2020屆高中物理 第7節(jié) 靜電現(xiàn)象的應(yīng)用教學(xué)過程一 新人教版選修3-1

第7節(jié)、靜電現(xiàn)象的應(yīng)用 新課教學(xué)過程一 新課教學(xué) 1、靜電平衡狀態(tài) (1)靜電平衡 問題：為什么會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象呢？ 分析：導(dǎo)體的特征是在它的內(nèi)部有大量的自由電荷，對金屬導(dǎo)體來說，是由做熱振動(dòng)的正離子和在它們之間做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的自由電子組成的。將一不帶電導(dǎo)體靠近帶電體時(shí)，導(dǎo)體即處于帶電體所形成的電場中，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在電場力的作用下，逆著電場線定向移動(dòng)，使導(dǎo)體一側(cè)集聚負(fù)電荷，而導(dǎo)體另一側(cè)則集聚等量的正電荷。 問題：不帶電導(dǎo)體上的自由電子還沒來得及運(yùn)動(dòng)的瞬間，導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度為零嗎？ 結(jié)論：不為零。正因?yàn)橛袌鰪?qiáng)，才導(dǎo)致自由電子定向移動(dòng)而使導(dǎo)體帶電。 問題：自由電子移動(dòng)的結(jié)果，對導(dǎo)體中的電場強(qiáng)度有何影響？ 分析：導(dǎo)體上自由電子移動(dòng)的結(jié)果，使導(dǎo)體一端帶上負(fù)電，另一端帶上正電。此時(shí)，導(dǎo)體中的電場已不是場源帶電體單獨(dú)產(chǎn)生的了，而是有場源帶電體產(chǎn)生的電場E和由導(dǎo)體兩端出現(xiàn)的正負(fù)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的反方向的電場E′，E與E′方向相反，疊加后使導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度減弱。只要導(dǎo)體中的電場強(qiáng)度不為零，導(dǎo)體中的自由電子就會(huì)受電場力作用而定向移動(dòng)，使E′增強(qiáng)，導(dǎo)致E與E′的合電場再減弱，如上圖。直到導(dǎo)體內(nèi)部各點(diǎn)的合場強(qiáng)都等于零時(shí)為止，這時(shí)導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再受電場力，不再做定向移動(dòng)，如下圖。 當(dāng)導(dǎo)體中的電荷靜止不動(dòng)，從而場強(qiáng)分布不隨時(shí)間變化時(shí)，導(dǎo)體就達(dá)到了靜電平衡。 (2)靜電平衡狀態(tài) 導(dǎo)體中（包括表面）沒有電荷的定向移動(dòng)的狀態(tài)，叫做靜電平衡狀態(tài)。 (用多媒體模擬靜電感應(yīng)至最后導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡狀態(tài)的過程) (3)靜電平衡的條件 問題：通過以上分析，處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其內(nèi)部場強(qiáng)有何特點(diǎn)？ 處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部的場強(qiáng)處處為零。 內(nèi)部的場強(qiáng)指源電場與感應(yīng)電荷電場的合場強(qiáng)。 思考討論 R L ＋q O 長為L的導(dǎo)體棒原來不帶電，現(xiàn)將一電荷量為+q的點(diǎn)電荷放在與棒的左端距離為R的地方，如圖，達(dá)到靜電平衡后，棒上的感應(yīng)電荷在棒內(nèi)中點(diǎn)O處產(chǎn)生的場強(qiáng)有多大？方向如何？ 解答：達(dá)靜電平衡后，O點(diǎn)處場強(qiáng)為零，則E感＝E源＝k，E感方向與E源方向相反，即指向點(diǎn)電荷＋q。 (4)靜電平衡導(dǎo)體的性質(zhì) 從靜電平衡的條件出發(fā)可以得到如下的幾點(diǎn)推論： ①處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，表面上任何一點(diǎn)的場強(qiáng)方向都跟該點(diǎn)的表面垂直。 用反證法分析：如果表面上某一點(diǎn)的場強(qiáng)方向與該點(diǎn)的表面不垂直，該點(diǎn)的場強(qiáng)應(yīng)有沿表面的切向分量，就會(huì)使導(dǎo)體表面的電荷發(fā)生宏觀的定向移動(dòng)，這與靜電平衡是矛盾的，故處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，表面上任何一點(diǎn)的場強(qiáng)方向都跟該點(diǎn)的表面垂直。 ②處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，電荷只能分布在導(dǎo)體的外表面上。 提問：處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其內(nèi)部會(huì)不會(huì)有電荷？ 用反證法分析：處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其內(nèi)部如有電荷，則此電荷必然產(chǎn)生電場，因而導(dǎo)體內(nèi)部的電場強(qiáng)度就不為零，導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子會(huì)受電場力而移動(dòng)，這與靜電平衡是矛盾的，故內(nèi)部不會(huì)有電荷。 演示證明： a．取兩個(gè)驗(yàn)電器A和B，在B上裝一個(gè)幾乎封閉的金屬圓筒C（叫法拉第圓筒），使C帶電，B的箔片張開，用有絕緣柄的金屬小球D先與C外表面接觸一下，再讓D與A的金屬球接觸一下，如此重復(fù)多次，發(fā)現(xiàn)A的箔片漸漸張開。 結(jié)論：說明C的外表面上有電荷； b．重做上邊實(shí)驗(yàn)，讓D與C的內(nèi)表面接觸一下，再與不帶電的A的金屬球接觸一下，如此反復(fù)多次，發(fā)現(xiàn)A的箔片始終閉合。 結(jié)論：說明C的內(nèi)表面不帶電。 剛才實(shí)驗(yàn)中的C帶電后，屬于一孤立的帶電體，穩(wěn)定后也處于靜電平衡狀態(tài)。 總結(jié)：靜電平衡下的導(dǎo)體，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面，且由于內(nèi)表面不帶電，故導(dǎo)體殼C內(nèi)無電場，E＝0，即靜電平衡下的空腔導(dǎo)體的內(nèi)部場強(qiáng)也處處為零。 2、靜電屏蔽 問題：將驗(yàn)電器放在帶正電的金屬球A的附近，驗(yàn)電器上的箔片會(huì)張開嗎？ 演示：使帶電的金屬球靠近驗(yàn)電器。 現(xiàn)象：驗(yàn)電器的箔片張開。 結(jié)論：因?yàn)轵?yàn)電器的金屬桿處于金屬球A的電場中，由于靜電感應(yīng)，它的金屬球?qū)ж?fù)電，而它的另一端──箔片將帶正電，因而兩箔片相斥而張開。 問題：若用金屬網(wǎng)罩將驗(yàn)電器罩住，驗(yàn)電器的箔片還會(huì)張開嗎？ 演示：使帶電的金屬球靠近驗(yàn)電器，事先用金屬網(wǎng)罩把驗(yàn)電器罩住。 現(xiàn)象：驗(yàn)電器的箔片不張開。 結(jié)論：因?yàn)榻饘倬W(wǎng)罩處于A上正電荷產(chǎn)生的電場中，網(wǎng)罩上的電荷將重新分布，最后達(dá)到靜電平衡。此時(shí)，網(wǎng)罩內(nèi)部的電場強(qiáng)度為零，驗(yàn)電器上將不帶電，因而箔片合攏。 這表示金屬網(wǎng)罩能把外電場擋住，使罩內(nèi)不受外電場的影響。 (1)靜電屏蔽 導(dǎo)體殼(金屬網(wǎng)罩)能保護(hù)它所包圍的區(qū)域，使這個(gè)區(qū)域不受外電場的影響，這種現(xiàn)象叫做靜電屏蔽。 (2)靜電屏蔽的應(yīng)用 靜電屏蔽是電場中的導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡時(shí)，其內(nèi)部場強(qiáng)為零的理論的直接應(yīng)用。根據(jù)靜電屏蔽，就應(yīng)該知道小鳥為什么能在帶電的金屬鳥籠為“安然無恙”的道理了。 靜電屏蔽的應(yīng)用有：電子儀器外套金屬網(wǎng)罩，通訊電纜外包一層鉛皮等。 鞏固練習(xí) (1)回答下列問題：①兩導(dǎo)體B與C接觸后，B與帶正電的A靠近放置，由于靜電感應(yīng)，B上帶負(fù)電，C上帶正電。此時(shí)若用手摸一下導(dǎo)體C，什么電流過人身而入地？ ②若不用手摸C，而是摸一下B，問什么電荷通過人體而入地？ 答：當(dāng)手摸C時(shí)，導(dǎo)體B、C、人體、地球就組成一個(gè)導(dǎo)體，此導(dǎo)體處于A的電場中，由于靜電感應(yīng)，靠近A的一端帶負(fù)電，而遠(yuǎn)離A的一端──地球帶正電.所以C上的正電荷入地。當(dāng)手摸B時(shí)，情況同上，仍是正電荷入地。 (2)在演示的實(shí)驗(yàn)裝置中，怎樣才能使已帶電的金屬小球D上的電荷全部傳給法拉第圓筒C呢？ 答：只需將D與C筒的內(nèi)壁接觸一下即可。因?yàn)楫?dāng)D與C的內(nèi)壁接觸時(shí)，D變?yōu)橥驳膬?nèi)壁的一部分，當(dāng)C與D組成的整個(gè)導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部不可能有電荷，所以D上的電荷全部移到導(dǎo)體外表面上。 小 結(jié) 通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，主要學(xué)了以下幾個(gè)問題： 1．靜電感應(yīng)現(xiàn)象的原因：當(dāng)不帶電導(dǎo)體處于電場中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在電場力的作用逆電場線而定向移動(dòng)，使導(dǎo)體一側(cè)帶負(fù)電，而另一側(cè)帶上正電。 2．靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體的特點(diǎn)： ①內(nèi)部場強(qiáng)處處為零。 ②處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，表面上任何一點(diǎn)的場強(qiáng)方向都跟該點(diǎn)的表面垂直。 ③電荷只分布在導(dǎo)體的外表面上。 3．靜電屏蔽： 金屬網(wǎng)罩將外電場遮住，而使其內(nèi)部不受外電場的影響，是靜電平衡下的導(dǎo)體其內(nèi)部場強(qiáng)為零的理論的應(yīng)用。 板書設(shè)計(jì): § 1.7靜電現(xiàn)象的應(yīng)用 1、靜電平衡狀態(tài) (1)靜電平衡 當(dāng)導(dǎo)體中的電荷靜止不動(dòng)，從而場強(qiáng)分布不隨時(shí)間變化時(shí)，導(dǎo)體就達(dá)到了靜電平衡。 (2)靜電平衡狀態(tài) 導(dǎo)體中（包括表面）沒有電荷的定向移動(dòng)的狀態(tài)，叫做靜電平衡狀態(tài)。 (3)靜電平衡的條件 處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部的場強(qiáng)處處為零。 (4)靜電平衡導(dǎo)體的性質(zhì) ①處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，表面上任何一點(diǎn)的場強(qiáng)方向都跟該點(diǎn)的表面垂直； ②處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，電荷只能分布在導(dǎo)體的外表面上。 2、靜電屏蔽 (1)靜電屏蔽 導(dǎo)體殼(金屬網(wǎng)罩)能保護(hù)它所包圍的區(qū)域，使這個(gè)區(qū)域不受外電場的影響，這種現(xiàn)象叫做靜電屏蔽。 (2)靜電屏蔽的應(yīng)用 電子儀器外套金屬網(wǎng)罩，通訊電纜外包一層鉛皮等。 教學(xué)后記: 靜電平衡狀態(tài)及靜電平衡下的導(dǎo)體的特點(diǎn)是本節(jié)的關(guān)鍵.對這點(diǎn)的教學(xué)，教材重視了兩方面的處理：一是重視推理的過程，教學(xué)中務(wù)必使學(xué)生清楚地知道推理過程，這樣才能做到，不僅知道結(jié)論，而且知道這個(gè)結(jié)論是怎樣得來的，以加深理解；二是重視實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在理論和實(shí)際的結(jié)合中理解知識(shí)。 對靜電屏蔽的講解，同樣需要使學(xué)生在理論和實(shí)際的結(jié)合中理解知識(shí).在使學(xué)生理解把導(dǎo)體挖空這個(gè)推理過程的同時(shí)要做好實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生清楚地看到靜電屏蔽現(xiàn)象。