《2022年人教版高中物理選修3-1 第一章 第7節(jié) 靜電現(xiàn)象的應用 教案2》由會員分享,可在線閱讀,更多相關《2022年人教版高中物理選修3-1 第一章 第7節(jié) 靜電現(xiàn)象的應用 教案2(5頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、2022年人教版高中物理選修3-1 第一章 第7節(jié) 靜電現(xiàn)象的應用 教案2
【教材分析】
本節(jié)課要學的內容靜電感應現(xiàn)象指的是在電場中的導體沿著電場強度方向兩個端面出現(xiàn)等量異種電荷,其核心是導體內部處處場強為零,理解它關鍵就是要假設內部場強不為零,那么自由電荷必定受到電場力的作用,在電場力的作用下發(fā)生定向移動,說明導體尚未達到靜電平衡.導體內部場強為零,是外加電場E0與感應電荷產(chǎn)生的電場E′相互疊加的結果,即E0+ E′=0 (E′與E0大小相等,方向相反)。教學的重點是內部場強處處為零,解決重點的關鍵是好好理解感應電場。
【教學目標】
教學目標
了解導體導電機制、靜電平衡狀態(tài)、靜
2、電感應現(xiàn)象;理解電場中處于靜電平衡狀態(tài)下導體的特點;了解靜電屏蔽現(xiàn)象及其應用。著重理解靜電場中靜電平衡狀態(tài)下導體的特性,即其電荷分布、電場分布、電勢等。
目標解析
導體內部處處場強為零。假設內部場強不為零,那么自由電荷必定受到電場力的作用,在電場力的作用下發(fā)生定向移動,說明導體尚未達到靜電平衡.導體內部場強為零,是外加電場E0與感應電荷產(chǎn)生的電場E′相互疊加的結果,即E0+ E′=0 (E′與E0大小相等,方向相反)。
【教學過程】
1. 靜電感應現(xiàn)象及靜電平衡
(1)現(xiàn)象解釋:將呈電中性狀態(tài)的金屬導體放入場強為E0的靜電場中,導體內自由電子便受到與場強E0方向相反的電場力作用,除了
3、做無規(guī)則熱運動,自由電子還要向電場玩的反方向作定向移動,圖1—4一l(a)所示,并在導體的一個側面集結,使該側面出現(xiàn)負電荷,而相對的另一側出現(xiàn)“過?!钡牡攘康恼姾蓤Dl一4—1(b)所示。在電場中的導體沿著電場強度方向兩個端面出現(xiàn)等量異種電荷,這種現(xiàn)象叫做靜電感應。
(2)導體靜電平衡條件:E內=0
由于靜電感應,在導體兩側出現(xiàn)等量異種電荷,在導體內部形成與場強E0向的場強E',在導體內任一點的場強可表示為E內=E0+E′。
因附加電場E′與外電場E0方向相反,疊加的結果削弱了導體內部的電場,隨著導體兩側感應電荷繼續(xù)增加,附加電場E′增強,合場強E內將逐漸減小。當E內=0時,自由電子
4、的定向運動也停止了。如圖1—4—1(c)。
說明:
① 導體靜電平衡后內部場強處處為零,是指電場強度E0,與導體兩端感應電荷產(chǎn)生的場強E′的合場強為零。
② 金屬導體建立靜電平衡狀態(tài)的時間是短暫的。
③ 靜電平衡時,電荷在導體表面的分布往往是不均勻的,越是尖銳的地方,電荷分布越密,附近電場強度越大。
(3)導體靜電平衡時,有如下特點:
① 導體內部處處場強為零。假設內部場強不為零,那么自由電荷必定受到電場力的作用,在電場力的作用下發(fā)生定向移動,說明導體尚未達到靜電平衡.導體內部場強為零,是外加電場E0與感應電荷產(chǎn)生的電場E′相互疊加的結果,即E0+ E′=0 (E′與E0大小相等,
5、方向相反)。
② 導體表面處場強與表面垂直,假如不是這樣,場強就有一個沿導體表面的分量,導體上的自由電荷就會發(fā)生定向移動,這就不是平衡狀態(tài)了。
③ 電荷只分布在導體表面外。因為導體內部的場強處處為零,導體內部就不可能有未被抵消的電荷。假如內部某處有靜電荷,在它附近的場強就不可能為零。
2. 靜電屏蔽
處于靜電平衡狀態(tài)的導體,內部的場強處處為零。因此,可以利用金屬外殼或者金屬網(wǎng)封閉某個區(qū)域,使得該區(qū)域不受外部電場的影響,這一現(xiàn)象叫做靜電屏蔽。
靜電屏蔽包括兩種情況:
(1)金屬殼內部不受外部影響
如圖l—4—2(a)圖所示,使帶電的金屬球靠近驗電器,由于靜電感應,驗電器的箔片張開,
6、這表示驗電器受到了外電場的影響。
如果事先用金屬網(wǎng)罩把驗電器罩住,如圖1—4—2(b)圖所示,驗電器的箔片就不張開,即使把驗電器和金屬網(wǎng)罩連接起來,箔片也不張開。這表明金屬網(wǎng)罩能把外電場擋住,使罩內不受外電場的影響。
(2)接地得封閉導體殼,內部電場對外部沒影響。
如一封閉的爭體殼內部空間某點有一點電荷+q。由于靜電感應,導體殼內外表面感應出等量的異種電荷。其電場線如圖1—4—3(a)所示,當把導體殼接地后,+q在殼內的電場對殼外空問就沒有影響了,如圖l一4—3(b)所示。
我們可以這樣理解這一現(xiàn)象:
當殼內有+q電荷時,殼內空間有電場。其電場線由+q出發(fā),應
7、終止于負電荷,故殼內壁就感應出負電荷,因+q不在球殼中心,而電場線要與處于靜電平衡的導體表面垂直。故殼內的電場線就如圖1—4—3(a)所示,每條都與內表面垂直。
球殼外壁出現(xiàn)等量的正電荷,這些正電荷也要在周圍空間產(chǎn)生電場,其電場線都由這些正電荷出發(fā)。而電場線又要與球殼表面垂直,只有沿半徑方向的射線才與球殼表面垂直,故這些電場線就好像從球心發(fā)出的一樣,均勻地向四周射出。從而導致殼外表面感應的正電荷均勻地分布在殼外表面。就表現(xiàn)出圖1—4—3(a)所示的情況,若+q置于球心,則球殼對+q在殼外電場無影響。
當把球殼接地后,殼外表面感應的正電荷在電場力作用下流入大地(實際是大地的電子在電場力作用下
8、通過接地的導線流到殼面上與殼外表面的正電荷中和),使球殼外表面沒有電荷,殼外空間就沒有電場了。殼內+q的電場沒受到任何影響。這樣就出現(xiàn)圖1—4—3(b)所示的情況。
3. 解與電場中的導體有關的問題的方法
解與電場中的導體有關的問題時,要考慮電場中的導體靜電平衡時,導體內部場強為零,導體是等勢體,導體表面是等勢面,表面場強垂直表面,導體帶電,電荷分布在外表面,還應該根據(jù)導體中電荷受力情況和電勢因素進行綜合考慮。
【典型例題】
[例1] 如圖l一4—4所示,接地的金屬板右側有固定的點電荷+Q,a、b點是金屬板右側表面附近的兩點,其中a到+Q的距離較小。下列說法正確的是( )
9、
A. 由于靜電感應,金屬板右側表面帶負電,左側表面不帶電
B. 由于靜電感應,金屬板右側表面帶負電,左側表面不帶電
C. 整個導體,包括表面上的a、b點,是一個等勢體,且電勢等于零
D. a、b兩點的電場強度不為零,且a、b兩點場強方向相同,但a點的場強比b點的場強要強(大)一些
解析:金屬板若不接地,右側表面將有感應的負電荷,左側表面將有感應的等量正電荷?,F(xiàn)金屬板接地,正電荷通過接地導線移向大地,靜電平衡時左側表面不帶電,整個金屬板的電勢都為零。所以選項A錯誤,選項B、C正確。
金屬板接地時,右側表面上仍有感應負電荷,而且a點附近的電荷面密度(單位表面面積的電荷量)比b點附近的電
10、荷面密度要大些,場強要強(大)些,電場線也密一些;整個金屬板是等勢體,右側表面是等勢面,電場線與等勢面垂直,可見a、b兩點的場強方向都垂直指向右側面,方向相同,選項D也正確.
答案:B、C、D
[例2] 長為l的導體棒原來不帶電,現(xiàn)將一帶電量為+q的點電荷放在距棒左端R處,如圖l—4—6所示。當棒達到靜電平衡后,棒上感應電荷在棒內中點P處產(chǎn)生的場強大小等于 ,方向為 。
解析:導體棒在點電荷+q的電場中發(fā)生靜電感應,左端出現(xiàn)負電荷,右端出現(xiàn)正電荷,棒中任何一點都有兩個電場,即外電場──+q在該點形成的電場E0,附加電場──棒上感應電荷在該點形成的電場E′,達到靜電平衡時E′=E0,題中所求的即為E′,于是我們通過上述等式轉化為求E0。
棒的中點距離+q為r=R+l/2,于是E′=E0=。
E′和E0方向相反,方向向左。
同理,我們還能求棒中其他點的附加電場的場強。
八、本課小結
1. 靜電感應現(xiàn)象及靜電平衡
2. 靜電屏蔽
3. 解與電場中的導體有關的問題的方法