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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(yīng)用 教案2 【教材分析】 本節(jié)課要學(xué)的內(nèi)容靜電感應(yīng)現(xiàn)象指的是在電場中的導(dǎo)體沿著電場強(qiáng)度方向兩個端面出現(xiàn)等量異種電荷，其核心是導(dǎo)體內(nèi)部處處場強(qiáng)為零,理解它關(guān)鍵就是要假設(shè)內(nèi)部場強(qiáng)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(dǎo)體尚未達(dá)到靜電平衡．導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零，是外加電場E0與感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場E′相互疊加的結(jié)果，即E0+ E′=0 （E′與E0大小相等，方向相反）。教學(xué)的重點(diǎn)是內(nèi)部場強(qiáng)處處為零，解決重點(diǎn)的關(guān)鍵是好好理解感應(yīng)電場。 【教學(xué)目標(biāo)】 教學(xué)目標(biāo) 了解導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)制、靜電平衡狀態(tài)、靜電感應(yīng)現(xiàn)象；理解電場中處于靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特點(diǎn)；了解靜電屏蔽現(xiàn)象及其應(yīng)用。著重理解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、電勢等。 目標(biāo)解析 導(dǎo)體內(nèi)部處處場強(qiáng)為零。假設(shè)內(nèi)部場強(qiáng)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(dǎo)體尚未達(dá)到靜電平衡．導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零，是外加電場E0與感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場E′相互疊加的結(jié)果，即E0+ E′=0 （E′與E0大小相等，方向相反）。 【教學(xué)過程】 1. 靜電感應(yīng)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(dǎo)體放入場強(qiáng)為E0的靜電場中，導(dǎo)體內(nèi)自由電子便受到與場強(qiáng)E0方向相反的電場力作用，除了做無規(guī)則熱運(yùn)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(dǎo)體的一個側(cè)面集結(jié)，使該側(cè)面出現(xiàn)負(fù)電荷，而相對的另一側(cè)出現(xiàn)“過剩”的等量的正電荷圖l一4—1（b）所示。在電場中的導(dǎo)體沿著電場強(qiáng)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(yīng)。 （2）導(dǎo)體靜電平衡條件：E內(nèi)=0 由于靜電感應(yīng)，在導(dǎo)體兩側(cè)出現(xiàn)等量異種電荷，在導(dǎo)體內(nèi)部形成與場強(qiáng)E0向的場強(qiáng)E，在導(dǎo)體內(nèi)任一點(diǎn)的場強(qiáng)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(jié)果削弱了導(dǎo)體內(nèi)部的電場，隨著導(dǎo)體兩側(cè)感應(yīng)電荷繼續(xù)增加，附加電場E′增強(qiáng)，合場強(qiáng)E內(nèi)將逐漸減小。當(dāng)E內(nèi)=0時，自由電子的定向運(yùn)動也停止了。如圖1—4—1（c）。 說明： ① 導(dǎo)體靜電平衡后內(nèi)部場強(qiáng)處處為零，是指電場強(qiáng)度E0，與導(dǎo)體兩端感應(yīng)電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)E′的合場強(qiáng)為零。 ② 金屬導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)度越大。 （3）導(dǎo)體靜電平衡時，有如下特點(diǎn)： ① 導(dǎo)體內(nèi)部處處場強(qiáng)為零。假設(shè)內(nèi)部場強(qiáng)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(dǎo)體尚未達(dá)到靜電平衡．導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零，是外加電場E0與感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場E′相互疊加的結(jié)果，即E0+ E′=0 （E′與E0大小相等，方向相反）。 ② 導(dǎo)體表面處場強(qiáng)與表面垂直，假如不是這樣，場強(qiáng)就有一個沿導(dǎo)體表面的分量，導(dǎo)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(dǎo)體表面外。因為導(dǎo)體內(nèi)部的場強(qiáng)處處為零，導(dǎo)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(qiáng)就不可能為零。 2. 靜電屏蔽 處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部的場強(qiáng)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(yīng)，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(dǎo)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(diǎn)有一點(diǎn)電荷+q。由于靜電感應(yīng)，導(dǎo)體殼內(nèi)外表面感應(yīng)出等量的異種電荷。其電場線如圖1—4—3（a）所示，當(dāng)把導(dǎo)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(dāng)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(yīng)終止于負(fù)電荷，故殼內(nèi)壁就感應(yīng)出負(fù)電荷，因+q不在球殼中心，而電場線要與處于靜電平衡的導(dǎo)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(dǎo)致殼外表面感應(yīng)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(dāng)把球殼接地后，殼外表面感應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)體有關(guān)的問題的方法 解與電場中的導(dǎo)體有關(guān)的問題時，要考慮電場中的導(dǎo)體靜電平衡時，導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零，導(dǎo)體是等勢體，導(dǎo)體表面是等勢面，表面場強(qiáng)垂直表面，導(dǎo)體帶電，電荷分布在外表面，還應(yīng)該根據(jù)導(dǎo)體中電荷受力情況和電勢因素進(jìn)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(cè)有固定的點(diǎn)電荷+Q，a、b點(diǎn)是金屬板右側(cè)表面附近的兩點(diǎn)，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(yīng)，金屬板右側(cè)表面帶負(fù)電，左側(cè)表面不帶電 B. 由于靜電感應(yīng)，金屬板右側(cè)表面帶負(fù)電，左側(cè)表面不帶電 C. 整個導(dǎo)體，包括表面上的a、b點(diǎn)，是一個等勢體，且電勢等于零 D. a、b兩點(diǎn)的電場強(qiáng)度不為零，且a、b兩點(diǎn)場強(qiáng)方向相同，但a點(diǎn)的場強(qiáng)比b點(diǎn)的場強(qiáng)要強(qiáng)（大）一些 解析：金屬板若不接地，右側(cè)表面將有感應(yīng)的負(fù)電荷，左側(cè)表面將有感應(yīng)的等量正電荷。現(xiàn)金屬板接地，正電荷通過接地導(dǎo)線移向大地，靜電平衡時左側(cè)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(cè)表面上仍有感應(yīng)負(fù)電荷，而且a點(diǎn)附近的電荷面密度（單位表面面積的電荷量）比b點(diǎn)附近的電荷面密度要大些，場強(qiáng)要強(qiáng)（大）些，電場線也密一些；整個金屬板是等勢體，右側(cè)表面是等勢面，電場線與等勢面垂直，可見a、b兩點(diǎn)的場強(qiáng)方向都垂直指向右側(cè)面，方向相同，選項D也正確． 答案：B、C、D [例2] 長為l的導(dǎo)體棒原來不帶電，現(xiàn)將一帶電量為+q的點(diǎn)電荷放在距棒左端R處，如圖l—4—6所示。當(dāng)棒達(dá)到靜電平衡后，棒上感應(yīng)電荷在棒內(nèi)中點(diǎn)P處產(chǎn)生的場強(qiáng)大小等于 ，方向為 。 解析：導(dǎo)體棒在點(diǎn)電荷+q的電場中發(fā)生靜電感應(yīng)，左端出現(xiàn)負(fù)電荷，右端出現(xiàn)正電荷，棒中任何一點(diǎn)都有兩個電場，即外電場──+q在該點(diǎn)形成的電場E0，附加電場──棒上感應(yīng)電荷在該點(diǎn)形成的電場E′，達(dá)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(diǎn)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(diǎn)的附加電場的場強(qiáng)。 八、本課小結(jié) 1. 靜電感應(yīng)現(xiàn)象及靜電平衡 2. 靜電屏蔽 3. 解與電場中的導(dǎo)體有關(guān)的問題的方法