高中物理优质课学案-库仑定律

观察现象：同种电荷相互___________，异种电荷相互____________。 提出问题：电荷间的相互作用力遵从什么规律？

大胆猜想：影响电荷间相互作用力的因素有__________________________。 实验探究：定性探究：

表1

操 作 保持___________不变 减小_______________ 保持___________不变 减小_______________

定量探究：

表2 电荷间作用力F与电荷量q1的关系 1 1 1 q1q1q1q1248 1 q116现 象 悬线与竖直方向 的夹角________ 悬线与竖直方向 的夹角________ 结 论 两球间作用力随 __________的减小而____ 两球间作用力随 __________的减小而____ 电荷电荷量q1 10-3N 作用力F / 9.8×

在误差允许范围内，电荷间作用力F与___________成正比，即F∝__________.

表3 电荷间作用力F与电荷间距离r的关系 电荷间距离r / m 1/m1r 12/mr20.03 33.33 1111 0.04 25.00 625 0.05 20.00 400 0.070 0.060 0.050 0.040 0.030 0.020 0.010

O /m10.06 16.67 278 F/9.8×10-3N

0.07 14.29 204 0.08 12.50 156 10-3N 作用力F / 9.8×

F/9.8×10-3N 0.070 0.060 0.050 0.040 0.030 0.020 0.010

O 5.00

10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 1r200 400 600 800 1000 1200 1r2/m2在误差允许范围内，电荷间作用力F与___________成反比，即F∝__________.

数理推演：

结合牛顿第三定律，F∝__________.

综合以上结论，F∝__________.改写为等式，F ＝ __________.

形成理论：真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的_______________成正比，与它们的________________成反比，作用力的方向在它们的连线上。这个规律叫做库仑定律，电荷间的相互作用力叫做静电力或库仑力。

公式：F = ，其中k = 方向： 成立条件：

科学方法引导科学发现的典范

——库仑定律的建立过程

库仑定律的建立标志着人类对电磁现象从定性研究进入了定量研究的阶段，是电磁学研究的一座里程碑。库仑定律的建立过程是科学方法引导科学发现的典范。

16世纪，英国科学家吉尔伯特（William Gilbert,14～1603）系统地研究了摩擦起电等静电现象，注意到静电之间的吸引和排斥等现象。但仍受旧的学术传统影响，对现象有解释停留在思辨的层面，没有进一步设计实验进行研究。

1687年，英国物理学家牛顿（Sir Isaac Newton,13～1727）的《自然哲学的数学原理》发表，提出的三大运动定律和万有引力定律震惊了世界。他用实验检验理论假说，并尝试用简洁明了的公式归纳物理规律的方法给了后人以极大的启示。

1759年，德国科学家爱皮努斯（F.V.T.Aepinus,1724～1802）观察了诸多静电现象后总结出：电荷之间的作用力随带电物体间的距离的减小而增大。

1760年，瑞士物理学家伯努利（Daniel Bernoulli,1700～1782）受万有引力理论启发，猜测电荷间的电力服从平方反比规律。 1767年，英国化学家普利斯特里（Joseph Priestley,1733～1804）指出电荷间作用和万有引力服从同一规律，即平方反比规律。他作出这个推断基于两点：1.牛顿理论上证明了平方反比规律下匀质球壳对壳内物体没有引力作用；2. 美国发明家富兰克林（Benjamin Franklin,1706～1790)发现悬挂于带电金属罐内软木球不受金属罐上电荷的作用力。

1769年，苏格兰物理学家罗比逊（John Robison,1739～1805）通过巧妙的杠杆装置，直接验证了平方反比关系。不过，这个成果到1801年才发表。

1773年，英国物理学家卡文迪许（Henry Cavendish,1731～1810）设计了精巧的同心球实验，精确地间接验证了平方反比关系。遗憾的是，这个成果也一直没有发表，直到整整100年后的1873年，电磁学理论的集大成者麦克斯韦（James Clerk Maxwell,1831～1879）在整理他留下的个人实验数据时才发现。

1785年，法国物理学家库仑（C.A. de Coulomb,1736～1806）通过划时代的伟大实验－库仑扭秤实验较为精确的研究了同种电荷间的作用力，得出电荷间作用力定律。

1787年，库仑利用电摆实验精确研究了异种电荷间的作用力，库仑定律进一步得到确认。 库仑定律自发现以来，科学家不断检验指数2的精度。1971年威廉（E. R. Williams）等人的实验表明库仑定律中指数2的偏差不超过10-16，因此假定为2。到目前为止，理论和实验表明点电荷作用力的平方反比定律是相当精确的。200多年来，电力平方反比律的精度提高了十几个数量级，使它成为当今物理学中最精确的实验定律之一。

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关于文中科学家和相关实验的更多细节，请上网搜索资料或参阅《物理学史》（郭奕玲,沈慧君著.北京:清华大学出版社.2005.8）