静电屏蔽.docx

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静电屏蔽

静电屏蔽

一、教学目标

1．知识目标：

（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．能力目标：

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。

3．物理方法教育目标：

物理学是以实验为基础的一门学科，通过物理实验得到物理规律，这是进行物理研究的重要方法。

二、教学重点、难点

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、教学方法：

实验演示，计算机辅助教学

四、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。

4．计算机、大屏幕，自制CAI课件

五、教学过程：

（一）复习提问

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：

若是金属导体，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）引入新课

实验1 利用起电机使绝缘金属球带电，从而产生电场，把感应起电机靠近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，若将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：

若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，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。

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。

若使B与A内壁接触后再与C接触，则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，若不垂直，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，若把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：

若有电场，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。

（三）例题精讲、巩固提高（见课件）

1．如图所示，A带正电，若导体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）

若此时断开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）

若B端接地，整个导体净余什么电荷？

（负电荷）

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

（四）课件演示，课堂小结

1．静电平衡状态：

导体中（包括表面）没有电荷定向运动的状态。

基本特征：

处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零；电荷只分布在导体的外表面。

注意：

这里的“场强”，指的是合场强。

2．静电屏蔽：

导体壳可以使其内部所包围的区域不受外部电场的影响，这种现象叫做静电屏蔽。

（五）布置作业

1．复习本节课文。

2．思考一下静电屏蔽有何应用。

说明：

1．导体的静电平衡条件是本节的重点，也是难点，在见解是可借助多媒体课件（或图片）着重分析导体在电场中达到静电平衡的过程，强调导体处于静电平衡时，内部场强处处为零，指的是感应电荷的场强与外电场的场强叠加后，合场强为零，要使学生真正理解静电平衡条件，必须使他们清楚地知道推理过程。

2．导体达到静电平衡状态时的电荷分布规律是在实验的基础上总结出来的，因此必须重视实验，做好演示，使学生获得感性认识，然后再从静电平衡条件加以说明，让学生在理论和实际的结合中理解知识。

3．静电屏蔽现象在生产和生活中有很多应用，讲解时要结合实际才能使学生真正理解。

4．为了巩固学到的知识，本节安排了两个例题，可根据学生的实际情况进行分析讲解，然后再让学生做练习，最后对本节内容作简要小结，布置课后作业，作业内容可根据情况自行安排。

5．有关静电屏蔽，可以引导学生作为一个研究性学习的课题，进行简单研究，让学生在独立思考、深入探究、团结协作等方面加强训练。

请参考作者在“英特尔未来教育”培训时的一个演示文稿，题目是《放在锅里的收音机还响吗？

》

《电场中的导体》新课标教学设计

【难点分析】

高中物理“电场中的导体”在“电场”一章中所占比重不大，要真

正透彻分析相关问题必须应用高斯定理和静电场边值问题的唯一性定理。

但在高中阶段我们只能利用电场强度、

电场力和电势这些概

念来分析。

对这些概念学生若理解的不透彻，就会对有的问题只会

从电场强度、电场力的角度去解释；对有的问题只会从电势的角度去

解释。

似乎一题一法，甚至同一问题若从两个角度去分析会得到自

相矛盾的结论，或遇题无从下手，从而使这部分内容成为高中物理新

课教学和高三复习时的一个难点。

究其成因是由于：

（1）

受高中学生知识面的限制，教材对这部分内容不能透彻阐

述，只能采用简单推理、实验演示、利用已知结论的方法处理，所以许

多学生虽记住了一些结论但并非真正懂了道理，给解决问题造成一

定难度。

（2）

这部分内容不是教学重点，故教师花时不多，学生缺少变式

练习，教师讲解不能一题多变，没有从电场强度、电场力、电势等多角

度分析问题，导致学生不能举一反三。

【教学设计】

针对上述难点和存在的问题，我在这部分内容的教学中把重点

放在以下两个方面。

1．紧抓电场强度、电势的概念，先要讲清静电平衡的基本原理。

（1）

电场中的导体是如何达到静电平衡的。

高中物理（下）

先从电场强度的角度分析。

导体刚放入电场中的瞬间，导体中

的自由电荷受电场力F＝Eq的作用，产生定向运动，向导体两端积

累，同时在导体中产生一个附加电场E′，使自由电荷又受电场力F′

＝E′q，F和F′方向相反。

当E＝E′时，导体内合场强为零，自由电

荷受合力也为零，这时导体中无电荷定向移动，即达到了静电平衡状

态。

从而得到处于静电平衡的导体内部电场强度处处为零的结论。

再从电势的角度分析。

导体刚放入电场中的瞬间，导体不同部

位电势不同，有电势差是导体中产生电流的条件，所以负电荷向高电

势处移动，正电荷向低电势处移动，结果由电势叠加原理，高电势处

的电势降低了，低电势处的电势升高了。

当导体各处电势相等时，就

再无电荷移动，即导体达到静电平衡状态。

从而得到处于静电平衡

的导体是一个等势体的结论。

继而讲清两者是统一的。

若某一空间电场强度处处为零，则这

一空间即为等势空间，电势一定处处相等。

最后我们还要强调：

电场强度为零，是两个电场叠加的结果，而

不是真的就没有电场。

导体上各点电势相等也是两个电场在某点产生的电势叠加的结果。

（2）

处于静电平衡的导体外部的电场线必与导体表面垂直，但表

面场强不一定为零。

从电场强度的角度看，如果导体外部的电场线不与导体表面垂

直，则导体表面电场强度就不与表面垂直，表面的自由电荷所受电场

力也就不与表面垂直，那么电场力沿导体表面的分力将使自由电荷

沿导体表面移动，这与静电平衡的定义是矛盾的。

但从电势的角度

来看，因为导体表面是一个等势面，电荷不可能沿表面移动，所以电

场线与导体表面必垂直，但场强不一定为零。

（3）

孤立导体净电荷分布在外表面。

从电场强度的角度分析，如果净电荷分布在导体内部，则内部就

会有没有被抵消的电场，导体内部的自由电荷在电场力的作用下会

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定向移动，这就违背了静电平衡的定义。

从电势角度分析，如果净电

荷分布在导体内部，则内部就有电场，电场中沿电场线方向电势是不

同的，这就违背了处于静电平衡状态下的导体是一个等势体的结论。

所以孤立导体的净电荷一定分布在它的外表面。

2．适当练习，一题多变，提高分析能力。

通过适当的变式练习，使学生从多个侧面加深对静电平衡的理

解，并能举一反三解决问题。

为此我设计、筛选了下面几个例题。

例1　如图1，在真空中把一绝缘导体向

带负电的小球P缓慢地靠近

（不相碰）

，下列

说法中正确的是：

（　　）

A．B端的感应电荷越来越多

B．导体内场强越来越大

C．导体的感应电荷在M点产生的场强恒大于在N点产生的

场强

D．导体的感应电荷在M、N两点的场强相等

E．把A端接地，导体带负电

F．把AB的中点接地，导体不带电

G．把B端接地，导体带正电

H．把AB两端用导线连起来的瞬间有电流从A端沿导线流向

B端。

此题中，A项突出了感应电荷是由于受到电场力作用定向移动

的结果。

B项突出了建立静电平衡状态是以光速进行的，故可认为

导体内电场强度时时为零。

C、D项突出了导体内部场强为零，是感

应电荷的电场和场源电荷电场叠加的结果。

E、F、G项突出了电荷移

动是因为导体和地之间有电势差，而并非是接地部位原来带什么性

质的电荷。

H项突出了处于静电平衡的导体是一个等势体。

本题正确选项为A、

C、G。

例2　带正电的空心金属球壳放于绝缘支座上，将五个原来不

高中物理（下）

带电的金属球如图2放置。

静电平衡后，下列说法中正确的是：

（　

　）

A．D球不带电且电势高于A球

B．B球带负电且电势为零

C．因E球与金属球壳内部接触，所以不带电

且与球壳电势相等

D．若C球通过导线与球壳内壁接触则C球

不带电

E．若C球与D球通过导线相连，则C球不带电

F．若D球用导线接地，则E球带正电

此题中，A、C项突出了内部无带电体的带电球壳，净电荷分布在

外表面，内部电场强度处处为零，且为一等势体。

但内部不带电不等

于内壁电势为零，针对此，设计了D、E项。

F项突出了内部有带电体

的带电球壳，电荷不仅分布在外表面，内表面也有。

例3　为使一些精密电磁测量仪器不受外界电场干扰应采取怎

样的措施？

为使高压设备的电场不影响外界，应采取怎样的措施？

设计此题是为了把掌握的知识转化为解决实际问题的能力，针

对的是静电屏蔽。

例4　将悬在细线上的带正电的小球A放在不带电的接地的金属空心球C内

（不和球内壁接触）

，另有一个悬挂在细线上的带负电

的小球B向C靠近，如图3，则出现的情况是：

（　　）

A．A往左偏离竖直方向

B．B往右偏离竖直方向

C．A、B都不偏离竖直方向

D．C内P处的电势在减小

E．C内P处的场强在变大

F．若C不接地，P处的电势在减小

G．若C不接地，P处的场强在变大

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此例题是为了加深对静电屏蔽的理解。

因为静电屏蔽，B的电

场不影响A处，A的电场不影响B处，故A、B之间无相互作用。

A

受C内壁感应电荷的作用力为零，所以A不偏离，B受C上感应的

正电荷的吸引向右偏。

P点的场强仅由A决定，因为A静止不动，

故P处场强不变。

C电势为零，C、P间电势差不变，所以P点电势

不变。

若C不接地，由于静电屏蔽，C内电场仅由A确定，所以P处

电场强度不变。

但因C的电势在降低，而C、P电势差不变，所以P

处电势减小。

本节课通过以上几个环节的教学，能使学生从电场强度、电势两

个角度全面掌握静电平衡的本质及特征，同时提高了解题能力。

高中物理（下）