17 静电现象的应用 高中物理选修32新课优秀教案优秀教学设计8.docx
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17静电现象的应用高中物理选修32新课优秀教案优秀教学设计8
1.7 静电现象的应用
教学分析
本节的主要概念是静电平衡,掌握静电平衡的概念、理解静电平衡的特征是本节的重点。
应用静电平衡知识,认识导体的电荷分布特点、尖端放电现象、静电屏蔽现象是本节课的难点。
做好演示实验是这堂课的关键。
教学目标
(1)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特征。
(2)通过实验了解静电平衡的带电导体上电荷的分布特点。
(3)了解尖端放电和静电屏蔽现象,关注生活、生产中的静电现象。
(4)经历分析放在电场中的导体达到静电平衡的过程。
教学重点难点
静电平衡的特征,应用静电平衡知识,是本节课的难点。
金属导体放在电场中,达到静电屏蔽是一个非常快的过程,但是对这一过程的分析却十分重要。
一定要带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。
这样做不仅突出重点,也为突破难点打好了基础。
带电导体的电荷分布特点、静电屏蔽、静电屏蔽的应用都必须做好实验。
教学方法与手段
以演示实验为先导,引领学生讨论分析静电感应现象,总结静电平衡知识,认识导体的电荷分布特点、尖端放电现象、静电屏蔽现象。
做好演示实验、合作学习为主,发动学生展开讨论,举例说明生活中的静电现象。
教学媒体
法拉第圆筒、绝缘金属球、静电感应导体、验电器、感应器电机。
多媒体课件、实物投影仪、视频片断。
知识准备
电场的基本特性;金属导体的特征;静电感应的概念;感应起电的本质。
导入新课
[事件1]
教学任务:
创设情景,导入新课
师生活动:
情景导入,放映雷电现象的视频片断,PPT课件展示静电现象的图片。
引入新课:
创设情景
将一金属导体放入场强为E0的匀强电场中,见教材P24图1.71,分析自由电子在电场中的移动情况。
推进新课
[事件2]
教学任务:
静电平衡状态下导体的电场
师生活动:
探究过程:
理论探究静电平衡的特点
问题引导:
(1)金属导体的微观结构如何?
(2)导体处于电场中自由电子会怎样移动?
(3)自由电子会在什么地方积聚?
(4)电子积聚会出现怎样的结果?
(5)最终出现什么现象?
静电感应现象:
在电场中的导体沿着电场强度方向两端出现等量异种电荷,这种现象叫静电感应现象。
当外电场撤掉,导体两端电荷又中和,可见静电感应现象中导体上净电荷仍然为零。
将不带电的导体置于电场中时,导体内自由电荷受力,发生定向移动,从而重新分布。
重新分布的电荷在导体内产生一个与原电场反向的电场,阻碍电荷定向移动,该电场与外电场叠加,使导体内部的电场减弱,只要内部场强不为零,导体两面的正负电荷便继续增加,导体的内部电场就会继续削弱,直至导体内部的合场强都等于零的时候为止,这时导体内自由电子不再发生定向移动。
强调:
处于静电平衡状态的导体,内部场强处处为零。
而且处于静电平衡状态的导体,电荷只能分布在导体外表面上。
这是为什么呢?
为了验证这一点,可采用反证法,若导体内部有净电荷,电荷周围有电场,那么导体内部电场强度将不为零,电荷将发生定向移动。
结论:
1.导体内自由电子不再定向移动的状态——____________________________。
交流与讨论:
静电平衡状态导体有哪些特点?
结论:
2.静电平衡状态导体的特点:
(1)导体内部场强处处为________________;
(2)导体是等势体,表面为________________;
(3)导体外部表面附近场强方向与该点的表面______________。
参考描述:
导体中(包括表面)没有电荷定向移动的状态叫做静电平衡状态。
处于静电平衡状态导体的性质
(1)导体内部的场强处处为零。
(2)导体表面上任何一点的场强方向跟该点的表面垂直。
如图,在静电感应时用手摸一下导体,再移走源电荷,则导体带什么电?
若将导体接地,则情况如何?
左端接地呢?
[事件3]
教学任务:
研究静电平衡时导体内部的电荷分布
师生活动:
问题引导:
在静电平衡状态下导体上的电荷是如何分布的?
演示:
研究静电平衡时导体内部的电荷——法拉第圆筒实验
观察与描述:
现象:
甲:
A的箔片____________________________
乙:
A的箔片__________________________
总结与归纳:
学生归纳实验结论,其他学生补充完善。
结论:
参考描述:
带电导体周围的等势面和电场线
1.导体内部没有电荷,电荷分布在导体的外表面。
2.导体表面越尖锐的位置电荷越密集,凹陷的位置几乎没有电荷。
[事件4]
教学任务:
尖端放电的应用——避雷针
师生活动:
自主学习:
阅读课本,思考以下几个问题:
1.导体尖端的电荷密度大,给周围环境带来了什么影响?
2.尖端放电现象给我们什么启示?
有哪些应用?
↓
↓
↓
↓
↓
↓
演示尖端放电:
导体尖端附近的电场特别强,它会导致一个重要的后果,就是尖端放电。
在导体尖端附近放一根点燃的蜡烛,当我们不断给导体充电的时候,火焰就好像被风吹动一样朝背离尖端的方向偏移。
这就是尖端放电引起的后果。
原因:
因为在尖端附近强电场的作用下,空气中残留的离子会发生激烈的运动。
在激烈的运动过程中它们和空气分子相碰时,会使空气分子电离,从而产生大量新的离子,这就使空气变得易于导电。
与尖端上电荷同号的离子受到排斥而飞向远方,蜡烛的火焰偏移就是受到这种离子形成的“电风”吹动的结果。
在强电场作用下,物体曲率大的地方(如尖锐、细小的顶端,弯曲很厉害处)附近,等电位面密,电场强度剧增,致使这里空气被电离而产生气体放电现象,称为电晕放电。
而尖端放电为电晕放电的一种,专指尖端附近空气电离而产生气体放电的现象。
讨论与交流:
闪电防护——雷鸣电闪时在室外的人,为防雷击,应当遵从四条原则。
避雷针
1.一是人体应尽量降低自己,以免作为凸出尖端而被闪电直接击中,所以人长得高还是一件非常痛苦的事情。
2.二是人体与地面的接触面要尽量缩小以防止因“跨步电压”造成伤害。
所谓跨步电压是雷击点附近,两点间有很大的电位差,如若人的两脚分得很开,分别接触相距远的两点,则两脚间便形成较大的电位差,有强电流通过人体使人受伤害。
3.第三是不可到孤立大树下和无避雷装置的高大建筑体附近,不可手持金属体高举头顶。
4.第四是不要进水中,因水体导电好,易遭雷击。
总之,应当到较低处,双脚合拢地站立或蹲下,以减少遭遇雷的机会。
[事件5]
导体腔内的
电场同样为零
教学任务:
静电屏蔽
师生活动
1.理解:
处于静电平衡状态的导体,内部的场强处处为零。
因此,可利用金属外壳或金属网封闭某一区域不再受外界电场的影响,这一现象称静电屏蔽。
2.两种情况:
①金属内部空间不受壳外部电场的影响;
②接地的封闭的导体壳内部电场对壳外空间没有影响。
演示:
使带电的金属球靠近验电器,但不接触,箔片是否张开?
解释看到的现象。
如图,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。
这个现象说明什么问题?
静电屏蔽
思维拓展:
静电屏蔽还有哪些应用?
应用:
电学仪器和电子设备外面套有金属罩
通信电缆版面包一层铅皮
高压带电作业人员穿金属网衣
通讯工具在钢筋结构房屋中接收信号弱
静电屏蔽的应用
[事件6]
教学任务:
探究:
生活中我们见到的哪些带静电的现象是有益的,我们是怎样利用的?
师生活动
参考描述:
1.火花放电是指物体上积累了电荷,且放电时出现火花的放电现象;
接地放电是指为了防止物体上过量积累电荷,而用导体与大地连接,把电荷接入大地进行时时放电的现象;地球是良好的导体,由于它特别大,所以能够接受大量电荷而不明显地改变地球的电势,这就如同从海洋中抽水或向海洋中放水,并不能明显改变海平面的高度一样。
如果用导线将带电导体与地球相连,电荷将从带电体流向地球,直到导体带电特别少,可以认为它不再带电。
(如果导体带正电,实际上是自由电子从大地流向导体。
这等效于正电荷从导体流向大地。
)
生产中和生活实际中往往要避免电荷的积累,这时接地是一项有效措施。
汽车拖的铁链能把电荷导入大地
2.尖端放电的原理:
物体表面带电密集的地方——尖端,电场强度大,会把空气分子“撕裂”变为离子,从而导电。
3.可以应用到避雷针上;避雷针的发展史介绍富兰克林与国王的避雷针“尖端”与“圆端”之争。
4.静电除尘,静电复印,静电喷漆。
5.静电产生的火花能引起火灾,如油罐、纺织厂、危险制品等地方都必须避免静电。
课堂巩固与反馈
[事件7]
典型例题1
一个空腔金属球,球壳有一定厚度,球心处有一个负点电荷,a、b、c、d四点分别位于空腔、球壳、球的外表面、球外,如图所示,试比较四点的场强大小。
典型例题2
如图所示,长为L的导体棒原来不带电,现将一带电荷量为Q的正点电荷放在距棒左端R处。
当达到静电平衡后,棒上的感应电荷在棒内中点处产生的电场的大小______,方向______。
[事件8]
教学任务:
引导学生从知识、方法、情感三个侧面小结本节课的学习活动。
1.复习本节教材。
2.完成课本课后问题与练习。
7 静电现象的应用
一、静电感应现象:
放入电场中的导体,其内部的自由电子在电场力的作用下向电场的反方向做定向移动,致使导体的两端分别出现等量的正、负电荷。
这种现象叫静电感应现象。
二、静电平衡状态:
导体中(包括表面)没有电荷定向移动的状态叫做静电平衡状态。
处于静电平衡状态导体的性质
(1)导体内部的场强处处为零。
(2)导体表面上任何一点的场强方向跟该点的表面垂直。
(3)导体所带的净电荷只分布在导体的外表面上,导体内部没有净电荷。
(4)处于静电平衡状态的导体是等势体,导体表面是等势面。
三、静电屏蔽:
具有空腔的金属导体在静电平衡状态下,不仅导体内部场强为零,而且腔内场强也为零,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。
课题1:
收集电火花引起爆炸的事例,结合周围的实际情况,说明应该采取哪些安全措施来避免引起类似的事故。
课题2:
观察你家乡的高层建筑、高大电线杆和其他建筑的避雷装置,写成简单的调查记录。
过程:
通过实际调查,结合上网查找资料,收集有关信息,联系教材本章内容深入了解静电的危害。
可以在自主研究的基础上分小组进行交流,形成统一意见后,各小组派代表向全班同学汇报。
本节课引领学生走进电学、了解电学的基本现象,激起对电现象的浓厚兴趣,为达到上述目的,教学设计中让学生尽量多地参与到课堂活动中来,充分调动眼、耳、口、手、脑等感官,灵活组合自主、探究、合作的学习方式,以丰富多彩的视频、图片、课件、实验辅助教学,在趣味学习活动中穿插课堂训练和检测,贯彻了快乐学习的理念。
静电除尘
经济的高速发展,意味着人们将越来越多的矿物资源转化为工业原材料和产品,同时将越来越多的废弃物排向大自然。
从工厂的烟囱中冒出的滚滚浓烟中就含有大量颗粒状粉尘,它们严重污染了环境,影响到作物的生长和人类的健康。
采用除尘技术以后,从烟囱的排放物中,再也看不到浓黑的烟雾了。
静电除尘是被人们公认的高效可靠的除尘技术。
我们先在实验室内模拟一下静电除尘的全过程。
在模拟烟囱内,可以看到,有烟尘从“烟囱”上飘出。
加上电源,烟囱上面的烟尘不见了。
如果撤去电源,烟尘又出现在我们眼前。
(如图)
通了电以后,粉尘哪里去了呢?
我们先来看看静电除尘装置的结构。
在烟囱的轴线上,悬置了一根导线,称之谓电晕线;在烟囱的四周设置了一个金属线圈,我们称它为集电极。
直流高压电源的正极接在线圈上,负极接在电晕线上,如图所示。
可以看出,接通电源以后,集电极与电晕线之间就建立了一个非均匀电场,电晕线周围电场最大。
改变直流高压电源的电压值,就可以改变电晕线周围的电场强度。
当实际电场强度与空气的击穿电场相近时空气发生电离,形成大量的正离子和自由电子。
自由电子随电场向正极飘移,在飘移的过程中和尘埃中的中性分子或颗粒发生碰撞,这些粉尘颗粒吸附电子以后就成了荷电粒子,这样就使原来中性的尘埃带上了负电。
在电场的作用下,这些带负电的尘埃颗粒继续向正极运动,并最后附着在集电极上。
(集电极可以是金属线圈,也可以是金属圆桶壁)当尘埃积聚到一定程度时,通过振动装置,尘埃颗粒就落入灰斗中。
这种结构也称管式静电除尘器。
如图所示。
随着经济的增长和科学技术的发展,复印机已越来越普及,文件、材料和图纸等放进复印机,一会儿就可复制出若干份来,真是大大减轻了手工劳动,且又节省了时间。
复印机大多是根据静电原理设计的,这里有一个小实验可以说明静电复印的基本原理:
找一张旧的唱片,放在桌子上,用一块绸布在上面迅速摩擦,这样唱片由于摩擦而带了静电。
然后用手指在唱片上“写”上几个字。
当然,这些字人眼是看不见的。
这样静电母板就做好了。
接着在一张纸上放些面粉,并用嘴轻轻地将纸上的面粉均匀吹到唱片上,由于电荷具有吸引轻小物体的性质,唱片上有电荷的地方就吸上了较多面粉,而用手指写过“字”的地方由于电荷通过人的手散失了,因此不能再吸引面粉。
这样在唱片上就将手指写上的几个字隐隐约约地显现出来。
这就是静电复印基本原理的模仿实验,你不妨可以试一试。
在实际应用的静电复印机中代替唱片的部件称为硒鼓,字也不是用手写的,而是用光照上的。
当硒鼓充电以后,经过光照处理,照光的部分电荷就会消失,文字、图像等遮光的地方,电荷不会消失。
当复印的黑粉撒到硒鼓上时,有文字、图像的地方由于相对应的硒鼓带电,可以吸引黑粉,这样就可把原稿上的字或图转印到一张白纸上。
教学设计
(二)
教学目标
(1)知道静电感应产生的原因,理解什么是静电平衡状态;
(2)理解静电平衡时,净电荷只分布在导体表面且内部场强处处为零;
(3)知道静电屏蔽及其应用。
教学重点:
静电平衡状态。
教学难点:
电场中导体的特点。
教学方法:
推理归纳法、问题解决法、实验法。
教具准备:
验电器、法拉第圆筒、有绝缘柄的金属球一个、金属网罩、收音机、感应起电机、导线若干。
教学过程:
(一)复习提问
1.什么是静电感应现象?
2.静电感应现象的实质是什么?
3.在静电感应时用手摸一下导体,再移走源电荷,则导体带什么电?
若将导体接地,则情况如何?
左端接地呢?
(二)新课教学
1.电场中的导体
(1)金属导体的特征:
由做热运动的正离子和做无规则热运动的自由电子组成。
(2)静电感应现象:
(3)问题:
1.在源电荷的电场中引入金属导体后会对空间各点的场强有影响吗?
2.是什么作用使金属内的电子定向移动的?
此移动一直进行吗?
3.静电屏蔽后金属导体内部有电场吗?
答:
1.使空间电场重新分布。
2.源电荷的电场使导体内部自由电子定向移动。
3.静电平衡状态:
导体(包括表面)中没有电荷定向移动时的状态叫静电平衡状态。
没有。
2.静电平衡状态下导体的特点
(1)内部场强处处为零(若不为0,则自由电子将继续移动直至合场强为0)。
(2)导体中没有自由电荷定向移动。
(3)净电荷分布在导体外表面。
实验证明:
法拉第圆筒实验。
理论证明:
中性导体带电后,由于同种电荷相互排斥,净电荷只能分布在表面。
反证法:
若内部有净电荷,则内部场强不为0,导体就不是处于静电平衡状态。
(4)导体表面附近的电场线与表面垂直。
(5)静电平衡时导体周围电场分布:
上图空间实际电场分布,不会出现虚线电场线。
3.静电屏蔽
(1)空腔导体的特点:
净电荷只分布在外表面,内表面不带电,空腔内没有电场。
(2)静电屏蔽
外部电场对内部仪器没有影响
若将源电荷置于空腔内,则外对内没有影响,但内对外有影响。
实验演示:
将收音机置于金属网罩内则声音大小减小。
若将球壳接地,则内外各不影响(较难)。
(3)应用:
电学仪器和电子设备外面套有金属罩、通信电缆外面包一层铅皮、高压带电作业人员穿金属网衣、通讯工具在钢筋结构房屋中接收信号弱。
4.巩固练习
例1如图所示,在一个原来不带电的金属导体壳的球心处放一正电荷,试分析A、B、C三点的场强( )
A.EA≠0,EB=0,EC=0
B.EA≠0,EB≠0,EC=0
C.EA≠0,EB≠0,EC≠0
D.EA=0,EB≠0,EC=0
【答案】B
例2如图所示,A、B是两个架在绝缘支座上的金属球,都不带电,中间用导线连接,现用一带正电的小球C靠近B,用手摸一下B球,再撤去导线,然后移走C球,则A、B带电情况…( )
A.A球带正电,B球带负电B.A球带正电,B球不带电
C.A球不带电,B球带负电D.以上说法都不正确
【答案】A
(四)小结
1.静电平衡状态下导体有什么特点?
2.静电屏蔽有哪几种情况?
有哪些应用?
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