《导与练》人教版物理选修3-1 同步教学课件：第1章 第7节 静电现象的应用(39张PPT)

课件39张PPT。第7节　静电现象的应用(教师参考)
一、教学目标
知识与技能
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,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
过程与方法
通过分析静电感应产生的原因,使学生理解静电平衡状态
情感态度与价值观
通过本节的学习,使学生关心自然现象,并利用所学知识适应自然、利用自然规律为社会服务二、教学重点难点
教学重点
静电平衡状态
电场中导体的特点
教学难点
分析静电屏蔽的特点三、重难点突破方略
静电平衡状态的突破方略
【情境设置】 如图(甲)所示,在电场强度为E0的电场中,放入一个不带电的金属导体ABCD,导体内存在自由电子.【思考与讨论1】 电场对自由电子会有哪些影响?
教师暂不提问,放开让学生自由发挥演讲.最后,教师对照图(乙)和(丙),从以下几方面整理思维过程.
(1)自由电子在电场中一定受到什么力的作用?
(2)它将向着什么方向移动?
(3)最终会移动到哪个位置?
(4)导体的AB面上将聚集什么电荷?CD面上将聚集什么电荷?
答案: (1)自由电子受到静电力的作用,方向向左.
(2)将向着与电场相反的方向定向移动,即向左运动.
(3)最终会运动到导体的AB面上.
(4)导体的AB面上聚集负电荷,CD面上聚集正电荷.【思考与讨论2】 导体两面聚集的正负电荷对导体内部空间的电场会有哪些影响?
教师暂不提问,放开让学生自由发挥演讲.最后,教师对照图(丙)和(丁),从以下几方面整理思维过程.
(1)导体两面聚集的正负电荷会产生怎样新的电场E′?不断聚集的正负电荷会使新电场E′的大小如何变化?E′与E0叠加的矢量和是增强还是减弱?
(2)新电场E′的大小会超过E0吗?自由电子会永远向左移动吗?最终,导体内部各点的合电场大小为多少?
答案: (1)聚集的正负电荷产生与E0方向相反的新电场E′.E′是增大的.E′与E0叠加的矢量和是减弱的.
(2)E′的大小不会超过E0,自由电子不会永远向左移动,导体内部各点的合电场最终为零.
【教师总结】 当导体内的自由电子不再发生定向移动时,导体达到静电平衡状态.处于静电平衡状态的导体,内部的场强处处为零.自主学习课堂探究达标测评自主学习 课前预习·感悟新知(教师参考)
情境链接一
静电除尘器
雾霾天气严重影响人们的身体健康,静电除尘器用于粉尘较多的各种场所,能除去有害的微粒,或者回收物资.静电除尘器的放电电极为负极,集尘电极为正极,静电除尘器的强电场使烟气发生电离,粉尘在电场作用下与气流分离.电场的大小与离电极的远近有什么样的关系?被电离后的粉尘将吸附在哪个电极上?
信息
1.距电极越近,场强越大.
2.粉尘带上负电荷,将被吸附在正电极上.情境链接二
揭秘魔术师如何单挑百万伏电压
美国魔术大师大卫·布莱恩曾经用100万伏电压对自己持续电击3天3夜,再次挑战了人类极限.在平时,插电源时偶尔冒出的一点火星,这也足以让我们胆战心惊,而魔术大师究竟是如何抵御这样的超强电击的呢?原来表演中魔术师穿着防护服,这是他能抵抗百万伏电压的关键所在.
思考以下问题,你能得到什么信息.
防护服是让电流通过人体,还是把电流安全地引入大地?这个防护服很可能是金属制作的,还是绝缘体制作的?
信息
防护服是把电流安全地引入大地;防护服是金属制作的.金属沙网形状,起到屏蔽电场的作用,确保防护服中的人体处于场强为零的状态.场强为零,自然没有电荷的移动,人体也就处于安全环境中了.教材梳理一、静电平衡状态下导体的电场
　　(1)阅读教材第24～25页“静电平衡状态下导体的电场”,知道其特点.
　　(2)分析教材第24页图1.7-1,体会静电平衡状态的形成过程.
1.静电平衡状态:导体在电场中发生静电感应现象,导体两面出现正负电荷.感应电荷产生的电场与原电场叠加,使导体内部各点的合电场 ,导体内(包括表面) 不再发生定向移动的状态.
2.静电平衡状态下导体的特点
(1)处于静电平衡状态的导体,内部的电场 .
(2)处于静电平衡状态的整个导体是个 ,它的表面是个等势面.
(3)表面处的场强不为零,表面处的场强方向跟导体表面 .等于0自由电子处处为0等势体垂直想一想 处于静电平衡状态下的导体,内部的电场处处为0,是不是外部的电场也为0?
答案:不是,外部有原来的电场.
二、导体上电荷的分布
　　阅读教材第25页“导体上电荷的分布”部分,大致说出分布的两个特点.
1.处于静电平衡状态的导体,内部没有电荷,电荷只分布在 .
2.在导体外表面,越尖锐的位置电荷的密度(单位面积的电荷量) ,
的位置几乎没有电荷.
想一想 若没有外部电场,导体上的电荷也只分布在导体的表面吗?
答案:是的.由于同种电荷间的排斥,所有电荷都会被“挤”到外表面.导体的外表面越大凹陷三、尖端放电和静电屏蔽
　　(1)阅读教材第25～26页“尖端放电”部分,知道尖端放电的原理,能说出几种应用.
　　(2)阅读教材第26～27页“静电屏蔽”部分,知道静电屏蔽的原理,能说出几种应用.电离电离中和内部内部内部避雷针光滑自主检测答案:(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×1.思考判断
(1)处于静电平衡状态的导体内部任意两点间的电势差为零.(　　)
(2)静电平衡状态下的导体内部场强处处为零,导体的电势也为零.(　　)
(3)处于静电平衡状态下的导体内部的自由电荷静止不动.(　　)
(4)避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地.(　　)
(5)用金属网把验电器罩起来,再使带电金属球靠近验电器,则验电器箔片能张开.(　　)D解析:导体处于静电平衡状态时,其内部既有正电荷,也有负电荷,正、负电荷总量相等,导体表面处有电荷,表面处电场不为零.由于感应电荷形成的电场与原来电场叠加,使导体内部场强为零,故选项D正确.2.对于处在静电平衡状态的导体,以下说法中正确的是(　 　)
A.导体内部既无正电荷,又无负电荷
B.导体内部和外表面处的电场均为零
C.导体处于静电平衡状态时,导体表面的电荷代数和为零
D.导体内部场强为零是外加电场与感应电荷产生的电场叠加的结果D3.一个带电金属球,当它带的电荷量增加后(稳定),其内部场强(　 　)
A.一定增大 B.一定减小
C.可能增大也可能减小 D.为零解析:带电金属球电荷量增加,处于稳定后为静电平衡状态,其内部场强一定为零,故选项D正确.课堂探究 核心导学·要点探究要点一【问题导引】
如图所示,把一个不带电的金属导体放到电场中,导体内的自由电子将发生定向移动,从而使导体两端出现等量异号
(1)自由电子定向移动的原因是什么?定向移动的方向如何?
(2)自由电子能否一直定向移动?为什么?答案:(1)自由电子受外加电场的静电力作用而移动,向着与电场相反的方向定向移动.
(2)不能.感应电荷产生的电场与外加电场反向,阻碍电子的定向移动,当这两个电场大小相等时,电子的定向移动终止.对导体的静电平衡的理解【要点归纳】
1.静电平衡的实质:金属导体放到场强为E0的电场中,金属中的自由电荷在静电力作用下定向移动导致导体一侧聚集负电荷,而另一侧聚集正电荷,感应电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场,导致合场强减小.当感应电荷继续增加,合场强逐渐减小,合场强为零时,自由电荷的定向移动停止.
2.对静电平衡的三点理解
(1)静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果,达到静电平衡时,自由电荷不再发生定向移动.
(2)金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的.
(3)导体达到静电平衡后内部场强处处为零,是指外电场E与导体两端的感应电荷产生的附加电场E′的合场强为零,E′=-E.D?思路探究? (1)感应起电中,不带电的导体内部的自由电子靠近或远离带电体,是因为受到什么力作用而定向移动的?靠近带电体的一端会带哪一种电荷?
答案:自由电子受到同种电荷的斥力,或异种电荷的引力而定向移动的.靠近带电体的一端会带异种电荷.
(2)静电平衡状态下的导体的内部场强处处为零,是哪几个场强叠加的结果?
答案:是带电体形成的电场和导体上的感应电荷在导体内的电场叠加的结果.【例1】 如图所示,一个不带电的表面绝缘的导体P正在向带正电的小球Q缓慢靠近,但不接触,也没有发生放电现象,则下列说法中正确的是(　 　)
A.B端的感应电荷为负电荷
B.导体P内部场强越来越大
C.C点的电势高于B点电势
D.导体上的感应电荷在C点产生的场强始终大于在B点产生的场强解析:导体P处在正电荷的电场中,由于静电感应现象,导体的右端B带正电荷,导体的左端C带负电荷,故选项A错误;处于静电平衡的导体内部场强为零,故选项B错误;导体P缓慢靠近Q,时刻处于静电平衡状态,由其特性知,B,C电势相等,故选项C错误;在C点和B点的电场由导体上的感应电荷产生的电场和带正电的小球Q产生的电场共同作用的结果,并且为0,带正电的小球Q在C点的场强大于B点的场强,所以导体上的感应电荷在C点产生的场强始终大于在B点产生的场强,故选项D正确.规律方法 如图所示,金属导体中自由电子受到导体周围电场的静电力作用后向左移动,在右侧出现正电荷,这种现象就是静电感应现象.导体两侧正、负电荷在导体内部产生与原电场反向的电场,因与原来的电场反向,叠加的结果是使原电场强度逐渐减弱,直至导体内部各点的合电场强度等于零为止,此时导体内的自由电子不再发生定向移动,导体达到了静电平衡状态.电场中导体平衡状态的形成 (教师备用)
变式1:例1中当P缓慢靠近Q时,导体中某点感应电荷形成的电场场强　　 .
(填“变大”“变小”或“不变”),导体的电势　　 　　(填“升高”“降低”或“不变”).?解析:当P缓慢靠近Q时,Q在导体中的某点的场强变大,由静电平衡特点可知,感应电荷形成电场场强变大,由于越靠近小球Q电势越高,因此,导体P的电势升高.答案:变大　升高变式2:在例1中,设带正电小球Q的电荷量为q,导体P中的C点与小球Q的距离为L时,导体上的感应电荷在C点产生的场强为　　　　,方向　　　　.?例1-1:如图所示,长为L的金属杆原来不带电,在距其左端r处放一个电荷量为q的点电荷.问:
(1)金属杆中点处的场强为多少?
(2)金属杆上的感应电荷在杆中点P处产生的场强.解析:(1)金属杆处于静电平衡时内部场强处处为0,故金属杆中点处场强为0.B 解析:枕形导体达到静电平衡后整个导体是个等势体,内部场强处处为零,选项A,C正确,B错误;感应电荷在导体内部c,d两点产生的场强与场源电荷Q在该两点产生的场强大小相等方向相反,故感应电荷在导体内部c,d两点产生的场强大小关系是Ec>Ed≠0,选项D正确.要点二静电屏蔽 【问题导引】
如图(a)所示,使带电的金属球靠近验电器,验电器的箔片张开.如果事先用金属网罩把验电器罩住,如图(b)所示,验电器的箔片就不张开,即使把验电器和金属网罩连接起来,箔片也不张开.一封闭的导体壳内部空间某点有一点电荷+q,导体壳内外表面感应出等量的异种电荷.其电场线如图(c)所示,当把导体壳接地后,+q在壳内的电场对壳外空间就没有影响了,如图(d)所示.
上述现象说明了什么?答案:金属网罩(或金属球壳)能够屏蔽电场,使外界电场对其内部不产生影响;接地的金属球壳能够使内部电场对外不产生影响.【例2】 将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内(不和球壁接触),另有一悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近,如图所示,于是有(　 　)
A.A向左偏离竖直方向,B向右偏离竖直方向
B.A的位置不变,B向右偏离竖直方向
C.A向左偏离竖直方向,B的位置不变
D.A和B的位置都不变?思路探究? (1)金属球壳C内、外表面是否有电荷?
答案:球壳C处在带电小球A的电场中,由于静电感应,球壳内、外表面分别带负、正电荷.
(2)带负电的小球B会受到带电小球A的电场作用吗?
答案:带电小球A在球壳内、外有电场,小球B一定受该电场的作用.B解析:因为金属球壳C没有接地,所以C的内部电场可以影响外部,即A球通过C外壁上的感应电荷在B球处激发电场,所以B球受到向右的作用力,要维持B球的平衡,悬挂B球的细线必须向右偏离竖直方向.又因为球壳外部的电场影响不到球壳内部,因此A球不受B球电场的作用力,只受到C的内壁感应负电荷的作用力,对称平衡,所以悬挂的A球的位置不变,故选项B正确.规律方法 解决静电屏蔽问题的思路
对静电屏蔽问题的分析,关键是抓住静电感应现象的特点,认识到感应电荷的分布,具体问题具体分析.(教师备用)
变式:如果将球壳C接地,正确选项为(此题选项为例2中选项)(　 　)解析:由于球壳C的屏蔽作用,B球的电场对A球不产生影响,A球悬线处于竖直;当球壳C接地后,其内A球的电场对球壳外不产生影响,因此B球悬线也处于竖直,故选项D正确.DD例2-1:如图所示,两个相同的空心金属球M和N,M带电荷量为-Q,N不带电(M,N相距很远,互不影响),旁边各放一个不带电的金属球P和R,当将带正电Q的小球分别放入M和N的空腔中时(　 　)
A.P,R上均出现感应电荷
B.P,R上均没有感应电荷
C.P上有而R上没有感应电荷
D.P上没有而R上有感应电荷解析:当将带正电Q的小球放入M的空腔中时,由于静电感应,M的内表面带负电,而外表面带正电,其电荷量为Q,它与原来金属球M外表面所带的电荷-Q正好中和,使外表面不带电.这实际上是M所带电荷-Q被吸引至内表面,所以金属球M外部不存在电场,不能使P产生静电感应,P上没有感应电荷.当将带正电Q的小球放入原来不带电的N的空腔中时,由于静电感应,N内表面带负电荷,外表面带正电荷,N外部有电场,使R产生静电感应,使左端带负电,右端带正电.故选项D正确.B针对训练2:如图所示,A为空心金属球,B为靠近A的一个不带电的枕形金属壳.将另一个带正电的小球C从A球开口处放入A球中央,但不触及A球.则B出现的情况是(　 　)
A.靠近A的一端带正电,远离A的另一端带负电
B.靠近A的一端带负电,远离A的另一端带正电
C.靠近A的一端带负电,远离A的另一端不带电
D.靠近A的一端带正电,远离A的另一端不带电解析:小球C的电场在A球的内外表面分别感应出负、正电荷,A,C球相当于一个带正电的球,根据“近异远同”的特点,靠近A的一端带负电,远离A的另一端带正电,故选项B正确.(教师参考)
【教材探究】
教材P26演示实验中使金属小球D与带电空心金属球C内表面接触后再与A金属球接触,A的箔片并不张开,这一现象说明什么问题?
答案:静电平衡时,电荷只分布在导体的外表面,导体内部没有电荷.达标测评 随堂演练·检测效果D1.对于电场中处于静电平衡状态的导体,下列分析不正确的是(　 　)
A.导体内部的场强处处为零
B.导体内部没有电荷,电荷只分布在导体的外表面上
C.导体内部场强是外电场与感应电荷电场叠加后的合场强,其大小为零
D.处于静电平衡的导体内部的自由电子不再运动解析:由处于静电平衡状态的导体的特点知,选项A,B,C正确;处于静电平衡时导体内部的自由电子不做定向移动,但仍在做无规则的热运动,故选项D错误.解析:A,D中不会张开,金属网可以屏蔽外电场.B中会张开,因为金属网未接地,网内的带电体可以对外界产生影响.C中不会张开,因为金属网已接地,网内的带电体对网外无影响,网外的带电体对网内也无影响.故选项B正确.2.下列实验中,验电器的金属箔片会张开的是(　 　)BACD3.(多选)下列属于预防静电危害的做法是(　 　)
A.在高大的建筑物顶端安装避雷针
B.水泥厂利用静电除去废气中的粉尘
C.在制造轮胎的橡胶中添加导电材料
D.行驶中的油罐车尾带一条拖地的铁链解析:当打雷的时候,由于静电感应,在高大的建筑物顶端积累了很多的静电,容易导致雷击事故,所以在高大的建筑物顶端安装避雷针可以保护建筑物的安全,所以选项A正确;水泥厂利用静电除去废气中的粉尘,这是静电的应用,所以选项B错误;由于车的运动,轮胎和地面之间会产生静电,在制造轮胎的橡胶中添加导电材料可以及时把产生的静电导走,所以选项C正确;油罐车在运动的过程中,由于里面的油在晃动,也会摩擦产生静电,后面拖一条铁链就可以及时把产生的静电导走,所以选项D正确.C (教师参考)
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