷，受到的静电力情况；

　　发现：试探电荷电荷量越大，电场力越大。

　　任务一和任务二说明：静电力的大小不仅与电荷所处位置有关，还与检验电荷q的带电量有关。

　　任务三：在电场中的不同一位置，如图2所示，不同的电荷，受到的静电力也不相同，

　　发现：距离场源电荷远的位置，试探电荷电荷量大，电场力可能大。

　　说明：静电力大处，电场不一定强。

　　猜想：能否用电场力的大小表示电场的强弱？

　　回答：不能。

　　任务四：假设在电场中A点，放入一个检验电荷q1,受到的静电力是F1；

　　在A放入一个电荷2q1，受到的静电力为2F1；

　　在A点放入一个检验电荷3q1,受到的静电力也是3F1；

　　以此类推，可以发现：静电力大小F与试探电荷的电荷量q成正比，即在电场同一个位置，“”相同，而不同的位置“”大处，对于同一电荷，所受静电力就是大，且与检验电荷q无关，与位置有关。比值“”能够描述电场的力的性质，我们引入一个新的物理量—“电场强度”来描述电场。并规定，电场中某点的电场强度的方向与正电荷在该点所受的静电力的方向相同。

　　活动目的：通过在场源电荷的电场中引入试探电荷，比较在相同位置和不同位置试探电荷的电场力与所带电荷量的比值，构建新的物理概念“电场强度”来定量的描述电场，帮助学生来理解电场的存在并学会描述电场，完成从L2层级向L3层级的跨越。

　　【活动三】模拟电场线

　　自制验电羽：

　　器材：里面装有蓖麻子油和头发屑的玻璃瓶、验电羽、感应起电机。

　　任务一：点电荷周围电力线的模拟。导线将感应起电机的1个电极与里面装有蓖麻子油和头发屑的玻璃瓶相连。转动感应起电机，如图3所示，头发屑的的排列形状就是模拟单个点电荷周围的电力线分布情况。

　　任务二：两个异种点电荷周围电力线的模拟。用导线将感应起电机的两个极分别同时与2个验电羽的铜丝相连。两验电羽的高度要相同,相距约10cm。转动感应起电机。此时, 两验电羽的形状就是模拟两个异种点电荷周围电力线的分布情况。

　　任务三：匀强电场的电力线的模拟。用导线将感应起电机的2个极分别同时与2个验电羽相连。转动感应起电机。此时, 两验电羽的形状就是模拟两个同种点电荷周围电力线的分布情况。

　　活动目的：通过模拟电场线，让学生感受到为了更形象的描述电场，引入电场线的必要性。通过假想模型的建立，体会电场空间立体的分布特点，帮助学生更好的理解电场，完成从L2层级向L3层级的跨越。