9.4静电的防止与利用 教学设计-2023-2024学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

教学设计 课 题： 静电的防止与利用 一、基本信息 内容标题 《静电的防止与利用》 选用教材 普通高中物理人教版（2019）必修三 章节 第九章第 4 节 授课对象 高中二年级学生 二、教学分析 本 节 课 教 学 设 计 的 理 念 【理论基础】 1. 情境认知理论 情境认知理论认为，知识是个体根据自身经验建构意义的结果，学习 过程则是个体与情境互动创造意义的过程。教师需结合相应的问题情境， 引导学生对所提出的问题进行分析、探究、交流、讨论。利用情境、协作、 会话等学习环境要素促进学生学习，充分发挥学生的主动性、积极性，最 终达到培养学生实验能力的目的。 2. 问题教学理论 即由一定情境引起的，按照一定目标，应用各种认知活动、技能等， 经过系列思维操作，使问题得以解决的过程。教师可以通过递进、连续且 相关度高的问题贯穿整个教学，在其中需要留出时间和空间让学生进行思 考，然后再组织小组交流讨论，在整个教学过程中充分要发挥引导探究进 程的作用，通过多种形式来推进问题解决。 3. 动机理论 动机是一种由目标或对象所引导、激发和维持的个体活动的内在心理 过程或内部动力。动机是个体内部的心理过程，无法通过直接观察得到， 但可以通过外部手段如努力程度、任务选择、语言表达等方式推理出来。 教师可设置中等强度动机的阶段任务目标，引导学生在能力范围内解决问 题，从而达到教学目标要求。 【理论应用】 本节课设计以情境认知理论、问题教学理论和动机理论为理论基础。 以静电平衡、尖端放电、静电屏蔽、静电吸附等知识为线索，创设情境， 以放电对比实验、模拟避雷针、模拟静电除尘等自制演示实验和模拟静电 植绒的学生体验活动为依托，通过设置问题和任务驱动学生进行学习活动、 解决问题、获取知识、落实核心素养目标。学生先通过演示实验现象，产 生感性认识，再建构物理模型，学习原理，解释现象，实现从感性到理性 的认识。 学 习 需 求 分 析 1.学生对静电现象了解不全面，对静电场知识在实际生产生活中的应用了 解不够。 2.学生对于常见的避雷针（接闪杆）、静电除尘等装置，不会建构合理的 物理模型，不会联系学习过的静电场知识来分析原理，解释现象。 学 情 分 析 【知识储备】 1. 学生对于避雷针（接闪杆）、静电复印等静电现象应用有一定的生活经 验； 2. 学生已经学习过正负电荷、静电感应、静电力、电场、电场强度、电场 线等基本电学知识； 3. 学生已经熟知运动、力、牛顿运动定律等运动与相互作用的知识； 【心理特点】 1. 高二学生处于形式运算阶段，有一定的抽象逻辑推理水平，思维方式从 以形象思维为主的经验型思维向以抽象思维为主的理论型思维转变。 2. 高二学生有一定的自制力，注意力的深度、广度和持久性变久。 3. 高二学生对于实际生活中的物理现象有好奇心，可以通过用所学知识分 析原理、解释现象这一途径获得满足感与自豪感。 【认知特点】 1. 高二学生还处于寻找建构新旧知识间关系方法、养成创造性思维能力的 发展时期。 2. 高二学生会存在一些前概念，对理解新知有负面影响。例如：金属导电 而金属笼不能实现静电屏蔽等。 三、具体教学任务分析 本 节 【本节地位】 人教版新教材物理必修三将静电场的知识分为两章，第九章《静电场 及其应用》、第十章《静电场中的能量》两章。本节是继第九章前三节的 在 本 章 及 物 理 学 体 系 中 地 位 和 作 用 现象、规律、本质之后的静电场的应用 【物理学体系中地位】 将本节放在第九章与第十章的大单元背景中分析发现，静电场是学生 在高中阶段学习电学内容的开始，具有承上启下，连接力学与电磁学的重 要作用。静电场内容是将力学中已经建立起来的关于相互作用观念、运动 观念、能量的观念进一步用于电学。本节主要是静电现象在实际生产生活 中的应用，需要将必修 1、2 的力学知识与本章前 3 节所学的电学知识整合。 本 节 选 用 1.本节结构框架： 教 材 及 其 内 容 编 排 特 点 分 析 2.呈现方式： 既有文字叙述，也有符号表达；既有真实情境下的图片展示，也有物 理模型的图示。 3.栏目设置： 新 修 订 版 课 标 要 求 【内容要求】 3.1.4 了解生产生活中关于静电的利用与防护。 例 6.分析讨论静电在激光打印、静电喷雾和静电除尘等技术中的应用。知 道在有可燃气体、粉尘的环境中如何防止静电事故。 【活动建议】 1.通过观察、查阅资料等方式，了解避雷针的结构和基本原理，撰写一篇 研究报告。 2.收集资料，综述静电的危害，了解预防的方法。 【教学提示】 本模块内容与生产生活、科技进步、社会发展密切相关，要充分利用 多种教学资源，引导学生了解电磁感应现象在生产生活中的应用，认识能 源开发与利用对人类生活和社会发展的影响，关注科学 ·技术 ·社会 ·环 境的关系，培养学生解决实际问题的能力。 教学重点 1. 知道静电平衡状态及静电平衡时导体特性。 2. 能说出一些在生活中利用和防止静电的简单技术原理。 教学难点 1. 静电平衡形成过程及特点。 2. 微观角度简单解释尖端放电、静电屏蔽、静电吸附现象。 学 习 目 标 阐 明 【物理观念】 K1.了解空气的电离是导体尖端的电荷密度大，附近的电场强，使空气分子 中正负电荷分离。 K2.了解尖端放电现象及其成因。 K3.知道静电平衡状态及形成过程，能够说出静电平衡状态下导体内部电场 处处为零的特点。 K4.了解静电屏蔽现象及其成因 K5.了解静电吸附现象及原理。 【科学思维】 T1.会观察示意图，能归纳导体上电荷的分布特征。 T2.能建立“避雷针 ”的物理模型，分析尖端放电现象的理论，了解静电防 止的原理。 T3.可以进行电场中金属导体中自由电子运动的分析、推理、归纳得出静电 平衡的特点。 T4.能依据“法拉第笼 ”的实验，建立带空腔的导体在电场中的物理模型， 分析静电屏蔽的原理。 T5.能依据模拟静电除尘实验，建立带电粒子在电场中运动的物理模型，分 析静电吸附的原理，了解静电利用的原理。 【科学探究】 I1.通过观察、思考、交流探究尖端放电的基本原理。 I2.观察模拟静电集尘演示实验，分析实验现象，推理得出静电吸附的原理。 I3.小组交流合作进行模拟静电植绒实验。 【科学态度与责任】 A1.通过字谜的传统文化，体会博大精深的中华文化，增强文化自信心。 A2.通过国产飞机防静电技术，感受中国强大的科技实力，增强国家自豪感 和民族自信心。 A3.通过“法拉第笼 ”静电屏蔽实验，了解英国物理学家——迈克尔 ·法拉 第，拓宽对物理学史的认识。 A4.通过高压静电集尘技术改善工厂空气污染，认识科学 ·社会 ·环境关系。 A5.体验模拟静电植绒小实验，感受科学技术在生产生活中的应用。 A6.通过了解生产生活中关于静电的防止与利用，能对关于静电发表自己的 观点和看法，有进行科学普及的兴趣和责任。 教 学 方 法 教法：提问法、实验演示法、讲授法 学法：观察法、讨论法、合作探究法、查阅资料法 媒 体 及 教 学 资 源 1.2019 人教版高中物理教材、普通高中物理课程标准（2020 修订版）、教 师参考书、大学物理书（电磁学部分）； 2.视频资料、动画演示、多媒体课件； 3. 自制模拟避雷针实验装置、自制模拟静电除尘实验装置、自制模拟静电 植绒实验装置、金属球和金属针放电对比实验、“法拉第笼 ”实验装置。 四、本节课知识梳理及教学流程 本节课知识逻辑关系结构图 本节课教学目标与教学流程对应图 五、教学过程设计 第 1 环 节 具 体 任 务 创设情境，导入新课 预计 时间 2min 教学目标 教师活动设计及具体内容 学生学习活动 A1.通过字谜 的传统文化引 入新课，体会 博大精深的中 华文化，增强 文化自信心。 【谜语】连日有雨（猜一气象） 雷 【视频】《中国机长》飞机穿过雷雨区的片段。 学生猜字谜； 飞机在穿过含有大量电荷云层时，由于摩 擦起电、静电感应或者不幸被雷击中，会在机 身上积累大量电荷，这些静电会对飞机的结 构、仪器和无线通讯有影响，影响飞机安全。 【问题】想一想，如果你是一名飞机设计师， 你会对飞机有哪些放静电设计呢？ 学生观看视频； 学生思考问题， 并对本节课所 学内容产生兴 趣。 设计意图 通过字谜引入雷电自然现象，播放电影片段，提出问题，请 学生设计飞机防静电措施。学生此时无法解决问题，激发学生对 本节课内容的学习兴趣。 过渡语 接下来，我们进入本节课静电的防止与利用内容的学习，看 看同学们在这节课之后，又会有什么样的灵感呢？ 第 2 环 节 具 体 任 务 探究静电的防止——尖端放电现象 预计 时间 8min 教学目标 教师活动设计及具体内容 学生学习活动 K1.了解空气 的电离是导体 尖端的电荷密 度大，附近的 电场强，使空 【演示实验 1】 放电对比实验 学生观察实验 现象，完成表 格； 气分子中正负 电荷分离。 K2.了解尖端 放电现象及其 成因。 T1.会观察示 意图，能归纳 导体上电荷的 分布特征。 T2.能建立“避 雷针 ”的物理 模型，分析尖 端放电现象的 理论，了解静 电防止的原 理。 I1.通过观察、 思考、交流探 究尖端放电的 基本原理。 【教师讲解】 导体表面电荷分布 导体表面电荷分布与导体的形状有关，导 体越尖锐的地方，电荷聚集越多（电荷密度越 大），周围的电场越强。金属针比金属球更尖 锐，更容易放电。 【提出问题】 生活中有哪些利用金属针更容易放电的 情景呢？ 【模拟避雷针实验】 有避雷针 无避雷针 【构建模型】 学生理解导体 越尖锐部分，电 荷密度较大，周 围电场越强； 学生思考，并依 据生活经验，回 答问题，预设学 生答案为“避雷 针 ”； 学生观察实验 现象，对避雷针 产生感性认识； 学生理解空气 电离与尖端放 电的过程； A2.通过国产 飞机防静电技 术，感受中国 强大的科技实 力，增强国家 自豪感和民族 自信心。 【应用】飞机放电刷 回答课堂开始提出的问题，在飞机的机翼 和尾翼等容易聚集大量电荷的地方，安装静电 释放器（放电刷），利用尖端放电原理，将机 身积累的电荷释放到大气中，防止静电影响飞 机飞行安全。 学生了解飞机 的放电刷也是 利用尖端放电 原理； 设计意图 将教材中尖端放电的原理和其避雷针的应用结合起来，将文 字转化为动画，建立模型，帮助学生理解尖端放电的原理及应用。 过渡语 飞机的放电刷可以防止静电，那么飞机还有别的防静电技术 吗？其实，飞机的金属外壳也可以起到防止静电的作用。今年 5 月，我国自主研发的国产大飞机 C919 实现商业首飞，这是我国 科技实力提升的一大体现。其中C919 大飞机的亮点之一，就是 采用大量先进复合材料和铝锂合金，铝锂合金属于金属，有良好 的导电性，也能防止静电吗？这就与我们下面要学习的静电屏蔽 有关系。 第 3 环 节 具 体 任 务 静电平衡 预计 时间 10min 教学目标 教师活动设计及具体内容 学生学习活动 K3.知道静电 平衡状态及形 成过程，能够 说出静电平衡 状态下导体内 部电场处处为 零的特点。 T3.可以进行 电场中金属导 体中自由电子 运动的分析、 推理、归纳得 出静电平衡的 特点。 【演示实验】“法拉第笼 ”演示实验 观察演示实验，并回答以下问题： 1. 用带电的金属球靠近验电器，但不接触，观 察验电器的箔片是否张开？解释现象。 （答案：张开） 2. 用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球 靠近验电器，观察箔片是否张开？解释现象。 （答案：不张开） 【提出问题】 之前，我们总是研究两个电荷之间、一个 带电微粒在电场中的表现。请同学们思考，如 果在电场中放入一个不带电的金属导体 ABCD， 金属导体又会发生哪些变化呢？ 【问题链】 1.将导体放入电场中自由电子怎样移动？ 2. 自由电子的定向移动会导致什么情况？ 3. 自由电子的定向移动会一直进行下去吗？ 4.导体内部最终会出现怎样的现象？ 学生观察实验 现象，回答问 题； 学生意识到金 属笼确实可以 实现静电屏蔽； 学生产生认知 冲突，迫切想要 知道原理； 学生在教师引 导下，通过回答 问题链中问题， 探究得出静电 平衡形成过程； 【答案】 1.导体两侧出现的正、负感应电荷在导体内部 产生与电场强度 E0 方向相反的电场，其电场强 度为 E ’ 2.感应电荷的电场和外电场叠加，使导体内部 总的电场减弱。在叠加电场的作用下，任有自 由电子不断运动，直到导体内部各点的电场强 度 E=0 为止，导体内的自由电子不在发生定向 移动。这时，导体达到静电平衡。 【静电平衡】 1.静电平衡状态:发生静电感应的导体，导体 中自由电子不再发生定向移动。 2.静电平衡状态下导体电场的特点:处于静电 平衡状态下的导体，内部的场强处处为零 ;表 面处的电场强度不为零，表面处的电场强方向 跟导体表面垂直。 设计意图 学生通过“法拉第笼 ”演示实验，认识到金属笼有静电屏蔽 的作用，产生认知冲突，激发学习兴趣。再由前面所研究的电荷 之间、一个带电粒子在电场中的表现顺势转入研究金属导体在电 场中表现，理解静电平衡形成过程及特点，为后面解释静电屏蔽 奠定知识基础。 过渡语 研究了金属导体在电场中的表现，有了静电平衡的知识基 础，接下来我们看能否运用所学的知识来解释“罩住金属笼的验 电器金属箔片不张开 ”现象。 第 4 环 节 具 体 任 务 探究静电的防止——静电屏蔽 预计 时间 10min 教学目标 教师活动设计及具体内容 学生学习活动 K4.了解静电 屏蔽现象及其 成因。 T4.能依据“法 拉第笼 ”的实 验，建立带空 腔的导体在电 场中的物理模 型，分析静电 屏蔽的原理。 【建构模型】 空腔导体在电场中的物理模型 【静电屏蔽】 1.导体达到静电平衡时，内部的电场强度处处 为零。若是带空腔的导体，导体壳内空腔里电 场强度也处处为零，无论外部电场是什么样 的，导体内部都不会有电场。 2.静电屏蔽的两种情况 （1）导体内空腔不受外界电场的影响（内屏 蔽） （2）接地导体空腔内部电场强度不影响外部 空间（外屏蔽） 学生在老师的 指导下构建物 理模型，归纳得 出静电屏蔽的 特点； 学生理解静电 屏蔽的类型分 为内屏蔽与外 屏蔽； A3.通过“法拉 第笼 ”静电屏 蔽实验，了解 英国物理学家 ——迈克 尔 ·法拉第， 拓宽对物理学 史的认识。 【物理学史】 法拉第 “法拉第笼 ” 1836 年，电磁学奠基人、英国物理学家— —迈克尔 ·法拉第，发明的一个由金属或者良 导体形成的笼子。 【应用介绍】 1.高压线屏蔽： 高压输电时，在三条输电线的上方还有两 条导线，它们与大地相连，形成一个稀疏的金 属“ 网 ”，把高压线屏蔽起来，使其避免雷击。 2.防静电服： 高压电线上作业的工人需要穿戴含金属 丝织物的防护服 学生了解“法拉 第笼 ”及其发明 者——迈克 尔 ·法拉第，拓 宽对物理学史 的认识； 学生尝试利用 静电屏蔽的原 理解释野外高 压输电时的高 压线屏蔽。 设计意图 学生利用所学静电平衡知识，解释最开始“法拉第笼 ”演示 实验的现象，理解静电屏蔽的基本原理，改变金属是导体不能实 现防止静电的错误认知，同时向学生介绍静电屏蔽的一些应用。 过渡语 我们要一分为二地看待事物，静电有危害我们生产生活的一 面，但也有对我们有利的一面，需要我们合理的去利用静电。 第 5 环 节 具 体 任 务 静电的利用——静电吸附原理 预计 时间 8min 教学目标 教师活动设计及具体内容 学生学习活动 K5.了解静电 吸附现象及原 理。 T5.能依据模 拟静电除尘实 验，建立带电 粒子在电场中 运动的物理模 型，分析静电 吸附的原理， 了解静电利用 的原理。 I2.观察模拟 静电集尘演示 实验，分析实 验现象，推理 【演示实验】模拟静电除尘 自制实验装置 有大量烟雾 烟雾消失 塑料瓶中充满大量烟雾，将感应起电机正 级和负极分别和铝片和塑料瓶中的金属棒连 接，快速摇动起电机手柄，可以看到瓶中烟雾 消失，最后可以看到有烟灰附着在塑料瓶壁 上。 【静电吸附】 1.在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向 着电极运动，最后会被吸附在电极上。 2.带电微粒在电场中的运动情况 问题： （1）极板间的电场方向？ 学生观察实验 现象，思考原 因； 学生根据所学 的力学、运动 学、电学知识对 电场中的粒子 受力分析，分析 其运动情况，回 答问题； 得出静电吸附 的原理。 A4.通过高压 静电集尘技术 改善工厂空气 污染，认识科 学、社会、环 境的关系。 A5.体验模拟 静电植绒小实 验，感受科学 技术在生产生 活中的应用。 答案：由下级板指向上极板。 （3）忽略重力，带电粒子受力？ 答案：电场力，方向竖直向上。 （3）假设有一初速度 V0 的带电粒子在电场中 如何运动？ 答案：类平抛运动。 【建构模型】 两极板间形成很强的电场，其中的空气分 子被电离为带负电的自由电荷和带正电的离 子。电子遇到尘埃，吸附在一起，向正极板运 动；正离子向负极板运动，在负极板又得到电 子，形成分子。正极板积累的尘埃越多，在重 力的作用下掉落下来，达到除尘的目的。 【应用介绍】 生活中还有很多关于静电吸附的应用实 例，比如：静电植绒、静电复印和静电喷漆等。 静电喷漆 静电复印 学生解释静电 除尘基本原理； 学生了解其他 利用静电的实 例； 【模拟静电植绒活动】 小组进行静电植绒体验活动 学生小组体验 模拟静电植绒 活动，感受静电 的利用给我们 生活带来的方 便。 自制模拟静电植绒装置 植绒效果展示 设计意图 培养学生一分为二看待事物的意识，学生认识到利用静电给 我们生活带来的便利，体会科学 ·社会 ·环境之间的联系。 过渡语 最后，让我们对本节课所学内容进行一个回顾与总结吧！ 第 6 环 节 具 体 任 务 课堂小结 预计 时间 2min 教学目标 教师活动设计及具体内容 学生学习活动 A6.能对关于 静电的防止与 利用发表自己 的观点和看 法， 学生回答问题， 回顾所学知识。 设计意图 学生回顾本节课所学知识内容，构建知识体系。同时能对关 于静电的防止与利用发表自己的观点和看法。 作业布置 1. 查阅“雷火炼殿 ”的相关内容，用本节课所学知识向身边人 解释这种现象。 2.课后查阅资料，找一找飞机上的防静电装置还有哪些？（或者 寻找自己感兴趣行业领域内有关静电的防止措施和利用技术） 六、板书设计 七、教学反思 1. 在教学设计上，分析学情，找到学生可能存在的困难，再细化教学目标，将 每一环节的教学活动与教学目标相对应，体现并落实物理核心素养。 2. 在过程设计上，将教材的原理和现象解释等文字知识，放在创设的真实情境 下，并将其转化为模型，用动画演示其形成过程。学生学习知识点的同时还有将 真实情景问题抽化为物理模型，从而运用物理知识解决问题的意识。 3. 在教学方式上，以学生为中心，以问题为引导，教师引导学生观察现象、 自 主探究、小组合作，体现学生的主体性和教师的主导性。 4. 在教学效果上，通过自制教具，基于演示实验和学生体验活动组织教学，学 生不仅能在真实情境中吸收知识，学以致用，还能亲身体会物理与生产、生活的 紧密联系。 附录 1 ： 自制教具简单说明 一、模拟避雷针教具 组成部分：高压电源、导线、两片金属铝片、带金属针的建筑物、不带金属针的 建筑物、绝缘支架、底座、安全手套 二、模拟静电除尘教具 组成部分：感应起电机、铝板、塑料瓶、金属棒、导线、打火机、蚊香（烟雾源） 三、模拟静电植绒教具 组成部分：感应起电机、导线、两片金属铝板、塑料板、植物草粉、A4 纸、泡 沫底座。 附录 2 ： 本节电子版教材 学科网（北京）股份有限公司 $$