第九章 静电场及其应用 学习活动设计九：静电平衡状态的理解

第九章《静电场及其应用》学习活动设计九：静电平衡状态的理解
　　课堂教学：
　　【任务情景】
　　播放“现场玩转神奇闪电”的视频，两名演员置身闪电中与电流共舞，当两人隔空做出击掌的动作时，电流通过二人的手掌连成一线；二人手舞足蹈时，闪电则时不时地从头顶和两只手中传递出来。那可是几百万伏的高压电呀！请同学们讨论表演者是怎么做到与电流共舞而自身还没有危险的？
　　猜测同学们，会观察到他们的表演服装不是普通的衣服。演员身穿从头包裹到脚的防护服是类似于不锈钢的金属材质。
　　为什么金属防护服会保护内部的人，不受外部外界高压电的伤害呢？
　　【学习任务一】知道达到静电平衡的条件
　　教师活动：组织学生交流和讨论。
　　提问1：一个不带电的金属导体与绝缘体有什么区别？
　　预测学生回答：金属导体内有可以自由移动的电子。
　　提问2：如图所示，把一个不带电的金属导体ABCD，放到电场强度为E0的电场中，会有什么现象发生？
　　预测答案：金属中的电子收到向左电场力会向左运动，在导体的AB侧感应出负电荷，CD侧感应出正电荷。
　　提问3：金属中的电子，会持续不断地向左运动吗？
　　小组交流讨论。
　　猜测交流小组讨论结果：由于电子的运动，导体AB侧感应的电子和CD侧感应的正电荷，会在导体内部产生与E0相反的电场，这个电场与E0叠加后，使内部场强逐渐减弱。但只要没有减小到零，电子受电场力，会继续向左运动，直到导体内部各点的场强为零为止，导体内的自由电子不在发生定向移动。

　　提问4：把一个带电的金属导体ABCD，放到电场强度为E0的电场中，最后是否也会达到静电平衡？
　　学生讨论后总结：一个导体，不管原来是否带电，放入静电场以后，都会由于静电力作用而使导体内电荷重新分布，直到内部场强处处为零时，导体达到静电平衡状态。
　　【学习任务二】讨论处于静电平衡的导体，电荷分布特点。
　　提问1：处于静电平衡的导体，电荷分布有什么特点？导体内部会不会有净电荷？
　　猜测学生回答：导体内部不会有净电荷，否则导体内部场强不会为零。
　　教师活动：组织学生观察演示实验。
　　学生活动：认真观察实验现象，并交流总结结论，验证猜想。
　　实验器材介绍：验电器、置于绝缘支架上的空心圆筒（法拉第圆筒）、玻璃棒、丝绸、带绝缘柄的取电小球
　　演示一：用丝绸与玻璃棒摩擦，使玻璃棒带电后去接触空心圆筒使圆筒带电；用取电球跟圆筒内壁接触后再接触验电器，观察验电器的金属箔的反应。
　　演示二：再用取电球跟圆筒外壁接触后再接触验电器，观察验电器的金属箔的反应。
　　提问2：取电球分别与圆筒内壁、外壁接触验电的实验中，验电器的金箔变化有什么不同？说明什么问题？
　　预测学生回答：取电球跟圆筒内壁接触后再接触验电器时，验电器的金箔不动；取电球跟圆筒外壁接触后再接触验电器时，验电器的金箔张开。说明圆筒上所带的电荷只分在导体的外表面，内部没有电荷。
　　【学习小结】
　　静电平衡：一个导体放入静电场以后，内部场强处处为零时，导体达到静电平衡状态。
　　处于静电平衡状态的导体，净电荷只分布在导体的外表面。
　　【学习评价自测】
　　长为l的导体棒原来不带电，现将一个带正电的点电荷q放在棒的中心轴线上距离棒的左端R处，如图所示。当棒达到静电平衡后：
　　（1）棒的左端将出现什么电性的电荷？
　　（2）棒内中点处的场强大小为多少？
　　（3）棒上的感应电荷在棒的中点O处产生的场强大小是多少？方向如何？
　　解析：
　　（1）根据静电感应原理，棒左端放置正电荷，则棒的左端感应出负电荷，右端则出现正电荷；
　　（2）棒内中点处的场强大小为零；
　　（3）根据点电荷场强公式，则有：带电量为+q的点电荷在棒内中点处的场强大小为，方向沿中点与q连线且指向中点，因水平导体棒当达到静电平衡后，中点处的合场强为零，所以棒上感应电荷在中点O处产生的场强大小与点电荷+q在该处产生的电场强度大小相等，方向相反．即：棒上感应电荷在棒内中点产生的场强大小为：，方向沿中点与q连线且指向+q。
　　答：（1）棒的左端将出现负电荷；
　　（2）棒内中点处的场强大小为零；
　　（3）棒上的感应电荷在棒的中点处产生的场强大小是，方向：沿中点与q连线且指向+q。