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第9章 静电场及及其应用
第4节 静电的防止与利用
教学内容分析
《静电的防止与利用》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修3模块中“静电场”主题下的内容，内容要求为：了解生产生活中关于静电的利用与防护。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。
本节课是静电感应现象的具体应用，重要内容是静电平衡状态下导体的特点及静电在生产生活中的应用与防护，是前面所学内容的综合及拓展，涉及静电平衡、静电屏蔽、尖端放电等，内容抽象。本节与生产生活、科技进步、社会发展密切相关，能培养学生观察和解释自然、解决简单实际问题的能力。
学情分析
学生已对摩擦起电、感应起电及电荷间的作用有所掌握，知道电场是一种物质，会用电场强度表示电场的强弱及方向。学生抽象思维能力不是非常强，静电平衡状态下导体特点的微观解释是学习的难点。高中生有自主学习的能力，能以生活中的实例为背景，独立思考、分析问题，在学习中需要增强研究意识，在探究、学习过程中感受物理知识来源于生活，又服务于生活。
教学目标
1 学生能用原子结构模型，分析静电场中实心导体内自由电荷的受力及运动情况，概括处静电平衡状态下导体的特征，建构物理模型。
2 学生通过静电除尘等静电现象的应用的资料收集及理论分析，从物理学视角正确描述和解释与静电有关的自然现象，综合应用物理知识解决静电的应用与防护问题，培养可持续发展的责任感。
3 学生通过自制学具进行实验探究，观察，分析总结出带电导体电荷分布的特点。通过探究式学习过程，加强学生间的交流与合作，提高科学探究素养。
教学重难点
教学重点：理解静电平衡的特征，认识导体的电荷分布特点
教学难点：静电平衡的特征
教学方法：讲授法、启发式教学、演示教学
教学过程
新课引入
学生观看视频后，教师提出问题：为什么实验员没有受到电击的伤害？
设计意图：通过震撼的科技实验视频，调动学生学习热情和好奇心。
新课教学
1.静电平衡
教师展示感应起电图片，复习相关内容。
问题1：导体左端带哪种电荷？右端带哪种电荷？
问题2：导体两端是如何带等量异种电荷的？
生：金属导体内有大量自由电子，正电荷靠近导体，自由电子受正电荷吸引力，向右端移动，右端带负电，左端带正电。
师：空间中一匀强电场E0，将导体板置于该电场中。电子受电场力向左移动，左端感应出负电荷，右端感应出正电荷。
（教师用PPT动画模拟电子运动）
问题3：感应电荷在空间激发电场吗？方向如何？
生：感应电荷激发电场，电场强度方向水平向左。
问题4：如何求导体内的电场强度？
生：E=E0-E感。
问题5：导体内的自由电荷始终定向移动吗？
生：当电子受到的合力为零，即导体内电场强度为零时，电子不再定向移动，导体达到静电平衡状态。
归纳总结：
静电平衡状态：导体内部和表面都没有电荷定向移动的状态。
导体处于静电平衡状态，内部场强处处为零，即E感=E0，方向相反。
2.尖端放电
教师安排学生阅读教材“尖端放电”部分，思考如下问题。
问题1：感应电荷的分布有何特点？感应电荷是均匀分布吗？
问题2：尖端附近空间电场强度较大，对空气中的正、负离子有何影响？
问题3：什么是电离？
问题4：尖端放电是如何形成的？
教师活动：教师结合PPT模拟动画介绍尖端放电过程。
尖端放电过程
导体尖端电荷密度大，附近电场特别强，使空气中的带电粒子加速运动，获得能量.带电粒子与空气中的中性分子碰撞，使空气分子中的正负电荷分离，发生电离.新产生的正、负离子在电场作用下运动，与空气分子碰撞，产生更多的正、负离子.与尖端带异号电荷的离子将向尖端运动，与尖端电荷中和，相当于尖端失去电荷，被称为尖端放电.
应用：避雷针。
播放避雷针模拟实验视频。
师：避雷针“避雷”的原理是什么？
生：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，使得空气中的带电粒子与空气中的异号电荷中和，避免建筑物遭受雷击.
3.静电屏蔽
问题：将一个带空腔导体置于静电场中，导体电荷分布有何特点？导体中的电场强度是多大？
教师展示带空腔导体置于匀强电场中，达到静电平衡后的电场线分布。
问题1：导体达到静电平衡后，电荷分布有何特点？
（电荷只分布在导体外表面，导体内表面无电荷。）
问题2：导体壳壁的电场强度是多少？为什么？
（导体壳壁电场强度为零，感应电荷激发的电场与外电场在导体壳壁的合电场强度为零。）
问题3：导体空腔的电场强度是多少？为什么？
（电场线只在空腔外面，不能进入壳壁和空腔，故空腔电场强度为零。）
问题4：若用空腔将仪器罩住，外界电场会影响仪器吗？
演示实验 静电屏蔽
罩上金属网后金属箔不张开
问题5：你能解释实验操作员为何不会受到电击伤害吗？金属网衣的作用是什么？
（金属网衣内部电场强度始终为零，人处于电场为零的空间，不会受到外界电击作用.）
4.静电吸附
教师活动：投影烟囱释放黑烟照片.
师：随着工业发展，环境问题逐步引起人们重视。工厂排放的烟气严重污染环境，其中很多颗粒仍然具有一定价值。如果能将其回收，可节约成本，减少对大气污染。人们利用带电粒子受到静电力作用，设计制作静电除尘装置，在生产中得到广泛应用。请同学们阅读教材21页“静电除尘”内容，并思考这两个问题。（投影问题）
问题1：静电除尘器由哪些部分构成？
（静电除尘器由板状收集器A和线状电离器B组成。A接几千伏高压电压正极，B接高压电源负极）
问题2：静电除尘的过程是怎样的？
（电离器B和收集器A存在很强的电场，电离器B附近的空气分子被电离，产生大量正离子和电子。正离子运动到电离器B上，得到电子，成为分子。电子向A运动，与粉尘结合，使粉尘带负电，粉尘被吸附到收集器A上，在重力作用下落入漏洞中。）
教师用PPT动画模拟静电除尘过程。
气体电离→粉尘荷电→荷电粉尘运动到电极→粉尘收集
教师播放视频“不起眼的静电”，通过观看科普视频学习静电除尘器原理.
课堂小结
学完本节课： 1.你收获了哪些知识？
2.关于本节内容，还有哪些困惑？
作业：教材23页第4、5、6题
板书设计
§4 静电的防止与利用
静电平衡
静电平衡状态：自由电子不发生定向移动
内部电场强度处处为零，E=0
尖端放电
电离
避雷针原理
三、静电屏蔽
四、静电吸附
教学反思
本节是电场知识的应用，通过静电平衡、避雷针、静电屏蔽和静电吸附内容的介绍，让学生认识物理知识在生产生活的重要应用，加深电场知识的理解。教材静电屏蔽部分指出带空腔导体达到静电平衡后，电荷分布在导体外表面，内表面没有电荷，没有给出原因。待学完电势知识后，处于静电平衡的导体是个等势体，若内表面分布有电荷，则可以画出电场线，电场线从内表面出发，终止于内表面另一位置，这样导体表面电势不等，矛盾，可用反证法证明内表面无电荷。此处无法讲清这个问题，延后给学生讲解。
本节基本上是定性理解内容，要注重学生的物理原理理解，教学时要发挥学生的主体地位，由教师全部讲解的效果不好，建议设置问题，让学生阅读教材文本，回答问题，理解物理原理。6
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