2019-2020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.doc

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2019-2020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(nèi)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(nèi)部處處場強為零,理解它關鍵就是要假設內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部處處場強為零。假設內(nèi)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(nèi)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(nèi)自由電子便受到與場強E0方向相反的電場力作用，除了做無規(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(nèi)=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(nèi)部形成與場強E0向的場強E，在導體內(nèi)任一點的場強可表示為E內(nèi)=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(nèi)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(nèi)將逐漸減小。當E內(nèi)=0時，自由電子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(nèi)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(nèi)部處處場強為零。假設內(nèi)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(nèi)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）。 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(nèi)部的場強處處為零，導體內(nèi)部就不可能有未被抵消的電荷。假如內(nèi)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(nèi)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(nèi)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，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(nèi)不受外電場的影響。 （2）接地得封閉導體殼，內(nèi)部電場對外部沒影響。 如一封閉的爭體殼內(nèi)部空間某點有一點電荷+q。由于靜電感應，導體殼內(nèi)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(nèi)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(nèi)有+q電荷時，殼內(nèi)空間有電場。其電場線由+q出發(fā)，應終止于負電荷，故殼內(nèi)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(nèi)的電場線就如圖1—4—3（a）所示，每條都與內(nèi)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(nèi)+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(nèi)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（ ） 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。現(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(nèi)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(zhuǎn)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