高中物理 沪科版选修3-1 全册教学建议和参考资料

静电现象与电荷守恒
教学建议
本节由电荷、物体起电的原因、电荷守恒定律、元电荷四部分内容组成。

它们是本章的预备性知识。

关于静电现象方面的知识,初中已有介绍,而高中更侧重从物质微观结构的角度认识物体带电的本质。

结合摩擦起电和感应起电的具体情景,理解电荷守恒定律是本节的重点。

摩擦起电和感应起电两个内容不仅为“两种电荷”以及电荷间的相互作用提供了感性材料,而且为理解电荷守恒定律铺设了台阶。

所以做好摩擦起电和感应起电两个实验是本节教学的重点。

教学中应该重视这两个实验的教学设计。

在完成“电荷”教学的基础上,使学生能够认识到,无论是摩擦起电还是感应起电,其本质都是微观带电粒子(如电子)在物体之间或物体内部的转移,而不是创造出了电荷。

有了这样的认识,在教学中可以提出以下三个问题:
①电中性物体中有无电荷存在?
②所谓“电荷的中和”是不是正、负电荷一起消失了?
③对于“电荷的总量保持不变”中的“电荷的总量”你是怎么理解的?
引导学生认识到:电中性物体中是有电荷存在的,只是电荷的代数和为0;“电荷的中和”是指电荷的种类和数量达到异种等量,这时正、负电荷的代数和为0;“电荷的总量”是指电荷的代数和。

对于元电荷的概念,最重要的是把握电荷量子化的思想,这是学生第一次接触“量子化”,要为以后的学习打个伏笔。

教师授课时不必过早提出“量子化”的名词,可先以人群的最小量是一个人为例,让学生知道不连续变化的含义,然后引出电荷量是不能连续变化的物理量的事实,并介绍电荷量的定义。

参考资料
球状闪电的成因探索
人类历史上曾留下很多有关球状闪电的记载。

由于很难解释球状闪电的一些特征,例如目击者一般感受不到火球的热度,但火球往往触物即燃,因此该现象长期以来一直被视为目击者的幻觉,甚至有时还被列为超自然现象之列。

研究人员利用建立起来的闪电磁场模型,解开了球状闪电的很多谜团。

这一模型的关键是闪电过程中形成的水平磁场和垂直磁场磁感线圈相互交织而成的磁感线网。

在某些特殊情况下,这一磁感线网有可能会呈现出球形,而发光等离子体会被这一球网所“俘获”而形成球状闪电。

由于水平磁场和垂直磁场磁感线圈互相束缚,因此其最终构成的磁感线网和其中的发光等离子体不易膨胀,这一火球效应会一直持续到等离子体开始冷却。

研究人员指出,根据他们的测算,火球持续时间最多可达10至15秒。

当等离子体冷却后,电子开始被原子所束缚,等离子体内部电阻变大、电流趋弱,周围的磁场也将随之瓦解,最终火球不复存在。

按照拉纳达等的理论,球状闪电绝大部分较冷,但在沿磁力线方向局部温度往往超过1.6万摄氏度。

研究人员指出,据此就可很好地解释为什么火球并不发热而触到物体后往往容易着火。

探究电荷相互作用规律
教学建议
本节内容的核心是库仑定律,它不仅是电磁学的基本定律,也是物理学的基本定律之一。

库仑定律阐明了带电体相互作用的规律,为整个电磁学奠定了基础。

由于库仑扭秤实验在中学学校很难做成,可介绍库仑扭秤实验的设计思路与实验方法,
其中需注意:
库仑当年实验时,还不知道怎样测量物体所带的电荷量,甚至连电荷量的单位都没有。

库仑根据实验现象判断:两个相同的带电金属小球互相接触后所带的电荷量相等。

应该要求学生理解库仑做出这一判断的实验依据,这不仅能够培养学生严谨的科学态度,而且能够培养学生的理性思维能力。

静电力常量是一个重要的常量,教学中要求学生根据库仑定律的公式推导出它的单位。

对库仑定律的教学应明确以下几个问题:
①知道点电荷的物理意义,以及在具体的物理情境中建立点电荷模型的条件,体验物理
理想模型的研究方法,感悟科学研究中建立理想模型的重要意义,并能在其他场合中尝试运用这种方法研究物理问题。

“点电荷”是学生在电磁学中接触的第一个理想模型,可以把它与学过的“质点”理想模型联系起来,以加深学生对这种方法的体验。

如在两带电体之间距离接近0时,由于已经失去了简化为点电荷的前提条件,因此不能根据库仑定律得到静电力无穷大的结论;而在两带电体间的距离非常大时,不管形状如何,总是可以把它们看作点电荷。

②叙述库仑定律的内容不仅要说明静电力的大小,而且要说明静电力的方向。

可以告诉学生,严格地说,这个定律只适用于真空中的两个静止的点电荷,但实验上对空气中两个静止点电荷,或者运动速度不大的两个点电荷,也可以用库仑定律计算它们的静电力。

学生如果问:为什么强调“静止的”点电荷?可以告诉他们这个问题在以后学习电磁场与电磁波时就会明白。

③万有引力与物体的质量有关,静电力与电荷的电荷量有关;万有引力只存在引力,而静电力有引力和斥力两种,这
说明了自然规律的多样性。

另一方面,万有引力定律与库仑定律都遵循距离的“平方反比”规律,表达形式也十分相似,相互作用都是相关“场”的作用。

可见,自然界的事物尽管是多种多样的,但却具有统一的一面。

通过对上述问题的分析、类比,可以使学生进一步体会到自然界的和谐与多样的美。

参考资料
杰出的科学家——库仑
库仑(Charlse-AugustindeCoulomb1736—1806)法国工程师、物理学家,1736年6月14日生于法国昂古莱姆,1806年8月23日在巴黎逝世。

库仑早年就读于美西也尔工程学校,离开学校后,进入皇家军事工程队当工程师。

法国大革命时期,库仑辞去一切职务,到布卢瓦致力于科学研究。

法皇执政统治期间,他回到巴黎成为新建的研究院成员。

库仑于1773年发表有关材料强度的论文,所提出的计算物体上应力和应变分布情况的
方法沿用到现在,是结构工程的理论基础。

他在1777年开始研究静电和磁力问题,当时法国科学院悬赏征求改良航海指南针中的磁针问题。

库仑认为磁针支架在轴上,必然会带来摩擦,提出用细头发丝或丝线悬挂磁针。

他在研究中发现线扭转时的扭力和针转过的角度成比例关
系,从而可利用这种装置测出静电力和磁力的大小,这直接导致他发明扭秤。

他还根据丝线或金属细丝扭转时扭力和指针转过的角度成正比,因而确立了弹性扭转定律。

他根据1779年对摩擦力进行分析,提出的有关润滑剂的科学理论,于1881年发现了摩擦力与压力的关系,表述出摩擦定律、滚动定律和滑动定律,设计出水下作业法,类似现代的沉箱。

1785~1789年间,他用扭秤测量静电力和磁力,导出著名的库仑定律。

库仑定律使电磁学的研究从定性进入定量阶段,是电磁学史上一块重要的里程碑。

库仑是18世纪最伟大的物理学家之一,他的杰出贡献是永远也不会被磨灭的。

静电与生活
教学建议
教师在讲解本节内容时注意激发学生的积极性,培养学生的观察能力。

生活中的静电现象比较常见,教师可以通过录像、图片等方法让学生更多地了解静电现象,并引导学生利用所学知识对有害静电提出有效的防止措施;另外针对静电的利用,重点讲解静电的利用原理。

可以讲解静电复印或静电除尘。

在教学中,注意培养学生的社会责任感,联系实际,关心社会,让学生意识到用所学回报社会是社会公民的义务,这也是我们教学的目标。

参考资料
生活中防静电小知识
1.对于体内积存静电较多的人,可以通过“输出”的方式将其消耗掉。

(1)勤洗澡、勤换衣服,能有效消除人体表面积聚的静电。

(2)当头发无法梳理服帖时,将梳子浸在水中,等静电消除之后,便可随意梳理了。

洗头发时尽量使用润发露或护发素。

(3)赤足有利于体表积聚的静电释放。

因此,休闲时,不要放过赤足的一切机会。

(4)多吃蔬菜、水果、酸奶等酸性食品,多饮水,同时补充钙质和维生素C,以减轻静电影响。

2.在家里洒些水,不便弄湿地板的地方,放置一两盆清水,同样可以达到增加室内空气湿度的目的。

室内可用加湿器,摆放花草或在室内饲养观赏鱼。

3.为避免静电电击,可用小金属器件(如钥匙)、棉抹布等先碰触大门、门把、水龙头、椅背、床栏等消除静电,再用手触及。

4.电视机不能摆放在卧室。

人们看电视时可以打开窗户,同电视机保持2~3m距离,看完之后要洗脸、洗手。

5.对老人、小孩、静电敏感者、查不出病因的心脏病人、神经衰弱和精神病患者等建议在冬季穿纯棉内衣、内裤,被里、床单、被罩等要用天然纺织物,尽量不要穿化纤质地的服装,以减少静电对人的不良影响。

探究电场的力的性质
教学建议
电场和电场强度是两个比较抽象的概念,学生初学不易理解掌握,困难较大,因此教法上,应采取直观、探索、类比和正面导入的启发式教学法。

电场概念的建立,通过直观演示实验——观察点电荷(悬挂的带电通草球)放入电场中
任一位置,都会受到电场力作用(通草球偏离竖直方向),两电荷间相互作用时不直接接触,它们之间的相互作用是通过别的物质作用的,这就是看不见、摸不着的物质——“场”。

这样就可降低难度,初步建立起“电场”的概念。

电场强度是描述电场的力的性质的,是本章教材的一个难点。

可以从电荷在同一电场的不同位置所受的电场力不同,得知电场不同位置强弱不同,那用什么物理量来反映这个强弱?知道E是个矢量,它有方向有大小,它表征了电场的力的性质。

至于怎么求大小,怎么判定方向,E 的单位是什么,应在理解的基础上掌握。

这里的教法,也是通过直观演示——同一点电荷,在电场中不同的位置,F大小不同、方向不同,然后经对比、辨析、质疑,正面导入电场强度概念。

电场是一种看不见摸不着的物质存在的一种形态,而电场线就是用来描述电场的人为
抽象出来的线,在对电场线这一概念进行授课时可采用实验演示、实物影视、彩色图片和电脑动画等情景不断帮助学生来建构电场线,分析出电场线的特点。

与学生在初中时候学过磁感线知识作类比,引导学生从无形到有形,从箭头到曲线,从猜想到实验模拟的学习思路,总结了物理中研究看不见、摸不着物质的方法和手段。

教学还应注意:
(1)再一次用到理想化物理模型的思想和方法,引入“试探电荷”来定量研究电场力的性质。

(2)应用比值的方法和形象描述的方法,定量和定性描述电场。

重点要说明“比值方法”和“带箭头线条”的意义和价值。

应用“比值”建立物理量,描述物质性质,概括物质运动和变化规律,是物理学中常用的一种方法。

它的实质是在控制变量的基础上,进行比较的一种测量做法。

(3)物理学中,应用带箭头的线条形象描述物理现象的地方很多,如力线、光线、流线、磁感线、电场线等。

力、光、流体、磁场、电场等,它们都是客观存在的,但是,这些带箭头的线都是客观不存在的,它们只不过是人们用来形象描述这些物理事实的方法与手段。

(4)在同学们弄清“试探电荷、比值方法、电场线”意义的基础上,建立电场强度概念和表达式,以及通过电场线来认识点电荷形成的各种电场和电场的叠加原理。

参考资料
无网捕鱼
无网捕鱼实际上是电捕鱼,这种作业方式简单地说就是作业船附有发电设备、吸鱼机械,渔船开到作业渔场的鱼群附近,把吸鱼机的吸鱼管道伸向鱼群,并以它作为阳极;船的另一侧或船尾把阴极伸入水中,然后两极通以电流,在阴阳极之间的水域就形成了电场,鱼群便冲向阳极的吸鱼管口,被吸鱼机吸到船上。

这种捕鱼方法既不用渔网,也不必包抄或追捕鱼群,更不像其他作业方式那样放网、起吊,大大减轻了劳动强度,又显著提高了产量。

那么,为什么
在电场里面鱼会冲向阳极呢?原来,鱼体是一个导体,电场对它有刺激作用,电场中,鱼体若与电场的方向平行时,所受的刺激就大;与电场方向垂直时,受到的刺激就小;当鱼头朝着阴极时,所受刺激最大,于是在电场中,鱼总是寻觅刺激最小的方向,使身体与电场垂直。

但是,朝向阴极一侧的鱼体肌肉又产生痉挛,强烈收缩,致使鱼的整个身体朝着阴极方向弯曲,最终失去了平衡,于是摆动尾部来平衡身体,结果形成了趋向阳极的冲力,鱼就一尾一尾地向阳极游去,这样吸鱼管口就聚集了大量的鱼,开动吸鱼机,鱼就被吸到船上。

目前电捕鱼主要应用在淡水中,这是因为淡水的电阻大,消耗的电能和电机功率可以小些;而海水电阻小,耗电大,成本过高。

电捕鱼对小鱼苗的危害极大,是必须限制使用的捕鱼方法。

教学建议
静电力做功与重力做功有共同的特点——做功和路径无关。

这种相似性启发我们把静电力与重力进行类比。

学生已经知道,重力做功必然引起重力势能的变化,所以容易想到静电力做功必然引起相应的能量变化。

物体在地球周围是处于地球产生的重力场中,重力场的物体具有重力势能,与此类似,电场中的电荷应该具有电势能。

这里需要及时将电势能与重力势能进行比较,以加深对电势能的理解。

(1)重力势能属于地球和物体组成的系统;电势能属于电荷和电场组成的系统。

(2)重力势能的大小具有相对性,物体在某点的重力势能等于把物体从该点移动到零势能位置时重力做的功;电势能的大小也具有相对性,电荷在某点的电势能等于把电荷从该点移动到零势能位置静电力做的功。

(3)重力做的功等于重力势能的减少量;静电力做的功等于电势能的减少量。

通过以上论证电场力做功的特点跟重力做功的特点,将同学们不熟悉的电场力做功,跟熟悉的重力做功作类比,帮助学生建立“电势能”的概念,通过分析论证的途径引出“电势差”概念和表达式。

说明电势差概念虽然是在匀强电场中建立起来的,但它适用任意电场,这就是从特殊到一般的推理方法。

关于电势差和电势两个概念引出先后跟传统教材有所不同,传统教材先出现电势,再顺理成章地说电场中两点电势之差就是电势差。

这样处理合乎逻辑。

但是,课标强调电势差一方面是因为电势差就是电压,学生通过类比方法从电场力做功的角度,认识电势差概念比较容易,另一方面电势差应用比较广泛。

因此,教师在处理研究电场能的性质之一和之二两节内容时,可以根据自己的认识作调整。

课标并没有提出必须先讲电势差的要求。

这个问题跟初中物理学中到底是先提出电压概念,还是先提出电流概念是一回事。

参考资料
新型的物理肥料——电肥和声肥
电肥:植物和动物一样都具有生物电,因为自然界是一个大电场,作物与大地紧密地连在一起,因而被充了电。

科学家们观察发现农作物体内的电位同大气的电位差越大,农作物的光合作用也就越强。

科学家们做了一个有趣的实验:将西瓜种子在75V电压的稀盐酸溶液中浸泡后,西瓜的含糖量增加了4%,产量提高了10%;又用220V电压处理西红柿,其果实中维生素C的含量增加了7%,糖分增加了2%,而产量则增加了17%。

电场之所以能成为肥料,是由于生物体中的每一个细胞都是一个“微型电池”,电场能使它不断“充电”。

美国一位植物生理学家运用这个原理对烟草的细胞团施加电场,10天后发现其繁殖速度加快。

将同一原理施用于蔬菜,结果生长周期缩短一半,产量增加了3~6倍。

在黄瓜的长瓜期间给它施加90伏电压,黄瓜可增产3倍。

声肥:不同频率的声音对植物有不同的刺激作用。

轻柔、优美的旋律可以调节作物的新陈代谢,促进作物生长。

科学家用给植物听音乐的办法,培育出了2.5千克重的萝卜、排球大的甘薯、小阳伞大的蘑菇。

法国一位科学家给番茄戴上耳机,让它每天听3小时的轻音乐,结果它猛长到2千克多重。

一位农艺师做了这样一个实验:在房舍周围栽种了许多花草,给予它们同样的土质、光照、通风、浇水以及其他管理条件,只是单独“优待”窗前的花草——拉小提琴给它“听”,结果“听”了乐曲的花草长得出类拔萃,与众不同。

教学建议
一、概念的形成需要明确以下几个问题
1.电势是描述电场性质的又一重要物理量。

2.明确电势与电场强度的区别与联系。

3.确定电势零点。

应用中常常选取大地为电势零点,理论研究中选取无限远为电势零点,然后确定电场中其他各点的电势,由此明确电势取正值和取负值的意义。

4.电场线指向电势降低的方向。

沿着电场线方向移动负电荷,电场力做负功,电势能增加,电势逐渐降低;沿着电场线方向移动正电荷,电场力做正功,电势能减少,电势也逐渐降低。

以下可做适当补充,拓宽学生的知识面
1.电势的定义式φ=和点电荷电场中的电势计算公式φ=k进行比较,目的是帮助学生正确理解“电势是电场的客观性质”。

2.电势的叠加
电势是标量,它的叠加是求代数和。

讲电势的叠加,有利于讲清电场叠加时,电场强度和电势发生的变化。

例如对等量同种电荷和等量异种电荷连线的中垂线上各点电场强度和电势的讨论,可以得出电场中某点电场强度为零时,电势不为零,电势为零时,电场强度不为零的结论。

进一步加强了学生对电场性质的理解。

二、等势面
运用与地理课中学过的等高线进行类比的方法引出了等势面的概念。

为了提高学生的空间想象能力,可以组织学生讨论点电荷产生的电场的等势面是什么形状,匀强电场的等势面是什么形状,等等。

建议向学生介绍几种典型的电场的等势面分布图。

如,两等量同种点电荷电场以及两等量异种点电荷电场中的等势面形状。

这对理解等势面与电场强度的关系是十分有益的。

我们知道,同一图中电场线的疏密程度可以反映电场强度的强弱;可以组织学生讨论等
势面的疏密是否也可以描述电场的强弱呢?
三、电势差与电场强度的关系的教学
从知识层面来看:首先应强调电场强度和电势分别是描述电场这一事物的不同特性的物理量;然后在电场强度和电势依附于电场的基础上,借助于电场力移动电荷做功而导致电势能的改变这一动态过程,导出电势差与电场强度间的关系;最后又通过分析、类比、运用等环节,帮助学生深刻的体会所建立起来的关系的物理含义,较好地达成知识层面的教学目标。

从能力培养来看:教学设计在关注所要呈现的内容的同时,还应该格外关注的是相关内
容的呈现过程与呈现方式。

教学流程不仅帮助学生建立起一个具体的“电势差与电场强度的关系”,更重要的是以此为例给出了建立两个事物或者是一个事物的两个侧面间关系的一般思路,较好地达成能力培养的教学目标。

从素质影响来看:教学过程呈现出的不应该仅有一个相对完整的知识体系,更重要的是
还要同时呈现出一个严密的逻辑结构。

以逻辑推理的方式来思考教学或学习过程中所需呈现的内容及所应呈现的方式,充分的发掘出知识内容中以及呈现知识内容的过程中所蕴含的物理方法,并在教学过程中较好地发挥其相应的教育功能,较好地达成素质影响的教学目标。

参考资料
跨步电压
所谓跨步电压,就是指电器设备发生接地故障时,在接地电流入地点周围电位分布区行走的人,其两脚之间的电压。

当架空线路的一根带电导线断落到地上时,落地点与带电导线的电势相同,电流就会从导线的落地点向大地流散,于是地面上以导线落地点为中心,形成了一个电势分布区域,离落地点越远,电流越分散,地面电势也越低。

如果人或牲畜站在距离电线落地点8~10m以内,就可能发生触电事故,这种触电叫做跨步电压触电。

人受到跨步电压时,电流虽然是沿着人的下身,从脚经腿、胯部又到脚与大地形成通路,没有经过人体的重要器官,好像比较安全。

但是实际并非如此!因为人受到较高的跨步电压作用时,双脚会抽筋,使身体倒在地上。

这不仅使作用于身体上的电流增加,而且使电流经过人体的路径改变,完全可能流经人体重要器官,如从头到手或脚。

经验证明,人倒地后电流在体内持续作用2秒钟,这种触电就会致命。

跨步电压示意图
实验发现,脉冲电压幅值为0.6~30kV时,跨步电压和接触电压对牛的内部肌体没有任何损伤。

如果跨步电压的幅值提高到40~70kV,而接触电压的幅值提高到42~56kV时,牛的中枢神经系统和血液循环机能受到暂时性影响,经过休息后可以完全恢复,没有生命危险。

如跨步电压的幅值提高到96kV,接触电压的幅值提高到74kV时,牛的呼吸失常,心脏活动机能损伤,产生不可逆过程,有生命危险。

根据这些实验结果,可以得出如下结论:
对牛来讲,40微秒的脉冲危险电压值是
跨步电压U k=90~100kV(流经体内电流为200安),接触电压U f=70~80kV(流经体内电流为160安)。

为了保证防雷装置不危及人和牲畜的安全,应将引下线和接地装置尽可能安装在人们不易接触到的地方。

接地装置最好做成环形周圈式的或深埋在一米以下,以改善接地装置附近地面的电位分布;以减少跨步电压的危险。

此外,为了防止接触电压危及人畜,在可能条件下应将引下线缠上绝缘材料或隔离起来。