9.4 静电的防止与利用 教学设计 -2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

4 静电的防止与利用 目标素养 1．物理观念：引导学生理解静电平衡状态的形成过程，知道处于静电平衡的导体内部的电场强度处处为0；让学生了解尖端放电、静电屏蔽现象，知道静电防止的原理。 2．科学思维：通过回忆分析静电感应的过程，让学生利用所学的电场强度知识分析导体达到静电平衡时的电荷分布特点和电场强度特点。 3．科学探究：通过交流讨论，让学生知道静电吸附原理；通过分析具体实例，让学生了解静电吸附在静电除尘、静电复印等技术中的应用。 4．科学态度与责任：引导学生关注生产、生活中的静电现象，体会物理学与生产、生活的紧密联系，激发学生学习更多物理知识的兴趣。 重点难点 重点 理解静电平衡的概念及特征。 难点 应用静电平衡知识，认识处在静电场中导体的电荷分布特点，了解尖端放电、静电屏蔽现象。 教学准备 教师准备 1．准备演示实验器材：力传感器一对、加装磁铁后的力传感器一对、数据采集器、量程和分度值均相同的弹簧测力计一对、质量为200g的钩码若干。（注意：课前完成传感器软件的安装调试） 2．准备学生实验器材：电动儿童小汽车一辆、充好气的大气球两只。 3．制作本节课的多媒体课件。 学生准备 1． 复习二力平衡知识。 导入新课 导入（情境导入） 教师 我们常有这样的体验，在干燥的冬天，当用手靠近金属门把手时，有时会有被电击的感觉。如果在暗处，还能看到其间产生的静电火花。在实际生活中，有时静电火花会引发巨大的事故。比如在加油站和汽修厂等地方，静电火花有可能会引起汽油的爆炸从而造成严重事故。如图所示，自然界的雷电也是一种剧烈的放电现象。 自然界到处都有静电。生产中的搅拌、挤压、切割等活动，生活中的穿衣、脱衣、运动等过程都可能产生静电。静电可能造成一定危险，我们该如何防止静电给我们带来的危害呢？另外，静电有没有可以应用到生活实际中的呢？这需要我们先弄明白静电产生的原理。 教学过程 环节一：静电平衡 出示图片并提出问题：这两种放电现象，有什么共同点吗？ 学生 人手靠近金属门把手，雷雨云靠近大地，此时的人体和雷雨云都是带电体，金属和大地都是导体。 教师 所以，我们可以根据带电体（电场）靠近金属时，金属的一些反应来探究静电产生的原理和特点。 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，根据金属的微观结构模型分析一下，其内部的自由电子会怎样移动呢？请同学们画出电子可能的运动图像。 学生 自主完成，画出电子运动的方向。 自由电子在电场中受到电场力，在电场力的作用下，自由电子就会发生定向移动。请同学们想一想，自由电子的定向移动会导致怎样的情况发生呢？ 学生 如图所示，由自由电子的受力特点可知，自由电子在电场力的作用下发生定向移动，最终会在导体的左端聚集，使导体的左端显负电性，由于导体中原子的原子核部分不会定向移动，从而使导体的右端显正电性。 导体内自由电子的定向移动会一直进行下去吗？导体两端的感应电荷会无限制增加吗？请同学们画出稳定后金属内部的图像。 学生 自主完成，并根据图像继续分析：如图甲所示，导体两侧感应出的正、负电荷会在导体内部产生一个感应电场，它的方向与外部电场的方向相反。外电场与感应电场叠加，从而使导体内部的电场减弱。如图乙所示，在叠加后电场的作用下，仍有自由电子发生定向移动，从而使感应电场的电场强度越来越大。最后，感应电场和外部电场的电场强度大小相等、方向相反，即导体内部各点的电场强度最终处处为0，如图丙所示。这时，导体内的自由电子便不再发生定向移动了。 教师 这样的状态我们称之为静电平衡状态。如图所示，处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0。这是它的一个特点。 想一想，我们该如何从理论上进一步论证这一特点呢？ 学生 可以用反证法。假设处于静电平衡状态下的导体的内部电场强度不是处处为0的，那么，自由电子就会在电场力的作用下发生定向移动，此时则不是静电平衡状态。这与我们的假设矛盾，假设不成立。于是，能够得到结论：处于静电平衡状态的导体，其内部电场强度处处为0。 根据分析我们还可以看出，导体处于静电平衡状态时，导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面。这是处于静电平衡状态下导体电荷分布的又一个特点。 当带电体靠近导体，导体感应起电，达到静电平衡状态，此时电荷分布在导体外表面，不再发生定向移动，怎么会产生放电现象呢？我们来观察一个小实验，看看会不会有启发。 师生 教师使用如图所示的静电起电机做实验，学生观察静电起电机的放电过程：刚开始摇动手柄时，两个小球间没有放电火花；继续摇动手柄到一定程度时，两个小球间才有放电火花产生。 教师 从实验现象可以看出，当金属小球上的电荷积累到一定程度时，才会发生放电现象。这是为什么呢？ 小球外表面上的电荷积累得越多，电荷密度越大，则小球外部的电场强度越大。这样的一个强电场会造成什么结果呢？要解释清楚这个过程，需要了解一下尖端放电的原理。 设计意图 通过创设情境，引导学生从力与运动的角度去思考，进而解释、归纳静电平衡状态的特点以及原因。 环节二：尖端放电 如图所示，根据静电平衡进行分析，两个金属小球内部的电场强度为0，电荷只分布在小球外表面，电荷积累越多，外表面电荷的密度越大，则小球外部的电场强度越大。这样的一个强电场会造成什么结果呢？ 教师引导学生进行分析：在正常情况下，空气中只有极少的带电粒子，不会发生放电现象。 （1）如图甲所示，当导体上的电荷积累到一定程度时，导体周围的强电场会使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动，并与空气中的气体分子发生碰撞，从而使气体分子中的正、负电荷分离。这个现象我们称之为空气的电离。中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子，这些带电粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子。 甲 （2） 如图乙所示，电离出的带电粒子在电场的作用下，分别向与自己电性相反的导体一端运动，与导体上的电荷中和，如图丙所示。大量带电粒子的运动，使空气中有了电流，发出光和热并产生声音，这就是我们看到的放电火花。即强电场会使空气电离，进而发生放电现象。 乙 丙 知道了这个原理，请同学们想一想，我们如何避免产生静电火花呢？ 要避免产生静电火花，就要防止电荷的积累。 但在我们的生产和生活中，避免不了静电的产生，那么，应该怎么办呢？ 学生生活中可以采用接地的办法，把积累的电荷导入大地，如图所示。 油罐车的接地铁链 加油站的静电释放器 那么，该如何防止雷电的危害呢？ 如图所示，当带电云层靠近地面上的建筑物时，建筑物会感应出与云层下端相反的电荷。当电荷积聚到一定程度时，就会产生剧烈的放电现象，也就是通常所说的雷电。 我们无法让雷雨云接地，那能不能想办法产生一些与带电雷雨云相反的电荷来进行中和呢？生活中许多建筑物顶端都安装了避雷针，能够有效防止雷击的危害。它的原理又是什么呢？ 下面我们来观察一下避雷针的形状特点。如图所示，我们可以看到，避雷针是一些尖锐的金属棒。这些尖锐的金属棒有什么作用呢？我们来看一个实验。 教师利用图甲所示的装置进行演示实验，学生观察实验现象：点燃蜡烛，我们看到烛焰竖直向上。如图乙所示，摇动感应起电机，烛焰仿佛被针尖吹开；停止摇动感应起电机，烛焰恢复竖直向上；断开感应起电机与金属针尖的连接，再次摇动，烛焰仍保持竖直向上。 甲 乙 从现象可知，烛焰确实是被针尖“吹动”的。这是什么原理呢？ 我们知道，静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面。不仅如此，电荷的分布还跟导体的形状有关，在导体的外表面，越尖锐的位置，电荷的密度越大，周围的电场强度越大。 根据尖端放电的原理，将尖锐的金属棒安装在建筑物的顶端，用粗导线将其与埋在地下的金属板连接，保持其与大地的良好接触，这就构成了避雷针。如图所示，当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒感应出与云层相反的电荷。通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，达到避免建筑物被雷击的目的。这便是避雷针的原理。 设计意图 通过实验操作，引导学生结合实验现象进行理论分析，帮助学生理解尖端放电的特点并了解避雷针的原理。 设计意图 通过实验操作，引导学生结合实验现象进行理论分析，帮助学生理解尖端放电的特点并了解避雷针的原理。 环节三：静电屏蔽 如图甲所示，让一个带电金属球靠近验电器，但不接触，此时验电器的金属箔片张开。如图乙所示，用金属网罩把验电器罩起来，发现验电器的金属箔片始终闭合；拿走金属网罩，验电器的金属箔片再次张开。如图丙所示，拿走带电小球，验电器的金属箔片再次闭合。 甲 乙 丙 验电器能够显示周围是否有电场。当用金属网罩把验电器罩起来时，验电器的金属箔片始终闭合，说明此时金属网罩内部电场强度为0。这是为什么呢？ 我们可以把金属网罩当成一个空腔导体，那么，实验的情境我们也可以简化为带电体靠近空腔导体。请同学们大致画出金属网罩外部的电场线、导体上感应电荷的分布及感应电场的方向。 学生 大致画出金属网罩外部的电场线、导体上感应电荷的分布、感应电场的方向，如图丁所示。 丁 戊 分析可知，当导体达到静电平衡状态时，外部电场与感应电场相互叠加抵消。 如图戊所示，处于静电平衡状态的导体，不仅金属导体壳壁W内的电场强度处处为0，金属壳或网罩内部空腔C的电场强度也处处为0。这便是静电平衡状态下的空腔导体内部电场强度的特点。 处于静电平衡状态的导体，内部空间的电场强度处处为0。故可以利用金属壳或金属网封闭某一区域，使该区域不再受外在电场的影响。这一现象称为静电屏蔽。 如图己所示，根据静电屏蔽的原理，让工人穿上用金属丝制成的工作服，这身工作服就像一个金属网罩，能起到静电屏蔽的作用，工人就可以在高压环境中安全作业了。如图庚所示，给一些传递信号的导线套上金属外衣，利用静电屏蔽防止干扰信号入侵。不仅如此，还可以利用静电屏蔽防止野外高压线遭受雷击的破坏。如图辛所示，在输电线的上方还有两条导线，它们与大地相连，形成的一个稀疏的金属“网”，把高压线屏蔽起来。 屏蔽服 屏蔽线 高压线屏蔽 设计意图 通过实验操作，引导学生结合实验现象进行理论分析，帮助学生理解静电屏蔽的原理及实际应用。 环节四：静电吸附 用如图所示的装置进行演示实验：在一个透明圆筒的中心轴上安装一根直导线，在圆筒的两侧放置两块金属板，将直导线和金属板分别与起电机的两极相连。先往透明圆筒中通入油烟，再摇动起电机。请同学们注意观察实验现象。 摇动起电机后，圆筒中的油烟很快消失，仔细观察，可以看到透明筒壁变得模糊了。 教师 这样的简单装置能够除去油烟，它的原理是怎样的呢？我们可以画出装置的示意图帮助分析。 甲 乙 丙 丁 如图甲所示是上述装置的横截面图，直导线B和金属板A分别与起电机的负极、正极相连。摇动起电机，直导线B与金属板A之间就会产生很强的电场，且距离直导线B越近，电场强度越大，如图乙所示。B附近的气体分子被电离，成为正离子和电子，它们分别向两极运动，电子在向着正极A运动的过程中，遇到油烟中的小油滴，会使油滴带负电，如图丙所示。这样，带负电的小油滴会在静电力的作用下，向着正极A运动，如果没有筒壁的阻挡，最后会被吸附到正极A上，如图丁所示。 像这样，带电粒子在电场中受到静电力作用向着电极运动，最后会被吸附在电极上，这便是静电吸附的原理。静电吸附在生产技术上被广泛应用。 静电吸附的应用： （1）静电除尘：如图所示，静电除尘器由板状收集器A和线状电离器B组成。A接到几千伏高压电源的正极，B接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距B越近，电场强度越大。B附近的空气中的气体分子很容易被电离，成为正离子和电子。正离子被吸到B 上，得到电子，又成为分子。电子在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带负电。粉尘被吸附到正极A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。静电除尘用于粉尘较多的各种场所，可用于除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘。 （2）静电喷漆：如图所示，接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电，在静电力的作用下，油漆微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件的表面，这就是静电喷漆的原理。 （3）静电复印：如图所示，复印机的核心部件是有机光导体鼓，它是一个金属圆柱，表面有种特殊的材料。没有光照时，它是绝缘体，受到光照时变成导体。利用这个性质我们可以让电荷排列组合成相应的文字或图样，再利用静电吸附，吸上墨粉，最后将墨粉组成的图样转印到纸上。通过充电、放电还可以重复利用，非常方便快捷。 设计意图 通过实验操作，引导学生结合实验现象进行理论分析，帮助学生理解静电吸附的原理及在生活中的实际应用。 核心总结 本节课的内容由静电平衡、尖端放电、静电屏蔽和静电吸附四个知识点构成，其中静电平衡是最重要的基础概念，理解好静电平衡概念对尖端放电与静电屏蔽概念的学习至关重要。教材从静电场中导体的电荷分布到导体内部的电场分布，提出了静电平衡的概念，即导体内部的电场强度为0，没有净电荷。然后，教材分析了不规则导体静电平衡时外部聚集的大量电荷使空气电离，电离后的离子在电场力作用下快速运动形成尖端放电的现象。利用处在静电场中的导体的内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面的性质，形成静电屏蔽，使外电场对导体壳内部的空间不发生影响。最后，教材通过分析带电粒子在电场的作用下会产生运动这一性质，分别用其来完成除尘、喷漆、复印等工作。本节课的内容虽然是电场知识的应用，但是较为抽象，建议教师在教学中要循循善诱，注重理论分析，重在对物理原理的理解，避免过多技术讲解。 板书设计 第4节 静电的防止与利用 1．静电平衡 （1）导体内部场强为0． （2）电荷分布在导体的外表面。 2．尖端放电 （1）导体越尖的部分，电荷密度越大。 （2）应用：避雷针。 3．静电屏蔽 （1）利用了导体内部的电场强度为0的性质。 （2）应用：防护服、法拉第笼、屏蔽线、高压线屏蔽等。 4．静电吸附 应用：静电除尘、静电复印、静电喷漆等。 教学研讨 本节课向学生介绍了生产、生活中到处都可能产生的静电现象。静电产生后可能对生产、生活产生积极影响，也可能带来消极影响，甚至危及人类的生命财产安全，需要有效防止和利用。通过这样的学习，力图让学生建立一种任何事物都有两面性的辩证唯物主义思想认识，有利于学生形成正确的科学价值观。 学科网（北京）股份有限公司 $$