9.4 静电的防止与利用 教学设计 -2026-2027学年高二上学期物理人教版必修第三册

该高中物理教学设计聚焦静电平衡、尖端放电、静电屏蔽及静电的利用与防止等核心知识点，通过加油站静电释放器、油罐车拖铁链情境导入，衔接电场强度和静电感应知识，构建“现象→原理→应用”的学习支架。 特色在于以核心素养为导向，通过金属网罩验电器演示实验（科学探究）、“感应电荷抵消原电场”推理链（科学思维），结合避雷针、静电除尘等实例（物理观念），培养学生解释实际问题的能力。结构清晰，重点突出，助力教师高效教学，提升学生科学态度与责任。

教学设计 课程名称 静电的防止与利用 教师姓名 授课时长 40分钟 知识点来源 学科：物理　　年级：高二　　教材版本：人教版（2019）必修第三册 课题：第九章　静电场及其应用　第4节　静电的防止与利用 知识点描述 静电平衡：导体放入电场中发生静电感应，自由电子定向移动，直到导体内部各点场强为0、自由电子不再定向移动；处于静电平衡状态的导体内部场强处处为0。 电荷分布：静电平衡时导体内部无净剩电荷，电荷只分布在外表面，且越尖锐的位置电荷面密度越大、周围场强越大。 尖端放电与空气电离：导体尖端周围强电场使空气电离，带电粒子奔向尖端与尖端电荷中和，相当于尖端失去电荷；避雷针、高压设备表面光滑等是尖端放电的利用与防止。 静电屏蔽：空腔导体（或金属网）达到静电平衡后，内部场强为0，外电场对腔内仪器不产生影响，可用于屏蔽电场（如高压线屏蔽、话筒线屏蔽）。 静电的利用：静电除尘、静电喷漆、静电复印等利用带电粒子在电场中受静电力被电极吸附的原理。 静电的危害与防止：油库、煤矿、印刷、制药等场所防止静电积累，如接地、加静电释放器、增加空气湿度等。 教学目标（指向核心素养） 一、物理观念 1.理解静电平衡状态及其条件，知道静电平衡导体内部场强为零、电荷分布在外表面。 2.了解尖端放电、静电屏蔽的机理，形成“静电既可造成危害也可被利用”的辩证观念。 二、科学思维 1.经历“感应电荷→内部场强抵消→静电平衡”的分析推理，体会用叠加原理分析场的思路。 2.能运用静电平衡与电场线知识解释避雷针、静电除尘、屏蔽等实际问题，发展科学论证能力。 三、科学探究 1.经历“用金属网罩住验电器看箔片是否张开”的演示实验，学习对比实验与归纳推理的方法。 2.观察尖端放电、静电除尘等现象，尝试提出可探究的问题并作出合理解释。 四、科学态度与责任 1.结合加油站静电释放、超高压带电作业等情境，树立安全用电、防范静电危害的责任意识。 2.体会“化害为利”的技术思想，关注静电复印、静电除尘等技术的应用价值。 教学重点 静电平衡条件（内部场强为0、电荷在外表面）；尖端放电与静电屏蔽的原理及在技术中的应用。 教学难点 理解静电平衡的建立过程及“内部场强处处为0”的原因；对尖端放电、屏蔽等复杂现象进行微观解释。 适用对象 高二年级学生（人教版2019·必修第三册） 课型 （注：可选择如下选项，也可以补充填写） √新授课　□复习课　□习题课　□实验课　□其他 教学用途 （注：可选择如下选项，也可以补充填写） √课堂教学　□课前预习　□课后复习　□其他 设计思路 教材与学情：学生已具备电场强度、静电感应知识，本节内容联系生产生活实际，适合用问题探究组织教学。 设计主线：加油站释电引入→静电平衡→尖端放电→静电屏蔽→静电吸附利用与防护，全程40分钟。 难点突破：用“金属网罩验电器”演示实验与“电场线进不了空腔”的推理帮助学生理解屏蔽本质。 反馈矫正：围绕“为什么高压线要用光滑表面”“为什么油罐车要拖铁链”等生活问题检测理解程度。 教 学 过 程 环节 内 容 设计意图 一、导入新课 （约4分钟） 【情境引入】播放（或模拟）加油站加油前触摸静电释放器、油罐车后拖铁链的画面，提问：为什么要这样做？ 【设问】静电看不见摸不着，却既能引起火灾爆炸，又能用于除尘复印，人们是如何“管住”它的？——引出课题。 以“危险静电”的现实问题切入，明确本节要弄清静电平衡与防护利用的基本原理。 二、新课教学（一） （约13分钟） 1.静电平衡的建立：导体放入电场中，感应电荷产生反向场，叠加使内部场强减弱，直至内部场强处处为0（图9.4-1）。 2.静电平衡的特点：内部无净剩电荷、场强为0；电荷只分布在外表面；表面越尖锐处电荷越密、场强越大。 3.空气电离：尖端附近强电场使空气分子电离为正、负离子，异号电荷奔向尖端中和，形成尖端放电（图9.4-2）。 4.应用与防止：避雷针利用尖端放电避免雷击（图9.4-3）；高压设备表面尽量光滑、高压线周围出现“电晕”，是为了防止放电造成电能损失。 5.讨论：为什么燃气灶电子点火器要做成钉尖形，而验电器金属杆上端要做成圆球？ 图9.4-1 静电场中的导体 图9.4-2 尖端放电 以“感应→抵消→平衡”的因果链突破静电平衡，再以“电荷越尖越密”自然过渡到尖端放电。 三、新课教学（二） （约13分钟） 1.提出问题：带空腔的导体处于电场中，电荷如何分布？腔内有没有电场？ 2.推理分析：静电平衡时空腔导体内表面无电荷，电场线不能进入空腔，腔内场强为0。 3.演示实验：带电金属球靠近验电器，箔片张开；用金属网罩住验电器后靠近，箔片不张开（图9.4-5），说明金属网也能屏蔽电场。 4.静电屏蔽的应用：高压线上方设接地避雷线（图9.4-6）、优质话筒线用金属网屏蔽干扰信号。 5.静电的利用：静电除尘器（图9.4-8）、静电喷漆、静电复印，都是让尘埃或墨粉带电后受静电力吸附到电极上。 图9.4-5 静电屏蔽 图9.4-8 静电除尘原理 先推理后实验，用“金属网罩验电器”的对比实验直观呈现屏蔽现象，再落到静电吸附的技术应用。 四、巩固练习 （约6分钟） 1.解释：印刷厂纸张因摩擦带电而粘在一起，印染、制药中静电吸尘，可采取哪些措施？ 【答】这些现象都是静电（带电体吸引轻小物体）引起的，可采取的措施有：使车间空气保持适当湿度，让电荷及时转移；用导线把设备接地，把积累的电荷导入大地；安装静电消除器（离子风机）使空气电离中和电荷；选用不易产生静电的材料并控制摩擦速度。 2.分析：静电起电机“除尘魔术”（图9.4-10）中，锯条附近还是金属片附近场强更大？烟尘最终到哪里？ 【答】尖端（锯条）附近电场线最密、场强最大，空气在这里被电离，烟尘吸附电荷后随气流运动，最终被吸附到作为另一极的金属片上而沉积下来。 3.应用：超高压输电线旁带电作业的工人为什么穿含金属丝的屏蔽服（图9.4-11）？ 【答】屏蔽服用金属丝编织成网状导体，穿在身上相当于把一个导体壳（等势体）罩在人体外。带电作业时人体处于静电屏蔽状态，屏蔽服内部场强为零，人体几乎不带电、也没有电流流过，从而保证安全（同时起到均压、分流的作用）。 4.判断：话筒线采用什么构造防止干扰信号侵入？（观察图9.4-13后回答） 【答】话筒线在芯线外面包了一层金属屏蔽层，并把屏蔽层接地。外界干扰电场被金属层屏蔽，不能进入屏蔽层内部（静电屏蔽），干扰信号也就不能进入信号线。 5.综合：说明避雷针“引雷入地”与静电屏蔽“拒电场于门外”的区别与联系。 【答】联系：两者都依据静电平衡时导体的电荷分布规律，都要接地，也都与尖端放电有关。区别：避雷针是利用尖端放电把云层与建筑物之间积累的电荷通过导线安全地导入大地（引来——导入）；静电屏蔽是用导体壳把要保护的物体包围起来，使壳内场强为零，把外电场挡在外面（隔离——阻挡）。 图9.4-10 静电除尘小魔术 用贴近生活的实际问题检验学生能否把静电平衡原理迁移到具体情境，强化“学以致用”。 五、课堂小结与作业 （约4分钟） 1.知识主线：静电平衡（内部场强为0）→电荷分布在外表面→尖端放电→静电屏蔽→静电吸附利用。 2.方法提炼：用“内部场强叠加为零”统摄平衡、屏蔽问题；用“电荷在强电场中受力运动”统摄静电利用问题。 3.作业布置：完成教材“练习与应用”1～5题。 以“导体中的自由电荷如何动”串起全课，揭示静电平衡观点的核心地位。 课堂作业（举一反三·典型题5道） 题1．长为l的导体棒原来不带电并水平放置，现将一带电量为q的正点电荷放在距棒左端R处，如图所示，当达到静电平衡后棒内中点处的场强为零，则棒上感应电荷在棒内中点处产生的场强大小等于______，方向为水平向______。 题2．（多选）如图所示，在左边的绝缘支架上插上顶针（其顶端是尖的），在顶针上装上金属风针，若给风针附近的圆形金属板接上正高压极，风针接负高压极，风针尖端放电会使其旋转起来，下列说法中正确的是（　　） A．风针尖端附近的电场线分布较密 B．风针附近的空气在强电场下发生电离 C．空气中的阳离子会向风针的尖端运动 D．交换金属板与风针所带电荷电性，风针的尖端会有正电荷射出 题3．（多选）如图所示，用金属网把不带电的验电器罩起来，再使带电金属球靠近金属网，则下列说法正确的是（ ） A．箔片张开 B．箔片不张开 C．金属球带电电荷足够大时才会张开 D．金属网罩内部电场强度为零 题4．静电喷漆技术具有效率高、质量好等优点,其装置示意图如图所示,A、B为两块水平放置的平行金属板,间距d=1.0 m,两板间有方向竖直向上、电场强度大小E=1.0×103 N/C的匀强电场,在A板的中央放置一个安全接地的静电油漆喷枪P,油漆喷枪的半圆形喷嘴可向各个方向均匀地喷出初速度大小均为v0=1.0 m/s、质量均为m=5.0×10-14 kg、电荷量均为q=2.0×10-15 C的带负电的油漆微粒,不计微粒所受空气阻力及微粒间的相互作用,油漆微粒最后都落在金属板B上,重力加速度g=10 m/s2。下列说法中错误的是(　　)。 A.沿水平方向喷出的微粒运动到B板所需时间为0.2 s B.沿不同方向喷出的微粒,从喷出至到达B板,电场力做功为2.0×10-12 J C.若其他条件均不变,d增大为原来的2倍,喷涂面积增大为原来的2倍 D.若其他条件均不变,E增大为原来的2倍,喷涂面积减小为原来的 题5．（多选）如图为静电除尘器除尘机原理示意图，尘埃在电场中通过某种机制带电，在电场力的作用下向集尘极迁移并沉积，以达到除尘目的，下列表述正确的是(　　) A．到达集尘极的尘埃带正电荷 B．电场方向由集尘极指向放电极 C．带电尘埃所受电场力的方向与电场方向相同 D．同一位置带电荷量越多的尘埃所受电场力越大 参考答案 题1．          左 由静电感应现象可知，电量为q的正点电荷放在距棒左端R处，棒的左端感应出负电荷，右端感应出正电荷。由点电荷产生电场强度公式，可得+q在棒上中点P处产生场强大小 方向为水平向右； 由静电平衡原理可知，当达到静电平衡后棒内中点P处的合电场强度是零，棒上感应电荷在棒内中点P处产生的场强大小与带电量为+q的正点电荷在棒的中点P处产生的场强大小相等，方向相反， 棒上感应电荷在棒内中点P处产生的场强大小 方向为水平向左。 题2．ABC A．在导体外表面，越尖锐的位置电荷的密度越大，附近的电场越强，所以风针尖端附近的电场线分布较密，故A正确； B．风针附近的空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动，把空气中的气体分子撞“散”，也就是使分子中的正负电荷分离，即发生电离，故B正确； C．因为风针接负高压极，所以空气中的阳离子会向风针的尖端运动，故C正确； D．交换金属板与风针所带电荷电性，风针的尖端不会有正电荷射出，因为正电荷固定在金属原子核内，故D错误。 故选ABC。 题3．BD 静电屏蔽：为了避免外界电场对仪器设备的影响，或者为了避免电器设备的电场对外界的影响，用一个空腔导体把外电场遮住，使其内部不受影响，也不使电器设备对外界产生影响，故用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，箔片不张开．金属网罩内部电场强度为零；故BD正确、AC错误．故选BD． 点睛：静电屏蔽在我们生活中有许多应用．例如，遇到雷雨天，行进中的汽车要关闭所有车窗，就算车体遭到雷击，车内人员通常也不会受伤．电视闭路线芯外通常包有一层金属网和锡纸等等． 题4．沿水平方向喷出的微粒做类平抛运动,在竖直方向上,加速度a==50 m/s2,根据d=at2得t=0.2 s,故A项正确。沿不同方向喷出的微粒,从喷出至到达B板,电场力做功W=qEd=2.0×10-12 J,故B项正确。若其他条件均不变,d增大为原来的2倍,根据d=at2得,t变为原来的倍,则喷涂面积的半径变为原来的倍,面积变为原来的2倍,故C项正确。若其他条件均不变,E增大为原来的2倍,则加速度a'=90 m/s2,加速度变为原来的,时间t变为原来的,喷涂面积的半径变为原来的,面积减小为原来的,故D项错误。 D 题5．选BD　由题图所示可知，集尘极电势高，放电极电势低，放电极与集尘极间电场方向向左，即电场方向由集尘极指向放电极，尘埃在电场力的作用下向集尘极迁移，则知尘埃所受的电场力向右，故到达集尘极的尘埃带负电荷，故A错误，B正确。电场方向向左，带电尘埃所受电场力方向向右，带电尘埃所受电场力的方向与电场方向相反，故C错误。由F＝Eq可知，同一位置带电荷量越多的尘埃所受电场力越大，故D正确。 教学反思 1.学生易把“导体内部场强为0”误认为“导体不带电”，要强调这是感应电荷与原电场叠加的结果。 2.尖端放电与静电屏蔽的方向易混淆，可用“尖→放（让电荷跑掉）、壳→挡（不让电场进来）”帮助记忆。 3.静电除尘、复印等流程较复杂，教学时应抓住“带电粒子在电场中受力运动”这一共同本质。 8 学科网（北京）股份有限公司 $