（必修3）9.4 静电的防止与利用（教案3）

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9.4静电的防止与利用
〖教材分析〗
本节的主要概念是静电平衡，掌握静电平衡的概念，理解静电平衡的过程。金属导体放在电场中，达到静电平衡状态是一个非常快的过程，但是对这一过程的分析却十分重要。引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。应用静电平衡知识，认识尖端放电现象和静电屏蔽现象，最后是静电在实际生产生活中的应用。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，感受静电平衡概念的建立过程。
科学思维：掌握归纳、演绎推理的方法，训练学生的推理能力，亲身感受知识的建立过程。
科学探究：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的特征。
科学态度与责任：经历观察、实验、探究等学习活动，培养尊重客观事实、实事求是的科学态度。
〖教学重点与难点〗
重点：掌握静电平衡的概念、理解静电平衡的特征。
难点：应用静电平衡知识，认识尖端放电现象和静电屏蔽现象。
〖教学准备〗
多媒体课件、验电器、金属小球等，
〖教学过程〗

一、新课引入
自然界到处都有静电。生产中的搅拌、挤压、切割等活动，生活中的穿衣、脱衣、运动等过程都可能产生静电。
在加油站给车加油前，为什么要触摸一下静电释放器?
（播放加油站不规范操作起火的动图）带着这两个疑问，
本节课我们一齐来学习《静电的防止与利用》。（板书课题）
二、新课教学
（一）静电平衡

问题1：金属导体的微观结构如何？
金属导体内部存在大量的自由电子，他们在金属内做无规则的热运动，但是从整体看他们，没有反生宏观的定向运动。所以不显电性。
问题2：如果把金属导体ABCD放入电场强度为E0的电场中自由电子怎样移动？
刚开始金属板内的电子受到向左的电场力的作用，朝着左边向定向运动。

问题3：自由电子会在什么地方积聚？
在导体两端，积聚等量异种电荷，即金属板的左侧就集中了一些负电荷，相应的右侧就剩下了等量的正电荷。即和我们前面学习的静电感应现象是一样的。
问题4：自由电子会一直不停的积聚吗？
自由电荷在金属内部产生了一个附加场强Eʹ，Eʹ的方向与外加场强E0相反，它两叠加起来。即
E合= E0–Eʹ
一开始外加场强E0仍然大于附加场强Eʹ，合场强仍然向右。于是自由电荷继续做定向运动，板两侧的电荷就继续增大。当
Eʹ=E0
即
E合= E0–Eʹ=0
金属导体内部合场强为零，自由电子不再发生定向移动。电荷分布达到稳定，这种状态叫做导体的静电平衡状态。即
金属导体中，没有电荷定向移动的状态，这种状态叫静电平衡状态。
导体处于静电平衡时，其内部场强处处为0。如果静电平衡时导体内部的电场不为零，那么自由电子就要在库仑力的作用下做定向移动，那就不是静电平衡状态了。这是静电平衡状态的重要特征。
课堂练习
例1：如图所示，带正电小球A靠近不带电的金属导体B，由于静电感应导体B的左端出现负电荷，右端出现正电荷，下列说法，正确的是(　   　)

A、用手摸一下B的左端，B将带正电
B、用手摸一下B的右端，B将带正电
C、用手摸一下B的中部，B将不带电
D、用手摸一下B的任何部分，B都将带负电
解题提示：用手受摸导体B之后相当于加长了导体B，那么导体B的远端就在地球的那边了，所以最后只剩下异种电荷。选D。
（二）尖端放电

问题1：电荷分布有何特点呢？
通过平衡条件来分析这个问题。
如图这是一个静电平衡时的导体E=0。假设导体内部也有电荷存在，那么这个电荷紧挨的位置肯定有场强，即场强E≠0，这是不满足静电平衡条件的，所以静电平衡时导体内部一定没有电荷。即
①导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面。

问题2：那这些电荷是均匀分布的吗？
画图阐述：这和形状有关，一般说来在导体突出的尖端电荷分布会更密集，比如这导体，这是三个尖端的电荷较密，而凹侧部分几乎没有电荷。即
②在导体外表面 , 越尖锐的位置,电荷的密度越大。

画图阐述：不仅如此导体突出的尖端上电场线也比较密、或者说场强较大。这个性质会导致一个有趣的现象——空气的电离。
当尖端电荷密度足够大时，尖端附近的场强很强，
这个场强可以使空气中原有的少数正负离子加速，获得较大的动能，这些离子在运动过程中与其他空气分子碰撞，使中性的分子电离。产生新一代的正负离子，这些离子又被加速，继而又去碰撞中性分子，又会产生新的离子，这样在短时间内尖端附近的离子激增。这种现象叫做空气的电离。

在这周围有正负离子，根据同性相斥，异性相吸。这些离子中与导体尖端异种的离子向尖端运动。到达导体后，与导体所带电荷中和，而与导体带同种电荷的离子，则被排开。就好像有电荷从带电导体的尖端释放出来一样，这就是尖端放电现象。
（播放动图）尖端放电现象，可以看到蜡焰会被推开，这是由于正离子飞过来的缘故。
尖端放电现象的利用——避雷针

（播放动图）对比撞避雷针的建筑和不装避雷针的建筑，阐述避雷针的原理。
如果建筑物安装了避雷针，在避雷针上产生的感应电荷会通过针尖放出，逐渐中和云中的电荷，保护建筑物，使其免遭雷击。
课堂练习
例2：下列避免被雷劈的方法正确的是（     ）

• 躲到大树底下
  

• 站在雨中，丢掉身上所有的金属物质
  

• 站在雨中穿上橡胶的雨衣和雨鞋
  

• 放低姿态
  

• 解题提示：避免形成尖端。
  

（播放动图）把一只小鸟放入一个用金属网制成的鸟笼中，再把鸟笼放入高压电场中，鸟会安然无恙吗？如果人在金属笼子里，给笼子加上高压电，人安全吗？
（三）静电屏蔽
演示实验：静电屏蔽

（播放动图）使带电的金属球靠近验电器，但不接触，箔片是否张开？
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。

实验现象分析：根据刚才的结论，验电器就是在一个场强为零的区域里，不会发生静电感应，也就是说验电器不受外部电场的影响。这种现象称为静电屏蔽。
解析：金属笼子里的鸟。在静电屏蔽现象中起到屏蔽作用的金属壳体不需要封闭的很严实。金属网罩也一样能起到效果。所以站在金属笼子里的人不受外面电场的影响，始终是安全的。
静电屏蔽在实际生产生活中有重要的应用。

• 三条输电线的上方还有两条导线，它们与大地相连，形成一个稀疏的金属“网”，把高压线屏蔽起来，免遭雷击。
  

• 静电的危害。例如加油站静电起火。（回顾课前的问题）
  

（四）静电吸附
根据异性相吸的原理。在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上。（播放动图）
①静电除尘。
②静电喷漆
③静电打印
课堂练习

例3：如图所示，在真空中把一绝缘导体向带负电的小球 P 缓慢地靠近 (不接触，且未发生放电现象)时，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点产生的场强大于在N点产生的场强
  D.导体的感应电荷在M、N两点产生的场强相等
解题提示：感应起电，达到静电平衡状态。且不是均匀的电场。选AC
例4：处于静电平衡中的导体，内部电场强度处处为零的原因是(　　)
A.导体内部无任何电场
B.外电场不能进入导体内部
C.所有感应电荷在导体内部产生的合电场强度为零
D.外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为零
解题提示：壳外电荷在壳内空间依然产生电场，只不过与内电场相抵消。选D。
〖板书设计〗
9.4静电的防止与利用

• 一、静电感应现象→感应起电
  

①静电平衡：E合= E0–Eʹ=0
②处于静电平衡状态下的导体，内部的场强处处为零。
二、尖端放电
①电荷只分布在导体的外表面。
②越尖锐电荷的密度越大。
③空气分子中正负电荷分离的现象叫做空气的电离。
④尖端上的电荷中和这个现象叫尖端放电。

• 静电屏蔽
  

• 具有空腔的金属导体（网）在静电平衡状态下，不仅导体内部场强为零，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。
  

• 静电吸附→利用异性相吸原理
  

〖教学反思〗

• 本教案的主要概念是静电平衡，掌握静静电平衡的特征是本节的重点；应用静电平电荷分布特点、尖端放电现象、静电屏蔽现实验。电平衡的概念、理解衡知识，认识导体的象，要注意做好演示实验。