1.4 电场中的导体 教案 (2)

1.4电场中的导体
教案
【教学目标】
1、了解静电平衡状态，能应用场强叠加的原理解释静电平衡状态。
2、了解静电屏蔽现象及其应用
3、通过观察演示实验及对实验现象的分析，引导学生运用所学知识进行分析推理，培养学生分析推理能力
【教学重点】
静电场中静电平衡状态下导体的特性，即其电荷分布、电场分布、电势等，
【教学难点】
运用电场有关知识，分析、推理出实验现象的成因
【教学媒体】
1、实验器材：演示静电感应——感应起电机，验电球、验电器（两个），带有绝缘支架金属球一个；演示静电平衡导体内部无净余电荷——法拉第圆筒，验电器（一个），验电球，感应起电机；静电屏蔽演示——金属网罩（一个），带绝缘支架金属球，验电器；电场线模拟演示——感应起电机，带电导体电场线模拟，静电感应平衡时的导体电场线模拟。
2、课件：显示静电平衡过程中内部电荷移动的FLASH课件；视频——法拉第笼
【教学安排】
【新课导入】
回顾以下问题：
电场的重要性质是什么？——对放入其中的电荷有力的作用。
导体的重要特征（或说导体导电的原因）是什么？——导体内部有大量自由电荷。
什么是静电感应现象？为什么会出现静电感应？——静电感应就是导体在其他带电体的作用下，其中的自由电荷发生定向移动，使两端出现不同的电荷分布的现象。
【新课内容】
场强的叠加原理
——对于多个电荷产生的电场，同样遵从平行四边形法则。两个电荷+Q和－Q同时存在时，实验表明它们产生的电场互相独立、互不影响，P点的场强是E1和E2叠加的结果，遵从平行四边形法则，如图5所示（板画）。
例1：（X轴上A、B两处分别放有两个点电荷（图6），A处为－Q,B处为+2Q,在x轴上某处,两个电荷各自产生电场强度数值为EA和EB,则(
)
A.EA=EB之点,只有一处,该处合场强为0;
EA=EB之点有两处,一处合场强为0,另一处合场强为2EA
EA=EB之点共有三处,其中两处合场强为0;另一处合场强为2EA
EA=EB之点共有三处,其中一处合场强为0,另二处合场强为2EA
解析：根据题意画出图6。
在AB之间某点x1,－Q在x1处产生的场强，+2Q产生的场强。当时，EA=EB。EA方向向左，EB的方向向左，合场强E=2EA。
在A点左侧x2处，Ax2=rA，Bx2=rB，存在。
EA=EB，EA的方向向右，EB的方向向左，合场强E=0。
在B点右侧x3处，
Ax2＞Bx2，
不可能，
EA=EB不存在。
所以EA=EB之点有两处,且合场强一为0,另一为2EA,答案应选B.
由上面例题可见：电场强度概念能定量描述各点电场的性质。但电场中各点场强的大小和方向的分布是非常复杂的，我们如何方便而又形象地了解电场中各点场强的分布情况呢？最好画图。
2、静电平衡与静电屏蔽：
静电感应现象中，导体不同部分出现的净电荷称为感应电荷。
板书：1、静电感应现象中，导体不同部分出现的净电荷称为感应电荷。
教师提问：静电场中导体上自由电荷受电场力作用做定向移动会不会一直运动下去？
学生讨论。（师提示：先移动的感应电荷会不会产生电场？它们的场方向如何？会对其它自由电荷产生什么影响？）
得出结论：当导体置于电场中时，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，这种感应电场与原电场反向叠加，阻碍电荷定向移动。（如右图3）导体中的合电场越来越小，直至最后无电荷定向移动为止，这时感应电荷电场与原电场的合场强为零。
板书：
2、静电平衡状态：导体上处处无电荷定向移动的状态。
3、静电平衡时的特征：A、导体内部处处场强为零。
我们在这个特征基础上进行推论，可得静电场中导体的其他特点。
板书：
B、处于静电平衡状态的导体，电荷只能分布在导体外表面上。
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。
实验2
法拉第圆筒实验。
先用起电机使筒A带电，至A中箔片张开为止，利用验电球B可先从A外表面接触，再与验电器金属球C接触，反复几次后，可明显地看到C金属箔张开，可说明A外表面有电荷。
若使B与A内壁接触后再与C接触，则C金属箔将不张开，可验证A内壁无电荷。
演示实验：模拟导体表面的电场线分布。
板书：
C、处于静电平衡状态的导体表面上任一点场强方向与该点表面垂直。
可用反证法证明，若不垂直，沿表面有切向分量电荷将沿该分量方向发生定向移动。（如图5）如果我们沿导体表面移动电荷，则电荷所受电场力因为与场强在同一直线上，所以电场力也与导体表面切向垂直，这种情况下，电场力是不做功的。而在导体内场强又为零，所以移动电荷时没有电场力做功。
板书：
D、导体内和导体表面上移动电荷时，电场力都不做功。
综上所示：静电平衡的导体内部处处E=0（强调是合场强，而非原电场强度和感应电场强度），电荷只分布在外表面上，导体表面上的场强处处都与该点表面切线垂直。在导体内任两点间移动电荷，电场力做功为零。
静电屏蔽
实验3：先使A带电，然后移近验电器B，由于静电感应，B的金属箔片张开，若把B置于金属网罩中，可发现B的金属箔片不张开。
这是什么原因呢？请大家用刚刚所学的知识来解释一下。
分析：金属网罩上处于A上正电荷产生的电场中，网罩上的电荷重新分布，最后达到静电平衡。此时，网罩内部合场强为零，即金属网罩内无电场。所以验电器上的电荷不出现重新分布，在箔片上不带电，所以不张开。
这时的电场线是什么形状的呢？——让学生尝试描绘。
演示实验——模拟静电感应中达到静电平衡时的导体的电场线分布。
从实验中可以知道，金属网罩能把外电场遮住，使其内部不受外电场影响，这就是静电屏蔽现象。
展示视频——法拉第笼。
许多电子仪器外面都套着金属罩，通讯电缆外面包着一层铅皮，它们都是用来防止外电场的干扰而起屏蔽作用的。大家还能举出哪些生活中静电屏蔽的现象呢？或者可以在哪些地方应用或要防止静电屏蔽的产生呢？
随堂巩固练习：
长L的不带电导体杆放于点电荷+Q（距杆左端为r）附近达到静电平衡后，求：杆中点的电场强度及杆上感应电荷在该点产生的电场强度。（解：如图7，因为杆处于静电平衡状态，故该点场强E=0；由+Q产生的电场强度和感应电荷电场合成。EQ＋E感=E=0，所以）
图3
图4
图5
图6
图7