4. 静电的防止与利用（表格式教学设计） 物理人教版2019必修第三册

第4节 静电的防止与利用（教学设计） 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第4节 静电的防止与利用 教学 目标 物理观念 1.理解“静电平衡”内涵，认识导体内部、导体表面电荷分布与几何形状相关的物质观。 2.认识电场能被技术性“放电”“屏蔽”“吸附”的可控可用，形成“场—荷相互作用”系统观。 科学思维 1.能用“叠加原理”解释导体内场强为零的形成过程； 2.运用“近似尖端→局部曲率半径极小→表面电荷密度极大→局部场强极大”的推理链条分析尖端放电原理； 3.通过比较分析把“屏蔽”与“接地”区别开来。 科学探究 1.设计并评价“法拉第笼实验”“带电体尖端放电演示实验”方案，体验变量控制与安全规范； 2.通过讨论“加油前触摸静电释放器”的情境，提出假设、搜集证据、建构解释。 科学态度 与责任 1.认识静电灾害对安全生产的威胁及防范措施，增强安全用电意识； 2.尊重历史上法拉第等科学家的贡献，体悟科学研究与社会需求相结合的价值； 3.树立绿色生产理念，了解静电除尘对改善大气环境的重要意义。 教学重难点 教学重点： 1.知道什么是静电平衡状态，理解处于静电平衡状态的导体的特性。 2.知道什么是静电屏蔽及其有关应用。 教学难点： 知道导体上电荷的分布规律。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 【提出问题】 自然界到处有静电。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。在加油站加油前，为什么必须用手要触摸一下静电释放器？ 举例说明生活中静电的例子和危害 新课讲授 一、静电平衡 【提出问题】 把一个不带电的导体放入电场强度为E的电场会出现怎样的现象? 温馨提示： （1）金属导体的微观结构如何？ （2）如果将金属导体放入电场中自由电子怎样移动？ （3）自由电子会在什么地方积聚？ （4）电子的积聚会出现怎样的结果？ （5）最终会出现怎样的现象？ 探究分析： （1）金属导体中自由电子受到电场的电场力作用后向左移动，由于静电感应，在导体 AB 侧的平面上将感应出负电荷，在 CD 侧的平面上将感应出正电荷。 （2）导体两侧出现的正、负感应电荷，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′。 （3）感应电荷的电场和外电场叠加，使导体内部的电场减弱。在叠加后的电场作用下，仍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再发生定向移动。这时我们说，导体达到静电平衡。 【板书与展示】 1.静电平衡状态的定义： 放入电场中的导体，最终会达到没有电荷定向移动的状态，这种状态叫静电平衡状态。 2.静电平衡的特点： （1）处于静电平衡状态下的导体，内部的场强处处为零。 （2）导体外表面处场强方向必跟该点的表面垂直。 学生分组讨论 学生分析讨论结果，不同小组补充解释。 学生识记内容 新课讲授 二、尖端放电 【实验演示】尖端放电现象 【提出问题】为什么会产生尖端放电现象？ 【板书与解释】 1.导体上电荷的分布 （1）导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面。 （2）在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度（单位面积的电荷量）越大，凹陷的位置几乎没有电荷。 2.尖端放电的原理 （1）导体尖锐部位的电荷特别密集，尖端附近的电场特别强，会把空气分子“撕裂”，使分子中的正负电荷分离，这种现象叫电离。 （2）中性的分子电离后变成带负电的自由电子和带正电的离子，这些带电的粒子与导体尖端的电荷异号粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷。这个现象叫尖端放电。 3.尖端放电的应用 学生举例尖端放电的例子，分组讨论原因 学生识记内容 新课讲授 三、静电屏蔽 【实验演示】法拉第笼实验 【提出问题】为什么法拉第笼力的人没有危险？如何解释这一现象？ 1.静电屏蔽：由于静电感应，可使金属网罩或金属壳内的场强为零，相当于遮挡了外界电场对它内部的影响，这种现象叫做静电屏蔽。 【实验与提问】 使带电的金属球靠近验电器，但不接触，箔片是否张开？解释看到的现象。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。这个现象说明什么？ 2.静电屏蔽的应用 （1）电力工人高压带电作业，全身穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋，可以对人体起到静电屏蔽作业，使人安全作业。 （2）三条输电线的上方还有两条导线，与大地相连，形成一个稀疏的金属网，把高压线屏蔽起来，免遭雷击。 学生分组实验，并讨论所提问题 学生识记内容 学生分组讨论并分析结果 新课讲授 四、静电吸附 【引导读书】 1.静电除尘： 设法使空气中的尘埃带电，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来，这就是静电除尘。 2.静电喷漆：接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电，在静电力作用下，这些微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆工作。 3.静电复印：复印机也应用了静电吸附。复印机的核心部件是有机光导体鼓，它是一个金属圆柱，表面涂覆有机光导体 。没有光照时，OPC 是绝缘体，受到光照时变成导体。 学生读书了解三种静电吸附的内容 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1．关于静电现象，下列说法正确的是（　　） A．图甲：避雷针应用了静电吸附 B．图乙：加油站里静电释放器应用了静电屏蔽 C．图丙：高压作业电工穿含金属织物的防护服应用了静电屏蔽 D．图丁：科技馆中起电机使人体的头发竖起来应用了尖端放电 【答案】C 【详解】A．图甲：避雷针应用了尖端放电原理，故A错误； B．图乙：加油站里静电释放器应用了接触起电现象，其目的是导走人身上的静电，故B错误； C．图丙：高压作业电工穿含金属织物的防护服应用了静电屏蔽，故C正确； D．图丁：科技馆中起电机使人体的头发竖起来应用了头发上面带同种电荷而相互排斥，故D错误。故选C。 2．如图所示是闪电击中一高塔的画面，高塔的尖顶是一避雷针，雷雨天气时，底端带负电的云层经过避雷针上方时，避雷针尖端放电形成瞬间强电流，乌云所带的负电荷经避雷针导入大地，在此过程中，下列说法正确的是（　　） A．云层靠近避雷针时，针尖感应出负电荷 B．避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施 C．越靠近避雷针尖端，电场强度越小 D．为了美观，通常把避雷针顶端设计成球形 【答案】B 【详解】A．根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，可知云层靠近避雷针时，针尖感应出正电荷，故A错误； BD．避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施，不能把避雷针顶端设计成球形，故B正确，D错误； C．由于电荷更容易集中到尖端，从而避雷针尖端附近的电场强度比避雷针底端附近的电场强度大，故C错误。故选B。 3．2025年4月9日，深圳国际洁净室技术及防静电展览会召开，旨在促进洁净室工程行业新产品、新技术、新材料、新工艺及新装备的推广应用与经贸交流。关于静电的防止与利用，下列说法正确的是（　　） A．常见的静电防止有静电除尘、静电喷涂等 B．优质话筒线的外层包裹着金属编织层，利用了静电屏蔽的原理 C．高大建筑物顶端装上避雷针阻碍电荷导入大地，从而避免建筑物被雷电击坏 D．复印机是一种进行文字复印的设备，其工作原理和静电现象无关 【答案】B 【详解】A．静电除尘、静电喷涂等属于静电利用，选项A错误； B．优质话筒线的外层包裹着金属编织层，是利用静电屏蔽原理屏蔽外部干扰，实现保真信号传输，选项B正确； C．下雨时，一般会有雷电，如果在高大建筑物顶端装上避雷针，通过避雷针与大地相连，就能及时把电荷导入大地，从而避免建筑物被雷电击坏，如果没有安装会有危险，选项C错误； D．复印机是一种利用静电技术进行文字复印的设备，是利用异种电荷间的吸引力来工作的，属于静电的利用，选项D错误。故选B。 4．如图，将带负电的导体球M靠近（不接触）不带电的导体N。若沿虚线1将导体N分成A、B两部分，这两部分所带电荷量分别为QA、QB ；若沿虚线2将导体N平分成两部分，这两部分所带电荷量分别为和。下列说法正确的是（    ） A．， B．和带正电，和带负电 C．在导体球M的作用下，导体N中的带正电的离子向B端移动，使B带上正电 D．在导体球M的作用下，导体N中的自由电子向A端移动，使A带上负电 【答案】D 【详解】A．由于导体不带电，因此无论沿虚线1还是沿虚线2将导体分开，左右两部分所带电荷量总是相等的，即，，故A错误； B．由于同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，则和带负电，和带正电，故B错误； CD．导体中只有自由电子能够移动，则自由电子受到向左的电场力向A端移动，使A带上负电，B带上正电，故C错误；D正确。故选D。 5．如图所示，在原来不带电的空心金属球壳外面放置一个正电荷。A、B、C三点分别位于球壳外部、球壳实体中和球壳空腔内。当球壳处于静电平衡状态时，A、B、C三点处的电场强度分别为EA、EB和EC，下列判断正确的是（　　） A．EA>EB>EC B．EA>EB=EC C．EA=EB=EC D．EA>EC>EB 【答案】B 【详解】由于静电平衡球壳实体中和球壳空腔内，场强处处为0，故A、B、C三点处的场强关系为EA>EB=EC，故选B。 6．如图所示，长为 l的金属杆原来不带电，在距其右端 d处放一个电荷量为的点电荷， k为静电力常量.则（　　） A．金属杆中点处的电场强度不为零 B．金属杆上的感应电荷产生的电场强度方向向左 C．金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的电场强度大小为 D．金属杆上的感应电荷产生的电场强度与该处到点电荷的距离无关 【答案】C 【详解】A．金属杆达到静电平衡后，杆内场强处处为零，故A错误； BCD．金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的场强与一带电量为q的点电荷在该处产生的电场强度大小相等，大小为方向相反，正点电荷在该点产生的电场强度方向向左，故金属杆上的感应电荷产生的电场强度方向向右，且金属杆上的感应电荷产生的电场强度与该处到点电荷的距离有关，故BD错误，C正确。故选C。 7．如图所示，不带电的半径为r的空心金属球放在绝缘支架上，右侧放一个电荷量为+Q的点电荷，点电荷到金属球球心的距离为3r，达到静电平衡后，下列说法正确的是（　　） A．金属球的左侧感应出负电荷，右侧感应出正电荷 B．点电荷Q在金属球内产生的电场的场强处处为零 C．若用导线连接球的左右两侧，球两侧都不带电 D．感应电荷在金属球球心处产生的电场强度大小为 【答案】D 【详解】A．金属球发生静电感应，靠近点电荷的一侧带异种电荷，远离的一侧带同种电荷，所以金属球的右侧感应出负电荷，左侧感应出正电荷，A错误； B．静电平衡的导体内部场强处处为零，所以是点电荷和感应电荷在金属球内产生的合场强为零，B错误； C．用导线连接球的左右两侧，由于静电感应现象，球依然左侧感应出正电荷，右侧感应出负电荷，C错误； D．静电平衡的导体内部场强处处为零，点电荷在球心处产生的场强大小为所以感应电荷在金属球球心处产生的电场强度大小也为方向与点电荷产生的场强方向相反，D正确。故选D。 8．如图所示，高压静电防护服接地，O为防护服内的一点，把一带电量为Q的金属小球移动到距离O点的r处。金属小球可视为点电荷，静电力常量为k，取大地电势为0，下列说法正确的是（　　） A．高压静电防护服应采用绝缘性能特别好的绝缘材料制作 B．感应电荷在O点处产生的场强大小等于，方向由O指向金属小球 C．高压静电防护服外表面场强处处为零 D．高压静电防护服左侧外表面带负电，电势小于0 【答案】B 【详解】A．高压静电防护服是内部有用金属丝织成的金属网，金属导电性好，对外部电场能起到屏蔽作用。故A错误； B．由场强叠加原理可知感应电荷场强方向与金属小球产生的场强方向相反，由O指向金属小球。故B正确； C．高压静电防护服内部电场强度处处为零，电荷分布在外表面上，表面处的场强不等于0。故C错误； D．由于防护服接地，应为左侧外表面带负电，大地无限远处带正电（防护服与大地连成一无限大导体），所以右侧不带电，防护服与大地相连，所以防护服上各点电势为0。故D错误。故选B。 9．如图所示，将一锥形导体放入电荷量为Q的负点电荷电场中，导体内有A、B两点，A点到电荷的距离为d，则（　　） A．A点电场强度比B点大 B．锥形导体右端带负电 C．导体表面的感应电荷在A点产生的电场强度大小为 D．图中所示两条实线1和2能正确表示锥形导体周围的电场线 【答案】C 【详解】A．达到静电平衡时，导体内部各点场强均为零，可知A点的电场强度等于B点的电场强度，A错误； B．根据静电感应的原理可知，锥形导体的右端应感应异种电荷，故带正电，B错误； C．根据静电平衡可知，导体内部合场强为零，则有，方向由A指向点电荷，故感应电荷在A点产生的场强大小与点电荷在A点形成的电场强度大小相等，方向相反，即，C正确； D．导体表面为等势面，而电场线垂直于等势面，而沿电场线的方向电势降低，即按电场线A点电势高于B点电势，因此图中所示两条实线1和2来表示锥形导体周围的电场线肯定是错误的，D错误。故选C。 10．如图所示，放在绝缘台上的金属网罩B内放有一个不带电的验电器C，若把一带正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则（　　）    A．金属罩B的内表面带正电荷 B．验电器C的金属箔片将张开 C．金属罩B的右侧外表面带正电荷 D．若将B接地，验电器的金属箔片将张开 【答案】C 【详解】A．金属罩B处于静电平衡状态，电荷分布在其外表面上，故A错误； B．由于静电屏蔽，金属网罩内电场强度为零，所以验电器C上无感应电荷，所以验电器的金属箔片不会张开，故B错误； C．由于静电感应，使金属罩B的左侧外表面感应出负电荷，所以金属罩B的右侧外表面感应出正电荷，故C正确； D．将B接地，金属罩仍然处于静电屏蔽，所以验电器C无感应电荷，金属箔片不会张开，故D错误。故选 C 。 11．（多选）如图是某款家用空气净化器及其原理示意图，污浊空气通过过滤网后尘埃带电。图中充电极b、d接电源正极，集尘极a、c、e接电源负极（接地）。以下说法正确的是（    ） A．通过过滤网后空气中的尘埃带正电 B．两个电极之间的电场方向竖直向下 C．尘埃在被吸附到集尘极e的过程中动能增大 D．尘埃被吸附到集尘极的过程中所受电场力做负功 【答案】AC 【详解】A．尘埃经过过滤网后被负极吸引，所以尘埃带正电，故A正确； B．电场线从正极板指向负极板，d是正极板，c是负极板，所以电场线方向由d指向c，方向向上，故B错误； C．尘埃带正电，尘埃在被吸附到集尘极e的过程中，电场力做正功，尘埃动能增大，故C正确； D．尘埃带正电，受力方向与电场线方向相同，故吸附到集尘极的过程中，电场力做正功，故D错误。故选AC。 12．（多选）如图所示，导体球A与导体球壳B同心，原来都不带电，也不接地，设M、N两点的场强大小为EM和EN，下列说法中正确的是（     ） A．若使A带电，则EM≠0，EN=0 B．若使B带电，则EM=0，EN≠0 C．若使A球带电，B球接地，则EM=0，EN=0 D．若使A球带电，B球接地，则EM≠0，EN=0 【答案】BD 【详解】A．如果A带电，则会感应B内部带异种电荷，外部电性与A相同，那么EM≠0，EN≠0故A错误； B．如果B带电，由于同种电荷的排斥，电荷只分布在外表面E内=0，因此EM=0，而EN≠0故B正确； CD．如使A球带电，B球接地，是接地屏蔽，外部无电场，内部有电场，即EM≠0，EN=0故C错误，D正确。故选BD。 13．（多选）如图所示，用金属网将原来不带电的验电器罩起来，金属网接地（图中未画出），将带正电的金属球靠近验电器，图中a、b两点和金属球的球心在同一直线上，c点在金属网内，则下列说法正确的是（　　）    A．验电器内的箔片张开 B．若将金属网内部与验电器相连，则验电器内的箔片不张开 C．a点的电场强度一定大于c点的电场强度 D．b点的电场强度一定小于c点的电场强度 【答案】BC 【详解】A．由静电屏蔽可知，金属网内部的电场强度处处为零，金属网内部不带电，验电器内的箔片不张开故A错误； B．根据上述，由于静电屏蔽，金属网内部的电场强度处处为零，金属网内部不带电，可知若将金属网内部与验电器相连，则验电器内的箔片不张开，故B正确； CD．由于金属网内部的电场强度处处为零，因此a，b两点的电场强度都一定大于c点的电场强度，故C正确，D错误。故选BC。 14．（多选）如图所示，验电器A不带电，验电器B上装有带孔的空心金属球C，金属球C带电。D是带有绝缘手柄的金属小球，可以从C上方的小孔进入其内部。下列说法正确的是（　　）    A．图甲中，使D跟C的外部接触，再让D跟A靠近时，A的箔片张开 B．图甲中，使D跟C的外部接触，再让D跟A接触时，A的箔片不张开 C．图乙中，使D跟C的内部接触，再让D跟A靠得更近些，A的箔片张开 D．图乙中，使D跟C的内部接触，再让D跟A接触，重复多次，A的箔片也不张开 【答案】AD 【详解】A．空腔导体带电时净电荷分布于金属球外侧，内部不带电，故让D先接触金属球C的外部，则D带上电荷，再让D跟A靠近时，由于发生静电感应，A的箔片张开，故A正确； B．让D先接触金属球C的外部，则D带上电荷，再让D跟A接触时，A的箔片张开，故B错误； C．让不带电的D先跟C的内部接触，因为C的内部不带电，所以D始终不带电，再让D跟A靠得更近些，A的箔片始终不张开，故C错误； D．让不带电的D先跟C的内部接触，因为C的内部不带电，所以D始终不带电，再让D跟A接触，A的箔片始终不张开，故D正确。故选AD。 15．（多选）如图所示，一个不带电的导体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，是导体P左、右两端内的点，则下列说法正确的是（　　） A．右端的感应电荷正电荷 B．导体内场强越来越大 C．感应电荷在C点产生的场强始终大于在B点产生的场强 D．用手摸一下导体P的左端可使导体P带正电 【答案】AC 【详解】A．导体P处在带正电的小球Q产生的电场中，由于静电感应，导体的右端感应出正电荷，导体的左端感应出负电荷，故A正确； B．处于静电平衡状态的导体内场强为0，故B错误； C．C点和B点的场强等于导体上的感应电荷和带正电的小球Q产生的场强的叠加，并且为0，带正电的小球Q在C点产生的场强大于在B点产生的场强，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C正确； D．用手摸导体P的左端时，相当于用导线将导体P与大地相连，因静电感应，电子流入导体P，最终导体P带负电，故D错误。故选AC。 板 书 设 计 第4节 静电的防止与利用 一、静电平衡 1.内部 2.表面⟂表面 二、尖端放电 1.导体表面，越尖锐，电荷的密度越大 2.利用与防止 三、静电屏蔽 1.感应电荷→ 2.法拉第笼 实例：高压作业服、屏蔽线 四、静电吸附 1.静电除尘 2.静电喷漆 3.静电复印 课 堂 小 结 作 业 布 置 1. 完成课后作业：“练习与应用” 2. 配套同步作业 教 学 反 思 课堂设计紧凑，生活导入吸引眼球，尖端放电演示让学生积极互动，动手描绘电场线激发科学探究兴趣，教学目标基本达成，课堂氛围融洽。 但实验分组指导略少，少数学生未捕捉到 要点，今后应适当放慢节奏，增加分层提示并引导记录，以提高学生的观察与思辨水平。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$