9.4静电的防止与利用-2026-2027学年高中物理必修第三册

该高中物理教学设计聚焦静电平衡、尖端放电、静电屏蔽及静电吸附核心知识点，以加油站静电释放器问题导入，结合多媒体展示静电现象视频、图片、动画，从生活现象出发，通过静电感应分析静电平衡形成过程，搭建从现象到原理再到应用的学习支架。 此资料以实验为特色，通过尖端放电吹蜡烛、金属网罩验电器等演示实验强化科学探究，引导学生构建金属导体微观模型培养科学思维，结合避雷针、静电除尘等应用落实科学态度与责任，助力学生提升直观认知和应用能力，为教师提供清晰教学流程与实验指导。

高中物理必修三第九章第四节 静电的防止与利用 教材分析 1、课标要求 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。 2、 地位与作用 本节内容是在学习了静电场中力的性质之后，继续学习静电在生活、生产中的应用。这些内容不仅可以开阔学生的视野，同时也能让学生体会到物理与生活、生产的联系，关注科学 ·技术 ·社会 ·环境的关系。 3、 教学内容安排 教科书从生活中静电的防止入手，提出问题，接着讲述静电平衡概念，以及尖端放电与静电屏蔽实验与现象、静电吸附现象。 教学目标 (1)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电场强度处处为0。 (2)了解尖端放电、静电屏蔽现象，了解静电的防止的原理。 (3)知道静电吸附原理，了解静电吸附在静电除尘等技术中的应用。 (4)关注生活、生产中的静电现象，体会物理学与生产和生活的紧密联系。 教学重难点 教学重点：理解静电平衡的概念及特征（第一，平衡是重要的跨学科概念，具有丰富的内 涵，在不同主题下具有不同的含义，并且可以跨领域迁移。第二，静电平衡是受力平衡与叠加原 理的应用。第三，静电平衡是解释尖端放电、静电屏蔽的理论基础。） 教学难点：应用静电平衡知识认识导体的电荷分布特点、尖端放电现象、静电屏蔽现象。 如何突破重难点： 由于本节内容较为抽象，涉及的知识面较广，学生又缺乏必要的感性认识，头脑中不易建立合理的物理模型，多数学生平时很少注意发现、观察生活中的一些静电现象及其本质规律，所以，做好实验是关键。精心设计好实验让学生有更直观、更深刻的感性体验，加强师生互动，使学生感受到物理就在生活中。通过创设情景、帮助学生构建模型、引导其不断修正模型，以强化相互作用观念，促进科学论证等能力的发展。 教学中可以让学生再举出一些人们日常生活和生产中涉及到的静电现象的应用，知道哪些静电现象是有益的，哪些是有害的，以及如何应用和防止，从而将物理知识转化为物理能力，特别是应用物理知识解决实际问题的能力。教学中应注意落实这些内容对培养科学态度与责任等物理核心素养的价值。 教学过程设计 问题导入： 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。 在加油站给车加油前，为什么要触摸一下静电释放器？（引导学生关注物理知识在生产与生活中的应用，很好地调动了学生学习的积极性和主动性，以促进学生养成认真观察与思考身边与物理有关的现象的习惯。） 怎么教： 利用多媒体让学生观察一些关于静电现象的视频、图片、动画，例如静电除尘、飞机落地前与地面间产生的火花、手接触金属门把手时的“电击”现象等。 为什么这么教： 丰富物理课堂教学，提高学习兴趣。 知识点一：静电平衡 情景1：把一个不带电的金属导体ABCD 放到电场强度为 E0的电场中。 ①金属导体的微观结构如何? ②放入静电场中，自由电子怎样移动?（会在电场力的作用下向AB侧移动。） ③自由电子会在什么地方积聚?（由于静电感应，在导体 AB侧的平面上将感应出负电荷，电子在AB侧聚集， 在 CD 侧的平面上将感应出正电荷） ④电子的积聚会出现怎样的结果?对电场有何影响？（导体两侧出现的正、负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 ′，这两个电场叠加，使导体内部的电场减弱。） ⑤最终会出现怎样的现象?（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，注意：此时自由电子仍在做无规则的热运动；而不是静止。） 这时我们说，导体达到静电平衡状态。处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0（E0 =E ′，方向相反。） 怎么教：从静电感应入手认识静电平衡。金属导体放在电场中，达到静电平衡状态是一个非常快的过程，但是对这一过程的分析却十分重要。要带领学生共同讨论这一过程，重点强调金属模型的特点，从运动和力的关系角度进行分析，得出自由电子不再定向移动的条件。教师可以利用板画或动画展示平衡的过程，强化导体内部电场的叠加。引导学生利用反证法推理论证：处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为0。解释前面第一节所学的感应起电的原理。 知识点二：尖端放电 静电平衡时，导体内部没有净剩电荷(不是指导体内部完全没有电荷，而是指导体内部处处没有未抵消的净剩电荷），电荷只分布在导体的外表面。并且在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度（单位面积的电荷量）越大，周围的电场强度越大。 补充： 一头大一头小的导体的电场线分布图,从图中可知尖端位置的电荷密度比较大。由于电场线是从正电荷出发终止于负电荷的，电荷密度大的地方电场线必定密集，尖端附近的电场强度很大。 空气的电离：在一定条件下，导体尖端周围的强电场足以使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动，并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷分离。 尖端放电原理：导体尖端的电荷密度大，附近的电场强度大；空气中的气体分子在强电场作 用下发生电离，导体尖端带的电荷与空气中异种电荷发生中和现象，使导体尖端的电荷减少，这 相当于导体从尖端失去电荷。 补充演示尖端放电吹蜡烛实验。介绍生活中的其他应用，如煤气灶点火器、汽车的启动装置等。 避雷针的结构：将尖锐的金属棒安装在建筑物的顶端，用粗导线与埋在地下的金属板连接，保持与大地的良好接触，就成为避雷针。 避雷针如何避雷：当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反的电荷。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，达到避免雷击的目的。 避雷针的作用：第一，不是避免发生雷电，反而是把雷电引到自身，“避雷” 可理解为避免避雷针附近的物体受到雷电的危害。第二，可以避免火花放电。 避雷针是尖端放电的应用。避雷的关键是良好接地。做静电实验时，带电导体与大地之间的 电压可能会很高，如果导体表面有毛刺，也会发生尖端放电，所以，实验中带电金属球表面都要 十分光滑。高压设备中导体表面要尽量光滑也是这个道理。 夜间高压线周围有时会出现一层绿色光晕，俗称电晕，这是一种微弱的放电现象。 怎么教：可以通过有避雷针和没有避雷针的情况进行对比教学 知识点三：静电屏蔽 教学中可以先演示实验（有条件的老师可以用辉光球以及节能灯进行现场演示），然后组织学生通过观察现象、发现问题，积极主动地去探索，尝试构建静电平衡模型解释现象。 提问：为什么用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，箔片就不张开了呢？（有的学生猜想到是金属网的特殊作用。有的学 生怀疑金属网可以像金属块那样静电平衡，因为金属网有孔洞。） 教师引导学生从金属网的金属原子模型结构出发，分析金属网中自由电子受外部 电场的作用力方向。学生画出网罩外部的电场线、感应电荷的分布、感应电场方向，并解释网罩 内部的电场强度为0。 教师补充演示用金属网罩住的收音机或手机不能接收信号。 我们讨论带空腔的导体（图 9.4-4）。静电平衡时（理论分析时应该突出场的叠加。)，内表面没有电荷，导体壳壁 W内的电场强度为 0，即电场线只能在空腔C之外，不会进入空腔之内。所以导体壳内空腔里的电场强度也处处为0。也就是说，无论导体外部电场是什么样的，导体内部都不会有电场。(“静电屏蔽”不是使外界电场无法进入导体内部。外电场仍然进入了导体内部，只是被感应电荷产生的电场抵消，使内部不受外电场的影响。) 把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，但由于壳内电场强度保持为 0 ，外电场对壳内的仪器不会产生影响。金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。 演示实验以及理论分析，都是把外部的电场屏蔽起来不让它影响内部的情景。静电屏蔽还有另一种情景，就是把带电体的电场屏蔽起来不让它影响外部。使用这种方法时，外壳必须接地。 静电屏蔽的应用： 实现静电屏蔽不一定要用密封的金属容器，金属网也能起到屏蔽作用。野外高压输电线受到雷击的可能性很大，所以在三条输电线上方还有两条导线，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（图9.4-6），使其免遭雷击。屏蔽服 静电的危害可能随时发生。例如，医院手术台上，静电火花有可能引起麻醉剂爆炸；煤矿里，静电火花会引起瓦斯爆炸……因此，静电的危害必须引起人们的警惕。 知识点四：静电吸附（静电利用的实例） 静电虽然会有危害，但也可以利用。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。（为提高教学效果，建议教师尽量提供一些演示实验。） 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。 如图9.4-8，静电除尘器由板状收集器A（与正极相连）和线状电离器B（与电源负极相连）组成（问：此时两板间有没有电场？有。想用板状收集器A收集尘埃，尘埃进入装置前不带电，如何使尘埃带上电？将空气分子电离，带什么电可以被收集器A收集？负电，那A接高压还是低压电源？）。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更容易被电离，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，除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘。 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。 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。复印机复印的工作过程如图9.4-9所示。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $