高考物理总练习教学案第44讲电场中的导体Word文件下载.docx

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在初中，同学们学过磁场，磁场也看不见摸不着；

当时用什么方法来形象地描述它呢？

用磁感线。

磁感线是真实存在的呢？

不存在，是假想的。

用它来形象、直观地描述磁场强弱和方向。

磁感线在条形磁体外部由N极指向S极，内部由S极指向N极，是闭合曲线，且外部稀疏内部稠密。

磁感线有走向，磁感线上某点切线方向为该点磁场方向，也是该点所放小磁针的N极指向，即N极受力方向。

磁感线不相交〔如图1所示〕。

形象直观地描述磁场用磁感线，形象直观地描述电场呢？

〔三〕教学过程设计

1、电场线概念引入

英国物理学家法拉第首先引入了电场强度的图象，他在电场中画了一些线，使这些线上每一点的切线方向都跟该点的场强方向一致，并使线的疏密表示场强的大小。

这些线称为电场线。

2、几种常见电场的电场线匀强电场

〔1〕点电荷电场的电场线

如图2〔a〕所示，在A点放正电荷Q，研究该电场的电场线。

为此在Q的周围B点放上+1C的点电荷q，它受到的电场力方向在A与B连线上，并且由A指向B，再在A与B连线上取任一点C，放+1C点电荷q，它受的电场力方向仍在连线上，方向由A向C，由于电场线在B与C的切线共线，所以射线AC为一条电场线。

同理，由A点出发的所有射线都可以是电场线，但考虑到对电场线的另一要求，它的疏密应表示E的大小，再考虑到空间对称，所以每对相邻电场线间的夹角应该相同，所以电场线应是图2〔b〕所示的样子。

对负电荷Q的电场线，只需将正点电荷Q的电场线反向即可。

如图2〔C〕所示。

〔2〕等量异号点电荷的电场线

如图3〔a〕所示，在A点与B点分别放上点电荷+Q与-Q，并研究它们的电场线的形状。

首先研究直线AB上的情况，在A与B之间的连线的任一点放上+1C的点电荷q，q受到两个电荷同时作用，而合力方向在A与B的连线上，由此可知，线段AB是一条电场线，方向由A指向B，再将q放于B点右侧直线上的任一点，发现q受的合力方向也在AB连线上，并指向B，所以终止于B点的这条射线也是一条电场线，方向指向B。

再将q放于A点左侧直线上的任一点，发现q受的合力方向也在AB直线上，方向由A向外，所以从A点出发的，方向背向A点的这条射线也是一条电场线。

A与B连线上的电场线情况如图3〔a〕所示。

再研究线段AB的垂直平分线OO＇上的情况。

为此在其上任一点放上+1C的点电荷q，它受到的两个点电荷的作用力等大，而合力都垂直OO＇，如图3〔b〕所示。

所以通过OO＇的所有电场线都应与OO＇垂直。

再在直线OO＇的两侧取D与D＇，使它们对OO＇直线成轴对称。

将+1C的点电荷q放于D点，它所受的合力指向斜上方；

将q放于D＇点，它受的合力指向斜下方。

可以看出，从A点出发，经过D、D＇回到B的一条曲线是一条电场线，如图3〔C〕所示。

同理，在直线AB的上边与下边可以画出许多这样的电场线，但考虑到电场线的疏密应对应场强的弱强的要求，电场线只能画成图3〔d〕所示的形状。

最后应指出，电场线并不只存在于纸面上，而是分布于整个立体空间。

要想研究空间某一点的场强情况，只需将纸平面以AB线为轴转动到该点即可。

〔3〕等量同号点电荷电场的电场线

用上述的方法也可以得到等量同号点电荷的电场线，如图4所示。

分析方法略去。

〔4〕均匀带电的无限大平面电场的电场线

图5〔a〕所示为均匀带正电的无限大平面，在平面上任一点A放+1C点电荷q，它所受电场力方向如何？

由于空间对称，可以肯定q受力的方向一定垂直平面a向上，所以垂直平面a的所有向上的、向下的直线，都可能是电场线，但考虑到电场线的疏密应该表示场强的强弱，又考虑到空间对称，因而电场线各处的疏密相同，所以电场线只能画成图5〔b〕的形状，即电场线是疏密均匀的平行线。

对于无限大均匀带负电的平面，电场线形状图5〔C〕所示。

电场线仍是疏密均匀的平行线，只是指向平面。

这说明在无限大均匀带电平面的两侧场强大小、方向相同。

这种电场称为匀强电场。

〔5〕带有等量异号电荷的无限大平行金属板的电场的电场线

如图6〔a〕所示，带有等量异号电荷的两个无限大平面平行放置，由于对称，每个平面上电荷的分布是均匀的。

由场的叠加原理可知，每个带电平面都在它的周围独立地产生电场，而总的电场应为两个分电场的矢量和。

图6〔b〕画出了每个带电平面的电场线，实线代表正电荷的电场线，虚线代表负电荷的电场线。

由于它们都是匀强电场，各分场场强大小处处相等，只是方向有差别。

在两板之间两场方向相同，叠加后场强增大；

在两板外侧，两场方向相反，互相抵消，场强为0，整个电场电场线的形状如图6〔c〕所示。

3、电场线的演示

〔1〕点电荷电场线的演示

如图7〔a〕所示将验电羽与感应起电机的一个放电杆接通，摇动电机，验电羽上丝线会按场强方向排列，因而显示出电场线。

可以看出，电场线形状与图2〔b〕相似。

〔2〕演示等量异号点电荷电场线

放好两个验电羽，如图7〔b〕所示，再用导线将它们分别与起电机的两个导电杆相连，摇动电机，丝线排列在电场方向上，形成类似图3〔d〕的形状。

〔3〕演示等量同号点电荷电场线

如图7〔b〕所示，再用导线将同一个导电杆与两个验电羽相连，摇动起电机，丝线排成形成类似图4的形状。

〔4〕演示带有等量异性电荷平行金属板的电场线

如图7〔c〕所示用导线将两板分别与起电机的两个放电杆连接，并摇动起电机，丝线就排列在电场线方向上。

可以观察到，在两板的中央部分，电场线是平行的，其余边缘部分电场线不平行，如图8所示。

这是因为平行金属板并非无限大所致，且非正对面上的丝线不动，原因是外侧E=0。

4、总结电场线的性质

〔1〕电场线是假想的，不是真实的。

〔2〕电场线起于正电荷止于负电荷，电场线不闭合。

对于单个点电荷，正电荷假想无穷远处有负电荷，电场线终止于那里；

负电荷同理。

〔3〕电场线的疏密表示电场的强弱。

〔4〕电场线不能相交。

因为在电场中的任一点处只有一个电场强度，方向唯一，如相交那么该处出现两个场强方向，所以不能相交。

〔5〕电场线不能相切。

原因：

电场线疏密表示强弱，如相切那么在切点电场线密度无穷大，这种情况不可能，所以不会相切。

【四】作业

分别画出正点电荷，负点电荷，等量异性电荷，等量同性电荷，无限大均匀带电平面，带有等量异性电荷的无限大平行平面的电场线。

【五】说明

1、注意强调我们画的是几种典型电场的电场线平面分布图，实际上是空间立体分布的。

2、强调一定要记住几种典型电场的空间分布。

3、电场线上某点的切线方向是那点的电场强度方向，是放在那点检验电荷+q的受力方向，也是检验电荷+q在那里所获得的加速度方向。

电场线不一定是检验电荷的运动轨迹。

1、物理知识：

〔1〕了解导体导电机制、静电平衡状态、静电感应现象；

〔2〕理解电场中处于静电平衡状态下导体的特点；

〔3〕了解静电屏蔽现象。

2、通过观察演示实验及对实验现象的分析，引导学生运用所学知识进行分析推理，培养学生分析推理能力。

【二】重点、难点分析

1、静电场中静电平衡状态下导体的特性，即其电荷分布、电场分布、电势等，这是重点。

2、运用电场有关知识，分析、推理出实验现象的成因，这是难点。

【三】教具

1、演示静电感应

起电机，感应电机〔一对〕、验电球、验电器〔两个〕，带有绝缘支架金属球一个。

2、法拉第圆筒演示静电平衡导体，内部无净余电荷

法拉第圆筒，验电器〔一个〕，验电球，起电机。

3、静电屏蔽演示

金属网罩〔一个〕，带绝缘支架金属球，验电器。

【四】主要教学过程

〔一〕复习提问，引入新课

1、电场的重要性质是什么？

对放入其中的电荷有力的作用。

2、导体的重要特征〔或说导体导电的原因〕是什么？

导体内部有大量自由电荷。

3、把导体放入电场中，导体上的自由电荷处于电场中将受电场力作用，这时的导体与无电场时的导体相比有什么不同特征？

引导学生分析：

假设是金属导体，自由电子在电场力作用下将发生定向移动使两端出现不同的电荷分布，从而引起导体的某些新的性质。

〔二〕教学过程设计

实验1 

利用起电机使绝缘金属球带电，从而产生电场，把感应电机靠近A摆放，且接触良好。

将不带电验电球A先与B接触，再与验电器金属球D接触，如此反复，可见D金属箔张开。

同样，可让A与C接触，再与E接触，反复几次，可见E金属箔也张开。

由此可知B、C两端带电。

此时，假设将A上电荷放掉，让A与C接触后与D接触，反复几次，可见D金属箔张角变小，可见B、C两端电荷异号。

1、静电感应

〔1〕什么叫静电感应：

放在静电场中的导体，它的自由电荷受电场力作用，发生定向移动，从而重新分布，在其表面不同部分出现了正、负电荷的现象。

①可根据同性相斥、异性相吸，指出本实验中距A近端〔B端〕有与A异号的电荷，距A远端〔C端〕电荷与A同号。

实验1中，可用A与B、C中部接触的，再与验电器接触，验电器金属箔不张开，电荷分布在两端。

②也可以分析距A远近不同，电势不同，而金属导体中自由电子在电场力作用下由电势低处运动至电势高处。

例如：

假设A带正电，距A较远端的C端电势比B端低，故电子向B端运动，B端带负电荷。

根据电荷守恒，C端带正电荷。

同理可分析A带负电荷时，感应电机上电荷分布。

〔2〕感应电荷

静电感应现象中，导体不同部分出现的净电荷称为感应电荷。

静电场中导体上自由电荷受电场力作用做定向移动会不会一直运动下去？

〔3〕静电平衡状态

导体置于电场中时，自由电荷受力，发生定向移动，从而重新分布。

重新分布的电荷在导体内产生一个与原电场反向的电场，阻碍电荷定向移动，直至最后无电荷定向移动为止，这时感应电荷电场与原电场的合场强为零。

①什么是静电平衡状态：

导体上处处无电荷定向移动的状态。

②特征：

导体内部处处场强为零。

在这个特征基础上进行推论，可得静电场中导体的特点。

2、静电场中导体的特点：

处于静电平衡状态，导体内处处场强为零。

〔1〕处于静电平衡状态的导体，电荷只能分布在导体外表面上。

可采用反证法，假设导体内部有净电荷，电荷周围有电场，那么导体内部电场强度将不为零，电荷将发生定向移动。

实验2 

法拉第圆筒实验。

先用起电机使筒A带电，至A中箔片张开为止，利用验电球B可先从A外表面接触，再与验电器金属球C接触，反复几次后，可明显地看到C金属箔张开，可说明A外表面有电荷。

假设使B与A内壁接触后再与C接触，那么C金属箔将不张开，可验证A内壁无电荷。

〔2〕处于静电平衡状态的导体表面上任一点场强方向与该点表面垂直。

可用反证法证明，假设不垂直，沿表面有切向分量，电荷将发生定向移动。

〔3〕处于静电平衡状态导体是个等势体，导体表面是等势面，沿导体表面移动电荷，电场力与表面切向垂直，电场力做功为零。

所以 

电势差为零，表面是等势面。

内部处处E=0，任两点间移动电荷，电场力为零，任两点等势，所以是等势体。

3、应用

〔1〕感应起电〔与摩擦起电比较〕

使A带电，B、C端将出现感应电荷，把B、C分开，各自出现净电荷，从而带电。

〔2〕静电屏蔽

实验3

先使A带电，然后移近验电器B，由于静电感应，B的金属箔片张开，假设把B置于金属网罩中，可发现B的金属箔片不张开。

简单分析：

金属网罩内无电场。

任取一个导体壳，处于静电场中，壳内无电场。

反证法：

假设有电场，电场线发自壳壁，终止于壳壁，与壳是等势体相矛盾，这样的电场线不存在。

【五】复习巩固

1、如下图，A带正电，假设感应电机C端接地，问B、C端各带什么电荷？

〔B端带负电荷，C端无净电荷〕

假设此时断开C与地的连线，B、C端带什么电荷？

〔B端负电荷，C端无电荷〕整个导体净余什么电荷？

〔负电荷〕

假设B端接地，整个导体净余什么电荷？

2、导体杆放于点电荷+Q附近达到静电平衡后，求杆中距Q为r的一点Q的电场强度及杆上感应电荷在a点产生的电场强度。

〔解：

因为杆处于静电平衡状态，故Ea=0

a点场强由+Q产生的电场强度和感应电荷电场合成。

EQ＋E感＝Ea＝0