最新人教版高中物理选修31第一章《静电现象的应用》示范教案.docx

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最新人教版高中物理选修31第一章《静电现象的应用》示范教案

7　静电现象的应用

教学设计

教学分析

本节的主要概念是静电平衡，掌握静电平衡的概念、理解静电平衡的特征是本节的重点。

应用静电平衡知识，认识导体的电荷分布特点、尖端放电现象、静电屏蔽现象是本节课的难点。

做好演示实验是这堂课的关键。

教学目标

（1）通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论。

了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体特征。

（2）通过实验了解静电平衡的带电导体上电荷的分布特点。

（3）了解尖端放电和静电屏蔽现象，关注生活、生产中的静电现象。

（4）经历分析放在电场中的导体达到静电平衡的过程。

教学重点难点

静电平衡的特征，应用静电平衡知识，是本节课的难点。

金属导体放在电场中，达到静电屏蔽是一个非常快的过程，但是对这一过程的分析却十分重要。

一定要带领学生共同参与讨论这一过程，使他们明白自由电荷不再定向移动的条件。

这样做不仅突出重点，也为突破难点打好了基础。

带电导体的电荷分布特点、静电屏蔽、静电屏蔽的应用都必须做好实验。

教学方法与手段　　

以演示实验为先导，引领学生讨论分析静电感应现象，总结静电平衡知识，认识导体的电荷分布特点、尖端放电现象、静电屏蔽现象。

做好演示实验、合作学习为主，发动学生展开讨论，举例说明生活中的静电现象。

教学媒体

法拉第圆筒、绝缘金属球、静电感应导体、验电器、感应器电机。

多媒体课件、实物投影仪、视频片断。

知识准备

电场的基本特性；金属导体的特征；静电感应的概念；感应起电的本质。

导入新课

[事件1]

教学任务：

创设情景，导入新课

师生活动：

情景导入，放映雷电现象的视频片断，PPT课件展示静电现象的图片。

引入新课：

创设情景

将一金属导体放入场强为E0的匀强电场中，见教材P24图1.71，分析自由电子在电场中的移动情况。

推进新课　　　　　

[事件2]

教学任务：

静电平衡状态下导体的电场

师生活动：

探究过程：

理论探究静电平衡的特点

问题引导：

（1）金属导体的微观结构如何？

（2）导体处于电场中自由电子会怎样移动？

（3）自由电子会在什么地方积聚？

（4）电子积聚会出现怎样的结果？

（5）最终出现什么现象？

静电感应现象：

在电场中的导体沿着电场强度方向两端出现等量异种电荷，这种现象叫静电感应现象。

当外电场撤掉，导体两端电荷又中和，可见静电感应现象中导体上净电荷仍然为零。

将不带电的导体置于电场中时，导体内自由电荷受力，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，该电场与外电场叠加，使导体内部的电场减弱，只要内部场强不为零，导体两面的正负电荷便继续增加，导体的内部电场就会继续削弱，直至导体内部的合场强都等于零的时候为止，这时导体内自由电子不再发生定向移动。

强调：

处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零。

而且处于静电平衡状态的导体，电荷只能分布在导体外表面上。

这是为什么呢？

为了验证这一点，可采用反证法，若导体内部有净电荷，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。

结论：

1．导体内自由电子不再定向移动的状态——____________________________。

交流与讨论：

静电平衡状态导体有哪些特点？

结论：

2．静电平衡状态导体的特点：

（1）导体内部场强处处为________________；

（2）导体是等势体，表面为________________；

（3）导体外部表面附近场强方向与该点的表面______________。

参考描述：

导体中（包括表面）没有电荷定向移动的状态叫做静电平衡状态。

处于静电平衡状态导体的性质

（1）导体内部的场强处处为零。

（2）导体表面上任何一点的场强方向跟该点的表面垂直。

如图，在静电感应时用手摸一下导体，再移走源电荷，则导体带什么电？

若将导体接地，则情况如何？

左端接地呢？

[事件3]

教学任务：

研究静电平衡时导体内部的电荷分布

师生活动：

问题引导：

在静电平衡状态下导体上的电荷是如何分布的？

演示：

研究静电平衡时导体内部的电荷——法拉第圆筒实验

观察与描述：

现象：

甲：

A的箔片____________________________

乙：

A的箔片__________________________

总结与归纳：

学生归纳实验结论，其他学生补充完善。

结论：

参考描述：

带电导体周围的等势面和电场线

1．导体内部没有电荷，电荷分布在导体的外表面。

2．导体表面越尖锐的位置电荷越密集，凹陷的位置几乎没有电荷。

[事件4]

教学任务：

尖端放电的应用——避雷针

师生活动：

自主学习：

阅读课本，思考以下几个问题：

1．导体尖端的电荷密度大，给周围环境带来了什么影响？

2．尖端放电现象给我们什么启示？

有哪些应用？

↓

↓

↓

↓

↓

↓

演示尖端放电：

导体尖端附近的电场特别强，它会导致一个重要的后果，就是尖端放电。

在导体尖端附近放一根点燃的蜡烛，当我们不断给导体充电的时候，火焰就好像被风吹动一样朝背离尖端的方向偏移。

这就是尖端放电引起的后果。

等电位图

原因：

因为在尖端附近强电场的作用下，空气中残留的离子会发生激烈的运动。

在激烈的运动过程中它们和空气分子相碰时，会使空气分子电离，从而产生大量新的离子，这就使空气变得易于导电。

与尖端上电荷同号的离子受到排斥而飞向远方，蜡烛的火焰偏移就是受到这种离子形成的“电风”吹动的结果。

在强电场作用下，物体曲率大的地方（如尖锐、细小的顶端，弯曲很厉害处）附近，等电位面密，电场强度剧增，致使这里空气被电离而产生气体放电现象，称为电晕放电。

而尖端放电为电晕放电的一种，专指尖端附近空气电离而产生气体放电的现象。

讨论与交流：

闪电防护——雷鸣电闪时在室外的人，为防雷击，应当遵从四条原则。

避雷针

1．一是人体应尽量降低自己，以免作为凸出尖端而被闪电直接击中，所以人长得高还是一件非常痛苦的事情。

2．二是人体与地面的接触面要尽量缩小以防止因“跨步电压”造成伤害。

所谓跨步电压是雷击点附近，两点间有很大的电位差，如若人的两脚分得很开，分别接触相距远的两点，则两脚间便形成较大的电位差，有强电流通过人体使人受伤害。

3．第三是不可到孤立大树下和无避雷装置的高大建筑体附近，不可手持金属体高举头顶。

4．第四是不要进水中，因水体导电好，易遭雷击。

总之，应当到较低处，双脚合拢地站立或蹲下，以减少遭遇雷的机会。

[事件5]

导体腔内的

电场同样为零

教学任务：

静电屏蔽

师生活动

1．理解：

处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零。

因此，可利用金属外壳或金属网封闭某一区域不再受外界电场的影响，这一现象称静电屏蔽。

2．两种情况：

①金属内部空间不受壳外部电场的影响；

②接地的封闭的导体壳内部电场对壳外空间没有影响。

演示：

使带电的金属球靠近验电器，但不接触，箔片是否张开？

解释看到的现象。

如图，用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，观察箔片是否张开。

这个现象说明什么问题？

静电屏蔽

思维拓展：

静电屏蔽还有哪些应用？

应用：

电学仪器和电子设备外面套有金属罩

通信电缆版面包一层铅皮

高压带电作业人员穿金属网衣

通讯工具在钢筋结构房屋中接收信号弱

静电屏蔽的应用

[事件6]

教学任务：

探究：

生活中我们见到的哪些带静电的现象是有益的，我们是怎样利用的？

师生活动

参考描述：

1．火花放电是指物体上积累了电荷，且放电时出现火花的放电现象；

接地放电是指为了防止物体上过量积累电荷，而用导体与大地连接，把电荷接入大地进行时时放电的现象；地球是良好的导体，由于它特别大，所以能够接受大量电荷而不明显地改变地球的电势，这就如同从海洋中抽水或向海洋中放水，并不能明显改变海平面的高度一样。

如果用导线将带电导体与地球相连，电荷将从带电体流向地球，直到导体带电特别少，可以认为它不再带电。

（如果导体带正电，实际上是自由电子从大地流向导体。

这等效于正电荷从导体流向大地。

）

生产中和生活实际中往往要避免电荷的积累，这时接地是一项有效措施。

汽车拖的铁链能把电荷导入大地

2．尖端放电的原理：

物体表面带电密集的地方——尖端，电场强度大，会把空气分子“撕裂”变为离子，从而导电。

3．可以应用到避雷针上；避雷针的发展史介绍富兰克林与国王的避雷针“尖端”与“圆端”之争。

4．静电除尘，静电复印，静电喷漆。

5．静电产生的火花能引起火灾，如油罐、纺织厂、危险制品等地方都必须避免静电。

课堂巩固与反馈　　　　　

[事件7]

典型例题1

一个空腔金属球，球壳有一定厚度，球心处有一个负点电荷，a、b、c、d四点分别位于空腔、球壳、球的外表面、球外，如图所示，试比较四点的场强大小。

典型例题2

如图所示，长为L的导体棒原来不带电，现将一带电荷量为Q的正点电荷放在距棒左端R处。

当达到静电平衡后，棒上的感应电荷在棒内中点处产生的电场的大小______，方向______。

[事件8]

教学任务：

引导学生从知识、方法、情感三个侧面小结本节课的学习活动。

1．复习本节教材。

2．完成课本课后问题与练习。

7　静电现象的应用

一、静电感应现象：

放入电场中的导体，其内部的自由电子在电场力的作用下向电场的反方向做定向移动，致使导体的两端分别出现等量的正、负电荷。

这种现象叫静电感应现象。

二、静电平衡状态：

导体中（包括表面）没有电荷定向移动的状态叫做静电平衡状态。

处于静电平衡状态导体的性质

（1）导体内部的场强处处为零。

（2）导体表面上任何一点的场强方向跟该点的表面垂直。

（3）导体所带的净电荷只分布在导体的外表面上，导体内部没有净电荷。

（4）处于静电平衡状态的导体是等势体，导体表面是等势面。

三、静电屏蔽：

具有空腔的金属导体在静电平衡状态下，不仅导体内部场强为零，而且腔内场强也为零，因而置于腔内的物体不受外界电场的影响，这种作用叫静电屏蔽。

课题1：

收集电火花引起爆炸的事例，结合周围的实际情况，说明应该采取哪些安全措施来避免引起类似的事故。

课题2：

观察你家乡的高层建筑、高大电线杆和其他建筑的避雷装置，写成简单的调查记录。

过程：

通过实际调查，结合上网查找资料，收集有关信息，联系教材本章内容深入了解静电的危害。

可以在自主研究的基础上分小组进行交流，形成统一意见后，各小组派代表向全班同学汇报。

本节课引领学生走进电学、了解电学的基本现象，激起对电现象的浓厚兴趣，为达到上述目的，教学设计中让学生尽量多地参与到课堂活动中来，充分调动眼、耳、口、手、脑等感官，灵活组合自主、探究、合作的学习方式，以丰富多彩的视频、图片、课件、实验辅助教学，在趣味学习活动中穿插课堂训练和检测，贯彻了快乐学习的理念。

静电除尘

经济的高速发展，意味着人们将越来越多的矿物资源转化为工业原材料和产品，同时将越来越多的废弃物排向大自然。

从工厂的烟囱中冒出的滚滚浓烟中就含有大量颗粒状粉尘，它们严重污染了环境，影响到作物的生长和人类的健康。

采用除尘技术以后，从烟囱的排放物中，再也看不到浓黑的烟雾了。

静电除尘是被人们公认的高效可靠的除尘技术。

我们先在实验室内模拟一下静电除尘的全过程。

在模拟烟囱内，可以看到，有烟尘从“烟囱”上飘出。

加上电源，烟囱上面的烟尘不见了。

如果撤去电源，烟尘又出现在我们眼前。

（如图）

通了电以后，粉尘哪里去了呢？

我们先来看看静电除尘装置的结构。

在烟囱的轴线上，悬置了一根导线，称之谓电晕线；在烟囱的四周设置了一个金属线圈，我们称它为集电极。

直流高压电源的正极接在线圈上，负极接在电晕线上，如图所示。

可以看出，接通电源以后，集电极与电晕线之间就建立了一个非均匀电场，电晕线周围电场最大。

改变直流高压电源的电压值，就可以改变电晕线周围的电场强度。

当实际电场强度与空气的击穿电场相近时空气发生电离，形成大量的正离子和自由电子。

自由电子随电场向正极飘移，在飘移的过程中和尘埃中的中性分子或颗粒发生碰撞，这些粉尘颗粒吸附电子以后就成了荷电粒子，这样就使原来中性的尘埃带上了负电。

在电场的作用下，这些带负电的尘埃颗粒继续向正极运动，并最后附着在集电极上。

（集电极可以是金属线圈，也可以是金属圆桶壁）当尘埃积聚到一定程度时，通过振动装置，尘埃颗粒就落入灰斗中。

这种结构也称管式静电除尘器。

如图所示。

静电复印

随着经济的增长和科学技术的发展，复印机已越来越普及，文件、材料和图纸等放进复印机，一会儿就可复制出若干份来，真是大大减轻了手工劳动，且又节省了时间。

复印机大多是根据静电原理设计的，这里有一个小实验可以说明静电复印的基本原理：

找一张旧的唱片，放在桌子上，用一块绸布在上面迅速摩擦，这样唱片由于摩擦而带了静电。

然后用手指在唱片上“写”上几个字。

当然，这些字人眼是看不见的。

这样静电母板就做好了。

接着在一张纸上放些面粉，并用嘴轻轻地将纸上的面粉均匀吹到唱片上，由于电荷具有吸引轻小物体的性质，唱片上有电荷的地方就吸上了较多面粉，而用手指写过“字”的地方由于电荷通过人的手散失了，因此不能再吸引面粉。

这样在唱片上就将手指写上的几个字隐隐约约地显现出来。

这就是静电复印基本原理的模仿实验，你不妨可以试一试。

在实际应用的静电复印机中代替唱片的部件称为硒鼓，字也不是用手写的，而是用光照上的。

当硒鼓充电以后，经过光照处理，照光的部分电荷就会消失，文字、图像等遮光的地方，电荷不会消失。

当复印的黑粉撒到硒鼓上时，有文字、图像的地方由于相对应的硒鼓带电，可以吸引黑粉，这样就可把原稿上的字或图转印到一张白纸上。

教学设计

（二）

教学目标　　　　　

（1）知道静电感应产生的原因，理解什么是静电平衡状态；

（2）理解静电平衡时，净电荷只分布在导体表面且内部场强处处为零；

（3）知道静电屏蔽及其应用。

教学重点：

静电平衡状态。

教学难点：

电场中导体的特点。

教学方法：

推理归纳法、问题解决法、实验法。

教具准备：

验电器、法拉第圆筒、有绝缘柄的金属球一个、金属网罩、收音机、感应起电机、导线若干。

教学过程：

（一）复习提问

1．什么是静电感应现象？

2．静电感应现象的实质是什么？

3．在静电感应时用手摸一下导体，再移走源电荷，则导体带什么电？

若将导体接地，则情况如何？

左端接地呢？

（二）新课教学

1．电场中的导体

（1）金属导体的特征：

由做热运动的正离子和做无规则热运动的自由电子组成。

（2）静电感应现象：

（3）问题：

1.在源电荷的电场中引入金属导体后会对空间各点的场强有影响吗？

2．是什么作用使金属内的电子定向移动的？

此移动一直进行吗？

3．静电屏蔽后金属导体内部有电场吗？

答：

1.使空间电场重新分布。

2．源电荷的电场使导体内部自由电子定向移动。

3．静电平衡状态：

导体（包括表面）中没有电荷定向移动时的状态叫静电平衡状态。

没有。

2．静电平衡状态下导体的特点

（1）内部场强处处为零（若不为0，则自由电子将继续移动直至合场强为0）。

（2）导体中没有自由电荷定向移动。

（3）净电荷分布在导体外表面。

实验证明：

法拉第圆筒实验。

理论证明：

中性导体带电后，由于同种电荷相互排斥，净电荷只能分布在表面。

反证法：

若内部有净电荷，则内部场强不为0，导体就不是处于静电平衡状态。

（4）导体表面附近的电场线与表面垂直。

（5）静电平衡时导体周围电场分布：

上图空间实际电场分布，不会出现虚线电场线。

3．静电屏蔽

（1）空腔导体的特点：

净电荷只分布在外表面，内表面不带电，空腔内没有电场。

（2）静电屏蔽

外部电场对内部仪器没有影响

若将源电荷置于空腔内，则外对内没有影响，但内对外有影响。

实验演示：

将收音机置于金属网罩内则声音大小减小。

若将球壳接地，则内外各不影响（较难）。

（3）应用：

电学仪器和电子设备外面套有金属罩、通信电缆外面包一层铅皮、高压带电作业人员穿金属网衣、通讯工具在钢筋结构房屋中接收信号弱。

4．巩固练习

例1如图所示，在一个原来不带电的金属导体壳的球心处放一正电荷，试分析A、B、C三点的场强（　　）

A．EA≠0，EB＝0，EC＝0

B．EA≠0，EB≠0，EC＝0

C．EA≠0，EB≠0，EC≠0

D．EA＝0，EB≠0，EC＝0

例2如图所示，A、B是两个架在绝缘支座上的金属球，都不带电，中间用导线连接，现用一带正电的小球C靠近B，用手摸一下B球，再撤去导线，然后移走C球，则A、B带电情况…（　　）

A．A球带正电，B球带负电B．A球带正电，B球不带电

C．A球不带电，B球带负电D．以上说法都不正确

（四）小结

1．静电平衡状态下导体有什么特点？

2．静电屏蔽有哪几种情况？

有哪些应用？