§1.7静电感应现象的应用(教案和导学)

【教学三维目标】

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

【重点难点】

1．静电场中静电平衡状态下导体的特性，即其电荷分布、电场分布等，这是重点。

2．运用电场有关知识，分析、推理出实验现象的成因，这是难点。

【教学方法】

  推理归纳法、问题解决法、实验法

【教具准备】

1．演示静电感应：起电机，感应电机（一对）、验电球、验电器（两个），带有绝缘支架金属球一个。

2．法拉第圆筒演示静电平衡导体，内部无净余电荷：法拉第圆筒，验电器（一个），验电球，起电机。

3．静电屏蔽演示：金属网罩（一个），带绝缘支架金属球，验电器。

4．计算机、大屏幕，自制CAI课件

【课时安排】2课时

【教学过程】

一、复习提问

1．电场的重要性质是什么？对放入其中的电荷有力的作用。

2．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。

3．把导体放入电场中，导体上的自由电荷处于电场中将受电场力作用，这时的导体与无电场时的导体相比有什么不同特征？
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引导学生分析：

若是金属导体，自由电子在电场力作用下将发生定向移动使两端出现不同的电荷分布，从而引起导体的某些新的性质。

二、引入新课

实验1 http://s8/middle/8dbed4a5tb33156f679b7&690

利用起电机使绝缘金属球带电，从而产生电场，把感应起电机靠近A摆放，且接触良好。

 

将不带电验电球A先与B接触，再与验电器金属球D接触，如此反复，可见D金属箔张开。同样，可让A与C接触，再与E接触，反复几次，可见E金属箔也张开。

由此可知B、C两端带电。

 

此时，若将A上电荷放掉，让A与C接触后与D接触，反复几次，可见D金属箔张角变小，可见B、C两端电荷异号。
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（一）．静电感应

1、什么叫静电感应：放在静电场中的体，它的自由电荷受电场力作用，发生定向移动，从而重新分布，在其表面不同部分出现了正、负电荷的现象。

①可根据同性相斥、异性相吸，指出本实验中距A近端（B端）有与A异号的电荷，距A远端（C端）电荷与A同号。

实验1中，可用A与B、C中部接触的，再与验电器接触，验电器金属箔不张开，电荷分布在两端。

②也可以分析距A远近不同，电势不同，而金属导体中自由电子在电场力作用下由电势低处运动至电势高处。

例如：若A带正电，距A较远端的C端电势比B端低，故电子向B端运动，B端带负电荷。根据电荷守恒，C端带正电荷。

同理可分析A带负电荷时，感应电机上电荷分布。

2、感应电荷

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。

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？

 

+

－

－

＋

＋

＋

－

拓展：1、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？
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3、静电平衡状态

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，阻碍电荷定向移动，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。

 http://s13/middle/8dbed4a5tb3315a6ddbfc&690 

①什么是静电平衡状态：导体上处处无电荷定向移动的状态。

②特征：导体内部处处场强为零。

在这个特征基础上进行推论，可得静电场中导体的特点。

4．静电场中导体的特点：

（1）处于静电平衡状态，导体内处处场强为零。导体中没有自由电荷定向移动。

（2）处于静电平衡状态的导体，净电荷只能分布在导体外表面上；且越尖锐的位置电荷密度越大。

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。
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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。

（3）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，电荷将发生定向移动。
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（4）处于静电平衡状态导体是个等势体，导体表面是等势面，沿导体表面移动电荷，电场力与表面切向垂直，电场力做功为零。

所以  电势差为零，表面是等势面。

 

+

－

－

＋

＋

＋

－

内部处处E=0，任两点间移动电荷，电场力为零，任两点等势，所以是等势体。

（5）、静电平衡时导体周围电场分布：
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　　　上图空间实际电场分布，不会出现虚线电场线

6．应用

（1）感应起电（与摩擦起电比较）

如图：
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使A带电，B、C端将出现感应电荷，把B、C分开，各自出现净电荷，从而带电。

 

（2）静电屏蔽

①空腔导体的特点：

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。

简单分析：金属网罩内无电场。

任取一个导体壳，处于静电场中，壳内无电场。

反证法：若有电场，电场线发自壳壁，终止于壳壁，与壳是等势体相矛盾，这样的电场线不存在。
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 归纳：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
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 ◇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
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+

       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
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③    静电屏蔽应用

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

三、课件演示，课堂小结

1．静电平衡状态：导体中（包括表面）没有电荷定向运动的状态。

基本特征：处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零；电荷只分布在导体的外表面。

注意：这里的“场强”，指的是合场强。

2．静电屏蔽：导体壳可以使其内部所包围的区域不受外部电场的影响，这种现象叫做静电屏蔽。

四、巩固练习

【例1】一个任意形状的金属导体，处于静电平衡状态时（       ）

 A．导体内部没有净电荷．    B．导体内部任意两点间的电势差不一定为零

 C．导体内部的场强不一定处处为零  D．在导体表面上，电场线可以与导体表面成任意角

 解析：A．处于静电平衡状态的导体，净电荷在导体表面，所以A对．B．处于静电平衡状态的导体，是一个等势体，所以任意两点间无电势差，所以 B错．C．处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零，所以C错．D．处于静电平衡状态的导体，其表面场强不为零，场强的方向与面垂直，所以D对。

【例2】如图所示，将不带电的导体BC放在带正电的金属球A附近，当导体BC达到静电平衡后，则下列说法正确的有（      ）
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    A．用导线连接BC两端，导线中有瞬间电流通过

    B．用手摸一下导体B端可使导体带正电

    C．导体C端电势高于B端电势

    D．B和C端感应电荷在导体内部产生的场强沿BC方向逐渐减小

解析：静电平衡后，BC内部场强为零，整个导作是个等势体，故A、C都错了，根据导体附近的电场线分布，可判定导体BC的电势比无穷远处（大地）的电势要高，故把导体B端或C端接地时，将有电子从大地流向导体，导体将带负电；导体处于静电平衡时，导体内部的电场跟感应电场相平衡，因此可以根据外电场在导体内部的分布情况来确定感应电荷电场在导体内部的分布情况．    答案：D

【例3】如图所示，接地的金属板右侧有固定的点电荷十Q，a、b点是金属板右侧表面上的两点，其中a点到＋q的距离较小，下列说法中正确的是（     ）
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A．由于静电感应，金属板右侧表面带负电，左侧表面带正电．

B、由于静电感应，金属板右侧表面带负电，左侧表面不带电

C、整个导体，包括表面上的a、b点，是一个等势体，且电势等于零   

D、a、b两点的电场强度不为零，且a、b两点场强方向相同，但a点的场强比b点场强大

解析：由于静电平衡，金属板是一个等势体，且电势为零（金属板接地），金属板的左侧不带电，右侧带负电．a、b两点的场强不为零，它们场强的方向均垂直于金属板平面，由于a点离＋Q比b点近，故a点的感应电荷比b点的感应电荷多，场强大．综上所述，选项B、C、D正确。

【点评】处于电场中的导体一旦接地，它的电势为零。且远离带电体的一端总是不带电，由于达到静电平衡时内部场强处处为零，说明了接地后的导体所带的异种电荷（与带电体的电荷比较而言）是增多的．

【例4】：长为L的金属棒原来不带电，现将一带电荷量为q的正电荷放在距棒左端R处且与棒在一条线上，则棒上感应电荷在棒内中点O处产生的场强的大小          ，方向          。http://s12/middle/8dbed4a5tb3316dd758bb&690

    解析:根据处于静电平衡状态的导体的特点，棒上感应电荷在棒内中点O处产生的场强应与正电荷q在该点产生的场强大小相等，方向相反，故感应电荷在棒内中点O处产生的场强的大小为： ；方向由O点指向q。

【例5】如图所示，P为金属球壳内的一点，壳外一带负电的带电体A移近金属球壳时，金属球壳内P点处的场强E和电势U的变化是（      ）
http://s12/middle/8dbed4a5tb3316f3ac8bb&690
    A．E不变，U降低；B．E不变，U升高

    C．E增大，U升高；D、E增大．U降低

   解析：金属球壳处于带负电的带电体A形成的电场中，处于静电平衡状态，因此E始终等于零不变，由于带电体A带负电且靠近球壳，所以球壳的电势降低。答案：A

【例6】如图所示，水平放置的金属板正上方有一固定的正点电荷Q，一表面绝缘的带正电的小球（可视为质点且不影响Q的电场），从左端以初速度V₀滑上金属板，沿光滑的上表面向右运动到右端．在该运动过程中（        ）
http://s8/middle/8dbed4a5tb33171233867&690
A．小球作匀速直线运动      B．小球作先减速，后加速运动

C．小球的电势能保持不变    D、电场力对小球所做的功为零

解析：水平放置的金属板在Q的电场中处于静电平衡，它是一个等势体，也就是说它表面的电场线处处与表面垂直，由于表面绝缘，故带电小球在其表面上滑动时，电量不变，但电场力不做功，故小球作匀速直线运动·所以A、C、D选项正确

【例7】如图所示，一个带正电的绝缘金属球壳A，顶部开一小孔，有两只带正电的金属球B 、C ，用金属导线连接，让B球置于球壳A内的空腔中，与内表面接触后又提起，C球放置在A球壳外，待静电平衡后正确的判断是：
http://s9/middle/8dbed4a5tb33172f49ab8&690
    A、B 、C两球都不带电

B、B球不带电，C球带电

C、让C球接地后，B球不带电

D、让C球接地后，A球壳空腔内的场强为零

解析：B球与A球壳内表面接触,A,B,C三者连成一个整体，静电平衡后净电荷只分布在导体外表面，所以A球壳外表面和C球均带正电，B球不带电．A,B,C三者为一等势体，当B球提起后，B,C的电势相等，无电荷的定向移动，由于B,C与A等势且为正,C球接地后，将有自由电子从大地向高电势的B,C上移动，B球带负电，此时B球将在A球壳上内表面感应出正电待，从而空腔内形成由内表面指向B球的电场，场强不为零，答案为C.

【例8】如图所示，绝缘导体A带正电，导体B不带电，由于静电感应，使导体B的M端带上负电，而N端则带等量的正电荷.

（1）用导线连接M、N，导线中有无电流流过？

（2）若将M、N分别用导线与大地相连，导线中有无电流流过？方向如何？http://s1/middle/8dbed4a5tb33175f48640&690

A

+

B

M

N

解析：A为带正电的场源电荷，由正电荷即形成的电场的电势分布可知：U_A＞U_B＞U_地，其中，B是电场中处于静电平衡的导体.U_M=U_N=U_B.当用导线在不同位置间连接时，电流定由高电势流向低电势，而在电势相等的两点间连接时，则导线中无电流通过.所以：

（1）因为U_M=U_N，故导线中无电流.

（2）因为U_M=U_N=U_B＞U_地，所以无论用导线将M还是N与大地相连，电流均由导体B流向大地.

【例9】目前国家环保局统一规定常规大气监测的项目是：二氧化硫，氮氧化物，悬浮颗粒三种大气污染物，其中，在对悬浮颗粒的治理方法中有一种为静电除尘法，其依据的物理原理是让带电的物微粒在    力作用下，几乎都奔向并吸附在            上，如图即为静电除尘器的示意图．除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成,A接到         ,B接到         ．A,B之间形成很 强的电场，而且距B越近电场越强,B附近的空气分子被强电场电离为电子和正离子，正离子跑到B上得到电子变成               ．电子奔向正极A的过程中，遇到烟气中的悬浮颗粒，使悬浮颗粒带            电，吸附到A上，排出的气体就清洁了．
http://s10/middle/8dbed4a5tb33176d94589&690
答案：电场  电极  高压电源正极   高压电源负极   空气分子   负

 (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？

【布置作业】

1．复习本节课文。

2．思考一下静电屏蔽有何应用。

【教后记】

1．导体的静电平衡条件是本节的重点，也是难点，在见解是可借助多媒体课件（或图片）着重分析导体在电场中达到静电平衡的过程，强调导体处于静电平衡时，内部场强处处为零，指的是感应电荷的场强与外电场的场强叠加后，合场强为零，要使学生真正理解静电平衡条件，必须使他们清楚地知道推理过程。

2．导体达到静电平衡状态时的电荷分布规律是在实验的基础上总结出来的，因此必须重视实验，做好演示，使学生获得感性认识，然后再从静电平衡条件加以说明，让学生在理论和实际的结合中理解知识。

3．静电屏蔽现象在生产和生活中有很多应用，讲解时要结合实际才能使学生真正理解。

4．为了巩固学到的知识，本节安排了两个例题，可根据学生的实际情况进行分析讲解，然后再让学生做练习，最后对本节内容作简要小结，布置课后作业，作业内容可根据情况自行安排。