2022年人教版高中物理选修3-1 第一章 第7节 静电现象的应用 教案2

2022年人教版高中物理选修3-1 第一章 第7节 静电现象的应用 教案2【教材分析】本节课要学的内容静电感应现象指的是在电场中的导体沿着电场强度方向两个端面出现等量异种电荷，其核心是导体内部处处场强为零,理解它关键就是要假设内部场强不为零，那么自由电荷必定受到电场力的作用，在电场力的作用下发生定向移动，说明导体尚未达到静电平衡导体内部场强为零，是外加电场E0与感应电荷产生的电场E相互叠加的结果，即E0+ E=0 （E与E0大小相等，方向相反）。教学的重点是内部场强处处为零，解决重点的关键是好好理解感应电场。【教学目标】教学目标了解导体导电机制、静电平衡状态、静电感应现象；理解电场中处于静电平衡状态下导体的特点；了解静电屏蔽现象及其应用。着重理解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、电势等。目标解析导体内部处处场强为零。假设内部场强不为零，那么自由电荷必定受到电场力的作用，在电场力的作用下发生定向移动，说明导体尚未达到静电平衡导体内部场强为零，是外加电场E0与感应电荷产生的电场E相互叠加的结果，即E0+ E=0 （E与E0大小相等，方向相反）。【教学过程】1. 静电感应现象及静电平衡（1）现象解释：将呈电中性状态的金属导体放入场强为E0的静电场中，导体内自由电子便受到与场强E0方向相反的电场力作用，除了做无规则热运动，自由电子还要向电场玩的反方向作定向移动，图14一l（a）所示，并在导体的一个侧面集结，使该侧面出现负电荷，而相对的另一侧出现“过剩”的等量的正电荷图l一41（b）所示。在电场中的导体沿着电场强度方向两个端面出现等量异种电荷，这种现象叫做静电感应。（2）导体静电平衡条件：E内=0由于静电感应，在导体两侧出现等量异种电荷，在导体内部形成与场强E0向的场强E，在导体内任一点的场强可表示为E内=E0+E。因附加电场E与外电场E0方向相反，叠加的结果削弱了导体内部的电场，随着导体两侧感应电荷继续增加，附加电场E增强，合场强E内将逐渐减小。当E内=0时，自由电子的定向运动也停止了。如图141（c）。说明： 导体静电平衡后内部场强处处为零，是指电场强度E0，与导体两端感应电荷产生的场强E的合场强为零。 金属导体建立静电平衡状态的时间是短暂的。 静电平衡时，电荷在导体表面的分布往往是不均匀的，越是尖锐的地方，电荷分布越密，附近电场强度越大。（3）导体静电平衡时，有如下特点： 导体内部处处场强为零。假设内部场强不为零，那么自由电荷必定受到电场力的作用，在电场力的作用下发生定向移动，说明导体尚未达到静电平衡导体内部场强为零，是外加电场E0与感应电荷产生的电场E相互叠加的结果，即E0+ E=0 （E与E0大小相等，方向相反）。 导体表面处场强与表面垂直，假如不是这样，场强就有一个沿导体表面的分量，导体上的自由电荷就会发生定向移动，这就不是平衡状态了。 电荷只分布在导体表面外。因为导体内部的场强处处为零，导体内部就不可能有未被抵消的电荷。假如内部某处有静电荷，在它附近的场强就不可能为零。2. 静电屏蔽处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零。因此，可以利用金属外壳或者金属网封闭某个区域，使得该区域不受外部电场的影响，这一现象叫做静电屏蔽。静电屏蔽包括两种情况：（1）金属壳内部不受外部影响如图l42（a）图所示，使带电的金属球靠近验电器，由于静电感应，验电器的箔片张开，这表示验电器受到了外电场的影响。如果事先用金属网罩把验电器罩住，如图142（b）图所示，验电器的箔片就不张开，即使把验电器和金属网罩连接起来，箔片也不张开。这表明金属网罩能把外电场挡住，使罩内不受外电场的影响。（2）接地得封闭导体壳，内部电场对外部没影响。如一封闭的争体壳内部空间某点有一点电荷+q。由于静电感应，导体壳内外表面感应出等量的异种电荷。其电场线如图143（a）所示，当把导体壳接地后，+q在壳内的电场对壳外空问就没有影响了，如图l一43（b）所示。 我们可以这样理解这一现象： 当壳内有+q电荷时，壳内空间有电场。其电场线由+q出发，应终止于负电荷，故壳内壁就感应出负电荷，因+q不在球壳中心，而电场线要与处于静电平衡的导体表面垂直。故壳内的电场线就如图143（a）所示，每条都与内表面垂直。球壳外壁出现等量的正电荷，这些正电荷也要在周围空间产生电场，其电场线都由这些正电荷出发。而电场线又要与球壳表面垂直，只有沿半径方向的射线才与球壳表面垂直，故这些电场线就好像从球心发出的一样，均匀地向四周射出。从而导致壳外表面感应的正电荷均匀地分布在壳外表面。就表现出图143（a）所示的情况，若+q置于球心，则球壳对+q在壳外电场无影响。当把球壳接地后，壳外表面感应的正电荷在电场力作用下流入大地（实际是大地的电子在电场力作用下通过接地的导线流到壳面上与壳外表面的正电荷中和），使球壳外表面没有电荷，壳外空间就没有电场了。壳内+q的电场没受到任何影响。这样就出现图143（b）所示的情况。3. 解与电场中的导体有关的问题的方法解与电场中的导体有关的问题时，要考虑电场中的导体静电平衡时，导体内部场强为零，导体是等势体，导体表面是等势面，表面场强垂直表面，导体带电，电荷分布在外表面，还应该根据导体中电荷受力情况和电势因素进行综合考虑。【典型例题】 例1 如图l一44所示，接地的金属板右侧有固定的点电荷+Q，a、b点是金属板右侧表面附近的两点，其中a到+Q的距离较小。下列说法正确的是（ ）A. 由于静电感应，金属板右侧表面带负电，左侧表面不带电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点的场强要强（大）一些解析：金属板若不接地，右侧表面将有感应的负电荷，左侧表面将有感应的等量正电荷。现金属板接地，正电荷通过接地导线移向大地，静电平衡时左侧表面不带电，整个金属板的电势都为零。所以选项A错误，选项B、C正确。金属板接地时，右侧表面上仍有感应负电荷，而且a点附近的电荷面密度（单位表面面积的电荷量）比b点附近的电荷面密度要大些，场强要强（大）些，电场线也密一些；整个金属板是等势体，右侧表面是等势面，电场线与等势面垂直，可见a、b两点的场强方向都垂直指向右侧面，方向相同，选项D也正确答案：B、C、D例2 长为l的导体棒原来不带电，现将一带电量为+q的点电荷放在距棒左端R处，如图l46所示。当棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在棒内中点P处产生的场强大小等于 ，方向为 。解析：导体棒在点电荷+q的电场中发生静电感应，左端出现负电荷，右端出现正电荷，棒中任何一点都有两个电场，即外电场+q在该点形成的电场E0，附加电场棒上感应电荷在该点形成的电场E，达到静电平衡时E=E0，题中所求的即为E，于是我们通过上述等式转化为求E0。棒的中点距离+q为r=R+l2，于是E=E0=。E和E0方向相反，方向向左。同理，我们还能求棒中其他点的附加电场的场强。八、本课小结1. 静电感应现象及静电平衡2. 静电屏蔽3. 解与电场中的导体有关的问题的方法