高中物理《靜電屏蔽》教學(xué)設(shè)計
高中物理《靜電屏蔽》教學(xué)設(shè)計
一、教學(xué)目標(biāo)
1．了解導(dǎo)體導(dǎo)電機制、靜電平衡狀態(tài)、靜電感應(yīng)現(xiàn)象；
2．理解電場中處于靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特點；
3．了解靜電屏蔽現(xiàn)象。
二、教學(xué)重點、難點
1．靜電場中靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特性，即其電荷分布、電場分布等，這是重點。
2．運用電場有關(guān)知識，分析、推理出實驗現(xiàn)象的成因，這是難點。
三、教學(xué)方法：實驗演示，計算機輔助教學(xué)
四、教 具：
1．演示靜電感應(yīng)：起電機，感應(yīng)電機（一對）、驗電球、驗電器（兩個），帶有絕緣支架金屬球一個。
2．法拉第圓筒演示靜電平衡導(dǎo)體，內(nèi)部無凈余電荷：法拉第圓筒，驗電器（一個），驗電球，起電機。
3．靜電屏蔽演示：金屬網(wǎng)罩（一個），帶絕緣支架金屬球，驗電器。
4．計算機、大屏幕，自制CAI課件
五、教學(xué)過程：
（一）復(fù)習(xí)提問
1．電場的重要性質(zhì)是什么？對放入其中的電荷有力的作用。
2．導(dǎo)體的重要特征（或說導(dǎo)體導(dǎo)電的原因）是什么？導(dǎo)體內(nèi)部有大量自由電荷。
3．把導(dǎo)體放入電場中，導(dǎo)體上的自由電荷處于電場中將受電場力作用，這時的導(dǎo)體與無電場時的導(dǎo)體相比有什么不同特征？
引導(dǎo)學(xué)生分析：
若是金屬導(dǎo)體，自由電子在電場力作用下將發(fā)生定向移動使兩端出現(xiàn)不同的電荷分布，從而引起導(dǎo)體的某些新的性質(zhì)。
（二）引入新課
實驗1 利用起電機使絕緣金屬球帶電，從而產(chǎn)生電場，把感應(yīng)起電機靠近A擺放，且接觸良好。
將不帶電驗電球A先與B接觸，再與驗電器金屬球D接觸，如此反復(fù)，可見D金屬箔張開。同樣，可讓A與C接觸，再與E接觸，反復(fù)幾次，可見E金屬箔也張開。
由此可知B、C兩端帶電。
此時，若將A上電荷放掉，讓A與C接觸后與D接觸，反復(fù)幾次，可見D金屬箔張角變小，可見B、C兩端電荷異號。
1．靜電感應(yīng)
（1）什么叫靜電感應(yīng)：放在靜電場中的導(dǎo)體，它的自由電荷受電場力作用，發(fā)生定向移動，從而重新分布，在其表面不同部分出現(xiàn)了正、負電荷的現(xiàn)象。
①可根據(jù)同性相斥、異性相吸，指出本實驗中距A近端（B端）有與A異號的電荷，距A遠端（C端）電荷與A同號。
實驗1中，可用A與B、C中部接觸的，再與驗電器接觸，驗電器金屬箔不張開，電荷分布在兩端。
②也可以分析距A遠近不同，電勢不同，而金屬導(dǎo)體中自由電子在電場力作用下由電勢低處運動至電勢高處。
例如：若A帶正電，距A較遠端的C端電勢比B端低，故電子向B端運動，B端帶負電荷。根據(jù)電荷守恒，C端帶正電荷。
同理可分析A帶負電荷時，感應(yīng)電機上電荷分布。
（2）感應(yīng)電荷
靜電感應(yīng)現(xiàn)象中，導(dǎo)體不同部分出現(xiàn)的凈電荷稱為感應(yīng)電荷。
靜電場中導(dǎo)體上自由電荷受電場力作用做定向移動會不會一直運動下去？
（3）靜電平衡狀態(tài)
導(dǎo)體置于電場中時，自由電荷受力，發(fā)生定向移動，從而重新分布。重新分布的電荷在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生一個與原電場反向的電場，阻礙電荷定向移動，直至最后無電荷定向移動為止，這時感應(yīng)電荷電場與原電場的合場強為零。
①什么是靜電平衡狀態(tài)：導(dǎo)體上處處無電荷定向移動的狀態(tài)。
②特征：導(dǎo)體內(nèi)部處處場強為零。
在這個特征基礎(chǔ)上進行推論，可得靜電場中導(dǎo)體的特點。
2．靜電場中導(dǎo)體的特點：處于靜電平衡狀態(tài)，導(dǎo)體內(nèi)處處場強為零。
（1）處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，電荷只能分布在導(dǎo)體外表面上。
可采用反證法，若導(dǎo)體內(nèi)部有凈電荷，電荷周圍有電場，那么導(dǎo)體內(nèi)部電場強度將不為零，電荷將發(fā)生定向移動。
實驗2 法拉第圓筒實驗。
先用起電機使筒A帶電，至A中箔片張開為止，利用驗電球B可先從A外表面接觸，再與驗電器金屬球C接觸，反復(fù)幾次后，可明顯地看到C金屬箔張開，可說明A外表面有電荷。
若使B與A內(nèi)壁接觸后再與C接觸，則C金屬箔將不張開，可驗證A內(nèi)壁無電荷。
（2）處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體表面上任一點場強方向與該點表面垂直。可用反證法證明，若不垂直，沿表面有切向分量，電荷將發(fā)生定向移動。
（3）處于靜電平衡狀態(tài)導(dǎo)體是個等勢體，導(dǎo)體表面是等勢面，沿導(dǎo)體表面移動電荷，電場力與表面切向垂直，電場力做功為零。
所以 電勢差為零，表面是等勢面。
內(nèi)部處處E=0，任兩點間移動電荷，電場力為零，任兩點等勢，所以是等勢體。
3．應(yīng)用
（1）感應(yīng)起電（與摩擦起電比較）
使A帶電，B、C端將出現(xiàn)感應(yīng)電荷，把B、C分開，各自出現(xiàn)凈電荷，從而帶電。
（2）靜電屏蔽
實驗3
先使A帶電，然后移近驗電器B，由于靜電感應(yīng)，B的金屬箔片張開，若把B置于金屬網(wǎng)罩中，可發(fā)現(xiàn)B的金屬箔片不張開。
簡單分析：金屬網(wǎng)罩內(nèi)無電場。
任取一個導(dǎo)體殼，處于靜電場中，殼內(nèi)無電場。
反證法：若有電場，電場線發(fā)自殼壁，終止于殼壁，與殼是等勢體相矛盾，這樣的電場線不存在。
（三）例題精講、鞏固提高（見課件）
1．如圖所示，A帶正電，若導(dǎo)體C端接地，問B、C端各帶什么電荷？（B端帶負電荷，C端無凈電荷）
若此時斷開C與地的連線， B、C端帶什么電荷？（B端負電荷，C端無電荷）整個導(dǎo)體凈余什么電荷？（負電荷）
若B端接地，整個導(dǎo)體凈余什么電荷？（負電荷）
2．導(dǎo)體桿放于點電荷+Q附近達到靜電平衡后，求桿中距Q為r的一點Q的電場強度及桿上感應(yīng)電荷在a點產(chǎn)生的電場強度。
解：因為桿處于靜電平衡狀態(tài)，故Ea=0
a點場強由+Q產(chǎn)生的電場強度和感應(yīng)電荷電場合成。
EQ＋E感＝Ea＝0
（四）課件演示，課堂小結(jié)
1．靜電平衡狀態(tài)：導(dǎo)體中（包括表面）沒有電荷定向運動的狀態(tài)。
基本特征：處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部場強處處為零；電荷只分布在導(dǎo)體的外表面。
注意：這里的“場強”，指的是合場強。
2．靜電屏蔽：導(dǎo)體殼可以使其內(nèi)部所包圍的區(qū)域不受外部電場的影響，這種現(xiàn)象叫做靜電屏蔽。
（五）布置作業(yè)
1．復(fù)習(xí)本節(jié)課文。
2．思考一下靜電屏蔽有何應(yīng)用。
說明：
1．導(dǎo)體的靜電平衡條件是本節(jié)的重點，也是難點，在見解是可借助多媒體課件（或圖片）著重分析導(dǎo)體在電場中達到靜電平衡的過程，強調(diào)導(dǎo)體處于靜電平衡時，內(nèi)部場強處處為零，指的是感應(yīng)電荷的場強與外電場的場強疊加后，合場強為零，要使學(xué)生真正理解靜電平衡條件，必須使他們清楚地知道推理過程。
2．導(dǎo)體達到靜電平衡狀態(tài)時的電荷分布規(guī)律是在實驗的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的，因此必須重視實驗，做好演示，使學(xué)生獲得感性認識，然后再從靜電平衡條件加以說明，讓學(xué)生在理論和實際的結(jié)合中理解知識。
3．靜電屏蔽現(xiàn)象在生產(chǎn)和生活中有很多應(yīng)用，講解時要結(jié)合實際才能使學(xué)生真正理解。
4．為了鞏固學(xué)到的知識，本節(jié)安排了兩個例題，可根據(jù)學(xué)生的實際情況進行分析講解，然后再讓學(xué)生做練習(xí)，最后對本節(jié)內(nèi)容作簡要小結(jié)，布置課后作業(yè)，作業(yè)內(nèi)容可根據(jù)情況自行安排。
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