静电现象的应用.docx
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静电现象的应用
《静电现象的应用》教学设计
教学内容 人教版物理选修3-1《静电现象的应用》
教学目标
一、知识与技能
1． 知道静电感应产生的原因，理解什么是静电平衡状态。
2． 知道静电平衡时，净电荷只分布在导体表面且导体内部场强处处为零的特点。
3． 静电屏蔽及其应用
4.通过对静电平衡状态下导体内部场强处处为零的推导过程培养学生逻辑推理的能力。
二、过程与方法
借助实物与演示实验，分析静电平衡时导体上的电荷分布和内部场强的特点，从而得到静电保护的方法。
三、情感、态度与价值观
观察生活中的现象，体会生活、生产中的静电现象，培养探索乐趣。
教学重点
1．静电平衡状态下导体的特点。
2．静电屏蔽及其应用。
教学难点
应用静电平衡的知识，理解静电平衡的特征，认识导体的电荷分布特点。
教学方法 实验情境教学法
教学过程
（一）实验引入：
借用原人教版高中物理第一册课本绪言中“笼外电闪雷鸣，笼内小鸟安然无恙”实验情境引入，设疑激趣。
（二）讲解新课：
（设问）1.电场的基本性质：
电场对放入其中的电荷有什么的作用？
2.金属导体的重要特征（导电的原因）是什么？
（答） 1.电场对放入其中的电荷有力的作用。
2.（课件展示说明）金属导体内部有大量的自由移动的电荷（电子）。
（设问）3.如果我们给上边的金属导体加上一个匀强电场，导体会有什么变化呢？
（用多媒体课件展示情境，即课本23页图1.7—1）
思考讨论：
1．导体两端的感应电荷会在空间产生电场吗？
2．产生电场的方向怎样？
3．现在空间中有几个电场存在？
4．感应电荷产生的电场与外电场叠加，使导体内部的电场怎样变化？
5．内部的电场被减弱了，但自由电子是不是仍然要受到电场力的作用，继续定向移动？
6．继续定向移动的结果是什么？
7．最终达到一种特殊的状态，内部的场强处处为零，定向移动停止。
得出结论：
处于静电平衡状态的整个导体是个等势体，内部的场强处处为零。
8．把上边的实心导体挖空，变成一个导体壳，对静电平衡状态有影响吗？
9.如果把一个小的导体放入导体壳中，小导体还会发生静电感应现象吗？
设计意图：
通过问题串组织教学，让学生认识逐步深化。
前后呼应：
现在你该明白“笼外电闪雷鸣，笼内小鸟安然无恙”了吧？
（教师讲解）静电现象在现代生产、生活和科学技术中的应用：
1．有的电学仪器和电子设备的外面套有金属罩
2．中国科技馆高压放电区的保护
3．静电屏蔽衣
4．收音机、汽车的天线
（三）归纳小结：
1．静电感应：
感应电荷：
2．静电平衡状态：
处于静电平衡状态的导体的特征：
3．静电现象及其应用
（四）作业与拓展：
1.《同步解析与测评》相关题目。
2.中国科技馆高压放电区的保护与其它的保护有什么区别？
3.自拟题目撰写一篇以静电知识为题材的科技小论文。
教学反思：
本节是联系生活非常紧密的一节内容，内容虽然较为抽象，但却更好的结合新课程理念。
因此本节课在教学设计上重视实验情境和问题情境的创设，让学生积极观察、发现问题，通过思考讨论解决问题。
在实验和思考得出结论的过程中感受物理的乐趣。
《静电现象的应用》学案设计
一、学习目标
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，能说出处于静电平衡的导体的特征；
2．通过实验了解静电平衡时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。
二、学习重点和难点
1．掌握静电平衡的概念，理解导体处于静电平衡状态的特征是本节学习的重点。
2．应用静电平衡的知识，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学习的难点。
三、自主学习过程
任务一：
请你回忆复习以下内容：
1．电场的重要性质是：
对放入其中的电荷 作用。
2．金属导体的微观结构：
金属导体中原子由 和 组成，离原子核较远的电子往往会脱离 而在金属中自由活动，成为自由电子，失去这种电子的原子便成为带 电的离子。
3．把金属导体放入电场中，导体上会出现：
呈电中性状态的金属导体放入静电场中，导体内 受到与场强方向相反的电场力的作用而向场强的反方向定向移动。
两端出现不同的电荷分布。
任务二：
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，能说出处于静电平衡的导体的特点；
阅读教材24页“静电平衡状态下导体的电场”并观察图1．7-1：
1．静电感应：
导体内 在电场力作用下重新分布，使导体两端出现 的现象叫静电感应。
静电感应现象的实质是_________________________。
2．静电平衡状态：
导体（包括表面）中 时的状态叫静电平衡状态。
静电平衡的条件是：
。
静电平衡的特点是：
① ；② ；③ 。
地球是一个极大的导体，可以认为处于静电平衡状态，所以它是一个 。
这是我们可以选大地作为零电势体的一个原因。
任务三：
通过实验了解静电平衡时带电导体上电荷的分布特点；
静电平衡时，导体上的电荷分布的特点：
① ；
② 。
任务四：
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。
1．请你阅读课本26页和后回答：
问题：
尖端放电的原理是什么？
尖端放电的原理有何应用？
2．静电屏蔽现象
导体的外壳对它的内部起到“保护”作用，使它的内部 的影响，这种现象称为静电屏蔽。
①封闭导体壳内部电场不受壳外电荷或电场影响；
如壳内无带电体而壳外有电荷q，则静电感应使壳外壁带电。
静电平衡时壳内无电场。
这不是说壳外电荷不在壳内产生电场。
由于壳外壁感应出异号电荷，它们与q在壳内空间任一点激发的合场强为零。
因而导体壳内部不会受到壳外电荷q或其他电场的影响。
壳外壁的感应电荷起了自动调节作用。
如果把上述空腔导体外壳接地，则外壳上感应正电荷将沿接地线流入地下。
静电平衡后空腔导体与大地等势，空腔内场强仍然为零。
如果空腔内有电荷，则空腔导体仍与地等势，导体内无电场。
这时因空腔内壁有异号感应电荷，因此空腔内有电场。
此电场由壳内电荷产生，壳外电荷对壳内电场仍无影响。
由以上讨论可知，封闭导体壳不论接地与否，内部电场不受壳外电荷影响。
②接地封闭导体壳外部电场不受壳内电荷的影响。
如果壳内空腔有电荷q，因为静电感应，壳内壁带有等量异号电荷，壳外壁带有等量同号电荷，壳外空间有电场存在，此电场可以说是由壳内电荷q间接产生。
也可以说是由壳外感应电荷直接产生的。
但如果将外壳接地，则壳外电荷将消失，壳内电荷q与内壁感应电荷在壳外产生电场为零。
可见如果要使壳内电荷对壳外电场无影响，必须将外壳接地。
3．关注生活、生产中的静电现象──请你阅读“静电的防止和应用”
材料：
静电的防止和应用
防止：
在人们生活的任何时间、任何地点都有可能产生静电。
要完全消除静电几乎不可能，但可以采取一些措施控制静电使其不产生危害。
如生活中的一些具体做法：
1．室内要保持一定的湿度，室内要勤拖地、勤洒些水，或用加湿器加湿；要勤洗澡、勤换衣服，以消除人体表面积聚的静电荷。
2．发现头发无法梳理时，将梳子浸入水中片刻，等静电消除之后，便可以将头发梳理服帖了。
脱衣服之后，用手轻轻摸一下墙壁，摸门把手或水龙头之前也要用手摸一下墙，将体内静电“放”出去，这样静电就不会伤你了。
对于老年人，应选择柔软、光滑的棉纺织或丝织内衣、内裤，尽量不穿化纤类衣物，以使静电的危害减少到最低限度。
3．出门前去洗个手，或者先把手放墙上抹一下去除静电,还有尽量不穿化纤的衣服。
4．为避免静电击打，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。
5．穿全棉的内衣。
6．准备下车的时候，用右手握住档，然后用手指碰着下面铁的部位，然后开车门，把左手放在车门有铁的位置，但是左手别松，然后把右手放掉，下车，这时候你再用右手抓着门就不会被电到了接下去，用力一关。
应用：
目前静电已经有多种应用，如静电除尘、静电喷涂、静电植绒、静电复印等。
以煤作燃料的工厂、电站，每天排出的烟气带走大量的煤粉，不仅浪费燃料，而且严重地污染环境。
利用静电除尘可以消除烟气中的煤粉。
除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，A接到高压电源的正极，B接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距B越近，场强越大。
B附近的空气分子被强电场电离，成为电子和正离子。
正离子被吸到B上，得到电子，又成为分子。
电子在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电，吸附到正极A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。
静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘。
设法使油漆微粒带电，油漆微粒在电场力的作用下向着作为电极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆的工作。
这就是静电喷涂。
使绒毛带电，可以使绒毛植在涂有粘着剂的纺织物上，形成像刺绣似的纺织品。
这就是静电植绒。
静电复印可以迅速、方便地把图书、资料、文件复印下来。
静电复印机的中心部件是一个可以旋转的接地的铝质圆柱体，表面镀一层半导体硒，叫做硒鼓。
半导体硒有特殊的光电性质：
没有光照射时是很好的绝缘体，能保持电荷；受到光的照射立即变成导体，将所带的电荷导走。
复印每一页材料都要经过充电、曝光、显影、转印等几个步骤。
这几个步骤是在硒鼓转动一周的过程中依次完成的。
充电：
由电源使硒鼓表面带正电荷。
曝光：
利用光学系统将原稿上的字迹的像成在硒鼓上。
硒鼓上字迹的像，是没有光照射的地方，保持着正电荷。
其他地方受到了光线的照射，正电荷被导走。
这样，在硒鼓上留下了字迹的“静电潜像”。
这个像我们看不到，所以称为潜像。
显影：
带负电的墨粉被带正电的“静电潜像”吸引，并吸附在“静电潜像”上，显出墨粉组成的字迹。
转印：
带正电的转印电极使输纸机构送来的白纸带正电。
带正电的白纸与硒鼓表面墨粉组成的字迹接触，将带负电的墨粉吸到白纸上。
此后，吸附了墨粉的纸送入定影区，墨粉在高温下熔化，浸入纸中，形成牢固的字迹。
硒鼓则经过清除表面残留的墨粉和电荷，准备复印下一页材料。
问题1：
静电有哪些应用？
问题2：
哪些地方应该防止静电？
活学活用
1．一个不带电的空心金属球，在它的球心处放一个正点荷，其电场分布是图2中的哪一个（ ）
2．在一个导体球壳内放一个电量为＋Q的点电荷，用Ep表示球壳外任一点的场强，则（ ）
A．壳中央时，Ep＝0
B．不论＋Q在球壳内何处，Ep一定为零
C．只有当＋Q在球心且球壳接地时，Ep＝0
D．只要球壳接地，不论＋Q在球壳内何处，Ep一定为零
3．如图所示，导体棒AB靠近带正电的导体Q放置。
用手接触B端，移去手指再移去Q，AB带何种电荷______。
若手的接触点改在A端，情况又如何______。
4．有一绝缘空心金属球A，带有4×10-6C的正电荷，一个有绝缘柄的金属小球B，带有2×10-6C的负电荷。
若把B球跟A球的内壁相接触，如图6所示，则B球上电量为_____C，A球上电量为_______C，分布在_______。
5．如图，在真空中有两个点电荷A和B，电量分别为－Q和＋2Q，它们相距L，如果在两点电荷连线的中点O有一个半径为r（2r＜L）的空心金属球，且球心位于O点，则球壳上的感应电荷在O点处的场强大小________ 方向_________。
6．长为L的导体棒原来不带电，将一带电量为q的点电荷放在距棒左端R处，如图所示，当达到静电平衡后棒上感应的电荷在棒内中点处产生的场强的大小等于多少？
四、小结
主要内容
特点
一、静电平衡状态下导体的电场
二、导体上电荷的分布
三、静电屏蔽
五、课后练习
“问题与练习”1，2，3，4。
活学活用参考答案：
1．B
2．D
3．负、负
4．0、2×10－6、A的外表面
5．12kQ/L2、沿AB连线指向B
6．KQ/（R+L/2）2
§1.7静电感应现象的应用（教案和导学）
【教学三维目标】
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
【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。
【教学方法】
推理归纳法、问题解决法、实验法
【教具准备】
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
【课时安排】2课时
【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。
（一）．静电感应
1、什么叫静电感应：
放在静电场中的体，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？
+
－
－
＋
＋
＋
－
拓展：
1、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？
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。
4．静电场中导体的特点：
（1）处于静电平衡状态，导体内处处场强为零。
导体中没有自由电荷定向移动。
（2）处于静电平衡状态的导体，净电荷只能分布在导体外表面上；且越尖锐的位置电荷密度越大。
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。
（3）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。
（4）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。
（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
6．应用
（1）感应起电（与摩擦起电比较）
如图：
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
①空腔导体的特点：
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。
归纳：
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
③ 静电屏蔽应用
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
三、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。
四、巩固练习
【例1】一个任意形状的金属导体，处于静电平衡状态时（ ）
A．导体内部没有净电荷． B．导体内部任意两点间的电势差不一定为零
C．导体内部的场强不一定处处为零 D．在导体表面上，电场线可以与导体表面成任意角
解析：
A．处于静电平衡状态的导体，净电荷在导体表面，所以A对．B．处于静电平衡状态的导体，是一个等势体，所以任意两点间无电势差，所以 B错．C．处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零，所以C错．D．处于静电平衡状态的导体，其表面场强不为零，场强的方向与面垂直，所以D对。
【例2】如图所示，将不带电的导体BC放在带正电的金属球A附近，当导体BC达到静电平衡后，则下列说法正确的有（ ）
A．用导线连接BC两端，导线中有瞬间电流通过
B．用手摸一下导体B端可使导体带正电
C．导体C端电势高于B端电势
D．B和C端感应电荷在导体内部产生的场强沿BC方向逐渐减小
解析：
静电平衡后，BC内部场强为零，整个导作是个等势体，故A、C都错了，根据导体附近的电场线分布，可判定导体BC的电势比无穷远处（大地）的电势要高，故把导体B端或C端接地时，将有电子从大地流向导体，导体将带负电；导体处于静电平衡时，导体内部的电场跟感应电场相平衡，因此可以根据外电场在导体内部的分布情况来确定感应电荷电场在导体内部的分布情况． 答案：
D
【例3】如图所示，接地的金属板右侧有固定的点电荷十Q，a、b点是金属板右侧表面上的两点，其中a点到＋q的距离较小，下列说法中正确的是（ ）
A．由于静电感应，金属板右侧表面带负电，左侧表面带正电．
B、由于静电感应，金属板右侧表面带负电，左侧表面不带电
C、整个导体，包括表面上的a、b点，是一个等势体，且电势等于零
D、a、b两点的电场强度不为零，且a、b两点场强方向相同，但a点的场强比b点场强大
解析：
由于静电平衡，金属板是一个等势体，且电势为零（金属板接地），金属板的左侧不带电，右侧带负电．a、b两点的场强不为零，它们场强的方向均垂直于金属板平面，由于a点离＋Q比b点近，故a点的感应电荷比b点的感应电荷多，场强大．综上所述，选项B、C、D正确。
【点评】处于电场中的导体一旦接地，它的电势为零。
且远离带电体的一端总是不带电，由于达到静电平衡时内部场强处处为零，说明了接地后的导体所带的异种电荷（与带电体的电荷比较而言）是增多的．
【例4】：
长为L的金属棒原来不带电，现将一带电荷量为q的正电荷放在距棒左端R处且与棒在一条线上，则棒上感应电荷在棒内中点O处产生的场强的大小 ，方向 。
解析:
根据处于静电平衡状态的导体的特点，棒上感应电荷在棒内中点O处产生的场强应与正电荷q在该点产生的场强大小相等，方向相反，故感应电荷在棒内中点O处产生的场强的大小为：
；方向由O点指向q。
【例5】如图所示，P为金属球壳内的一点，壳外一带负电的带电体A移近金属球壳时，金属球壳内P点处的场强E和电势U的变化是（ ）
A．E不变，U降低；B．E不变，U升高
C．E增大，U升高；D、E增大．U降低
解析：
金属球壳处于带负电的带电体A形成的电场中，处于静电平衡状态，因此E始终等于零不变，由于带电体A带负电且靠近球壳，所以球壳的电势降低。
答案：
A
【例6】如图所示，水平放置的金属板正上方有一固定的正点电荷Q，一表面绝缘的带正电的小球（可视为质
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