思考金属导体的微观结构如何
材料学中的微观结构与力学问题
材料学中的微观结构与力学问题材料学是研究物质的性质、结构与应用的学科。
其中，微观结构是研究材料内部原子、分子以及其中的缺陷、晶体等结构特征；而力学问题则是研究材料在受力作用下的变形与破坏情况。
本文将探讨材料学中的微观结构与力学问题。
一、微观结构1.1 原子结构材料中的原子结构特征对材料的性质与应用有着重要的影响。
例如，金属材料中的原子结构呈现出一定的有序性，即晶体结构，而非晶体结构的材料则缺少这种有序性。
另外，材料中的缺陷，如空位、位错、晶界等也会对材料的性质造成显著影响。
1.2 晶体结构晶体结构是由晶体中原子的排列顺序组成的规则结构。
不同的材料具有不同的晶体结构，包括立方晶体、六方晶体、正交晶体等。
晶体结构的研究可通过X射线衍射、电子衍射等手段进行。
1.3 非晶体结构非晶体结构是指材料中没有规则的原子排列结构。
非晶体结构的材料通常被用作高强度材料、导体材料等。
二、力学问题2.1 变形材料受力作用下，会发生变形。
材料变形可分为弹性变形与塑性变形两种，前者是材料在受力作用下发生瞬时变形，力消失后能恢复原样；后者是材料在失去弹性后，会发生形变，不会恢复原来形状。
而材料的强度、韧性与延展性这些力学性质，都与材料的变形性质密切相关。
2.2 破坏材料在受到外界作用时，也可能发生破坏。
材料的破坏可能是由于材料中的缺陷、载荷超载等原因造成。
材料的破坏可分为静态破坏与疲劳破坏两种。
前者是指材料在静态载荷下无法承受，导致破坏；而后者是材料在经历大量应力变化后的破坏。
2.3 热膨胀材料还可能发生热膨胀现象。
材料在温度变化时，会发生形变。
而其热膨胀系数则是描述材料温度变化时发生变形程度的物理量。
热膨胀性能通常是材料设计与应用中需要考虑的一个重要因素。
总结材料学中的微观结构与力学问题是该学科的两个基本方面。
微观结构的研究可帮助我们了解材料的物理特性；而力学问题则涉及材料的力学特性。
两者互相促进，祥与和衷共济。
静电现象
4、静电平衡：导 静电平衡： 体中无电荷定向 移动的状态, 移动的状态,就叫 静电平衡状态. 静电平衡状态.
静电平衡
发生静电感应的导体， 发生静电感应的导体，当感应电荷产生的电 E`和原电场 在导体内叠加为零， 和原电场E 场E`和原电场E在导体内叠加为零，自由电子 表面的和内部的）都停止定向移动， （表面的和内部的）都停止定向移动，这时导 体所处的状态叫静电平衡状态。 体所处的状态叫静电平衡状态。
1．静电屏蔽 （1）空腔导体的特点 空腔导体能把外电场挡住， 空腔导体能把外电场挡住，空腔内没有 电场，空腔内不受外电场的影响。 电场，空腔内不受外电场的影响。 （2）静电屏蔽 导体壳（金属网罩） 导体壳（金属网罩）能保护它所包围的 区域，使这个区域不受外电场的影响， 区域，使这个区域不受外电场的影响， 这种现象叫做静电屏蔽。 这种现象叫做静电屏蔽。
－ － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － ＋ －E合=0 ＋ － ＋ － ＋ － ＋
E
E`
E
一、静电平衡的特点
1、处于静电平衡状态下的导体，内部的场 处于静电平衡状态下的导体， 强处处为零。 强处处为零。
2、处于静电平衡状态的整个导体是个 处于静电平衡状态的整个导体是个 等势体，它的表面是个等势面。 等势体，它的表面是个等势面。 3、导体外表面处场强方向必跟该点的 表面垂直 垂直。 表面垂直。
-
E0 -E' - E' - E' -
-
1、导体中自由电荷 在电场力作用下将发 生定向移动. 生定向移动.
2、 导体两端出现感应 电荷, 电荷,感应电荷在导体中 产生与原电场反向的感 应电场. 应电场.
-
E0
E'
静电现象的应用
以实验演示为主线，以问题教学引导学生探究——《静电现象的应用》教学设计浙江湖州练市中学 高银忠♦设计思想静电感应是电学内容的一个难点，在静电感应过程中，电荷如何移动，达到静电平衡状态 时，正、负电荷如何分布， 这些都是学生难以掌握的。
对于静电场中的导体达到静电平衡状态时， 导体内部场强处处为零，带电导体上的净电荷只分布在导体的外表面上，学生往往把它们当作结论硬性记下来，如何用它来分析问题、解决问题则不知所措。
通过采取常规演示实验和计算机模 拟教学相结合，教师指导教学与学生训练、练习等多种教学方式共存的有效办法，可以实现课堂教学创新，提高课堂教学效率和教学效果。
♦教材分析《静电现象的应用》是人教版高中物理选修3-1第一章《静电场》第 7节的内容，根据《学科教学指导意见》和《课程标准》的要求，将此节的授课课时安排为一个课时。
本节的主要概念是静电平衡，掌握静电平衡的概念，理解静电平衡的特征是本节的重点， 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、 静电屏蔽现象是本节的难点。
做好演示实验是这堂课的关键。
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。
一定要带领学生共同参与讨论这一过程，使他们明白自由电荷不再定向移动的条件。
这样做不仅突出重点，也为突破难点打下基础。
带电导体的电荷分布的两个特点对于学生来说是十分深奥的问题，必须通过实验才能加深 认识。
静电屏蔽现象以及静电屏蔽的应用都必须做好演示实验。
♦学情分析本节教学中，学生在静电场中的导体达到静电平衡状态、 静电屏蔽的概念、 电荷在导体表面 的分布等现象的学习中，往往把它们当作结论硬性记下来， 而不会用来分析问题、解决问题， 这种死记硬背的方式不可取。
其实通过前面内容的学习，学生已具备从理论角度分析本节课中岀现的现象的能力，只要教师做好演示实验，并对学生阶梯式的引导， 然后结合相应的现象分析， 学生肯定能接受。
高二物理组集体备课材料1.6和1.7(1) 4
实验二部（高一）物理组集体备课发言材料1.6电势差与电场强度的关系教材分析：电势差与电场强度是本章重要的概念，它们分别描述了电场的两大性质：能的性质和力的性质，前者是标量，后者是矢量，但通过静电力做功在两者之间建立了联系，因此本节内容起一个桥梁、纽带的作用，将电场的两大性质联系了起来。
教学过程中，对于非匀强电场，只要求学生定性了解电势差与电场强度的关系；对于匀强电场，也只要求学生了解它们的定量关系式。
对于这节课的教学，首先利用在匀强电场中移动电荷时电场力做功的两种计算方法，建立起电势差与电场强度间的关系，然后再利用所建立起来的关系解决相关的问题，以达到帮助学生确认与理解上述关系的目的 学情分析：学生前面已经学过了电场强度、电场力、电势差以及电场力所做的功，两种 求电场力的功的方法学生也相对比较熟悉，本节课主要是公式 的使用条件以及应用。
教学过程 ： 一、回忆复习 二、新课教学1.探究电势与电场强度的关系2.探究电势差与电场强度的关系3.问题与练习4.拓展练习5.小结AB U E d通过提问学生，得出以下结论：）如图所示，匀强电场的电场强度为E，电荷q从A点移W为多少？（由学生自己推导，教（教学设想：间沿着电场线的距离为d，则点静电力所做的功W：=qEd适用于匀强电场的计算，但对于某些非1.7静电现象的应用教材分析：前面几节学习了静电场基本性质，以及与此有关的概念、规律、描述方法等。
从这节开始讨论相关运用。
其中，静电平衡和尖端放电是两个重要的静电现象。
而运用所学静电场知识分析它们，则是体现学以致用的很好教学材料。
通过本节教学，一方面，学生可以加强对静电场知识的理解、掌握和运用；另一方面，学生可以体会到“物理处处有生活，生活处处有物理”的学科体验，从而激起学习兴趣。
因此，在分析静电平衡的特征和了解尖端放电原理后，应该着重讨论它们的实际生活中的运用，例如避雷针、静电屏蔽等。
学情分析：《静电现象的应用》是本章的难点内容，概念规律非常抽象。
金属导电和离子导电的区别
金属导电和离子导电的区别和相同点袁小惠 杜云云 吉祥 校大伟（西北大学化学系05级化学专业 西安 710069）摘要：本文对金属导电和离子导电的原因、影响以及二者的区别和联系作了叙述性的分析，并对它们的运用作了相关的介绍。
关键词：金属导电、离子导电、金属价电子理论、离子化合物一、引言随着人类对自然的认识的利用，电由最初的自然形式－闪电成为现代社会发展的动力之一。
而导体是对电的利用过程中必备物质。
导体有两类，一类是金属导体，电流的载体是电子，电子流动的反方向，即电流的方向；另一类导体为电解质，电流的载体为离子，在一定的电场推动下，正离子向负极，负离子向正极迁移，电流的方向与正离子的迁移方向一致。
二、金属导电的原因及影响因素由金属的能带理论可知，依据原子轨道不同，金属晶体中的能级的不同，多数晶体中的能带有满带、导带之分。
满带顶和导带底间隔为禁带从能带理论的观点，一般固体都具有能带结构中禁带宽度和能带中电子填充的状况，可以决定固体材料是导体、半导体或绝缘体。
1)一般金属体的电子能带是半满的或价电子能带虽是全满的，但是有空的能带，而且两个能带能量间隔很小，彼此能发生部分的重叠（图2）当外电场存在时，(1)的情况由于能带中未充满电子，很容易导电，而(2)的情况由于满带中的价电子可以很容易的进入空的能带，因而也能导电。
2)绝缘体不导电因为它的价电子全在满带而导带是空的，而且满带顶与导带底之间的能量间隔(即禁带的宽度)大，E大于等于5eV所以在外电场作用下，满带中的电子不能越过禁跃迁到导带，故不能导电,如图(3)。
3)半导体的能带如图(4)所示。
满带被电子充满，导带是空的，但这种能带结构中，禁带的宽度很窄（E＜5eV）。
在一般的情况下，半导体是不导电的。
但是在光照或在外加电场的作用下，满带上的电子，很容易跃迁到导带上，使原来空的导带填充部分电子，同时在满带上留下空位（通常称为空穴），因此使导带与原来的满带均未充满电子，因而能导电。
静电现象的分析
课堂小结
自然界中有很多现象都有其科学本质的 存在，我们学习科学知识的最终目的就是 为了解开现象背后的本质。通过本节课的 学习，我们就能去解释生活中很多静电现 象的本质。
Hale Waihona Puke b c b c b c b c
课堂练习
题型二、静电屏蔽的应用
例2 将悬挂在细线上的带 正电的小球A放在不带电的 固定的金属空心球壳C内 (不和球壁接触)，另有一个 悬挂在细线上的带负电的 小球B，如图所示，于是有( B ) A．A往左偏离竖直方向，B往右偏离竖直方向 B．A的位置不变，B往右偏离竖直方向 C．A往左偏离竖直方向，B的位置不变 D．A和B的位置都不变
题型一、静电平衡时导体内外电势场强的判定
例1 如图所示为一空腔球形导体(不带电)，现 将一个带正电荷的小金属球A放入腔中，当 静电平衡时，图中a、b、c三点的电场强度E 和电势 的关系是( D )
A．Ea>Eb>Ec， a B．Ea=Eb>Ec， a C．Ea=Eb=Ec， a D．Ea>Ec>Eb， a
法拉第圆筒实验
结论: 平衡时导体内部没有电荷，其电荷只分布在外表面.
（三）静电屏蔽的原理
• 导体在静电场中处于静电平衡时，具有下 面三个性质： 导体内部没有宏观电场。 导体是一个等势体。 电荷只分布在导体的表面上。 所以，当一空腔导体在静电场中处于 平衡时，导体内部以及腔内的场强为零。 这样，空腔内的系统将不会受腔外电场的 影响，这就是静电屏蔽。
静电现象的分析
物理组 杨绍琪
有趣的物理现象（2）
电击金属笼
引言：
为什么金属笼外表面受到高压电击时，
处于金属笼中的人能够安然无恙呢？下面
第九章静电场中的导体和电介质讲解
备注体和电介质引言：一、导体、电介质、半导体导体：导电性能很好的材料；例如：各种金属、电解质溶液。
电介质（绝缘体）：导电性能很差的材料；例如：云母、胶木等。
半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的材料；二、本章内容简介三、本章重点和难点1. 重点（1）导体的静电平衡性质；（2）空腔导体及静电屏蔽；（3）电容、电容器；2. 难点导体静电平衡下电场强度矢量、电势和电荷分布的计算；第一节静电场中的导体一、静电感应静电平衡1. 静电感应（1）金属导体的电结构从微观角度来看，金属导体是由带正电的晶格点阵和自由电子构成，晶格不动，相当于骨架，而自由电子可自由运动，充满整个导体，是公有化的。
例如：金属铜中的自由电子密度为：()328n=m⨯8-10Cu。
当没有外电场时，导体中的正负电荷等量均匀分布，宏观上呈电中性。
（2）静电感应当导体处于外电场E0中时，电子受力后作定向运动，引起导体中电荷的重新分布。
结果在导体一侧因电子的堆积而出现负电荷，在另一侧因相对缺少负电荷而出现正电荷。
这就是静电感应现象，出现的电荷叫感应电荷。
2. 静电平衡不管导体原来是否带电和有无外电场的作用，导体内部和表面都没有电荷的宏观定向运动的状态称为导体的静电平衡状态。
备 注（a ）自由电子定向运动 （b ）静电平衡状态3. 静电平衡条件（静电平衡态下导体的电性质）（1）导体内部任何一点处的电场强度为零；导体表面处电场强度的方向，都与导体表面垂直。
（2）在静电平衡时，导体内上的电势处处相等，导体是一个等势体。
证明： 假设导体表面电场强度有切向分量，即0≠τE ，则自由电子将沿导体表面有宏观定向运动，导体未达到静电平衡状态，和命题条件矛盾。
因为00==τE E，内，所以0,0==τd dU dl dU ，即导体为等势体，导体表面为等势面。
二、静电平衡时导体上电荷的分布1. 实心导体（1）处于静电平衡态的实心导体，其内部各处净电荷为零，电荷只能分布于导体外表面。
导体和绝缘体的微观结构
导体和绝缘体的微观结构导体和绝缘体是物质的两种基本性质，它们在微观结构上有着明显的区别。
导体是能够自由传导电子的材料，而绝缘体则不能。
下面我将从微观结构的角度，为大家详细介绍导体和绝缘体的差异。
导体的微观结构中存在大量自由电子。
在导体中，原子中的外层电子非常松散，它们能够轻易地从一个原子跳到另一个原子。
这些自由电子形成了一个众多、自由运动的电子气体，它们在导体内部自由穿行。
这也是导体能够传导电流的原因之一。
此外，导体中的正电荷与负电荷分布均匀，几乎没有电场存在。
因此，导体内部的电子可以自由移动，形成电流。
相比之下，绝缘体的微观结构中则缺乏自由电子。
绝缘体的原子中的外层电子与原子核之间的结合非常牢固，几乎不会自由移动。
这使得绝缘体无法传导电流。
此外，绝缘体中的正电荷和负电荷分布不均匀，存在强烈的电场。
这种电场会束缚住绝缘体中的电子，使其无法自由移动。
导体和绝缘体的微观结构差异还可以从能带理论的角度进行解释。
在导体中，价带和导带之间的能隙非常小，电子可以轻松地跃迁到导带中。
而在绝缘体中，价带和导带之间的能隙非常大，电子无法跃迁到导带中，因此无法传导电流。
导体和绝缘体的导电性还与其晶体结构有关。
导体通常是金属，其晶体结构具有紧密堆积的特点。
这种紧密堆积使得导体中的原子之间的空隙很小，自由电子能够在原子之间自由穿梭。
而绝缘体通常是非金属，其晶体结构具有较大的空隙，使得电子无法自由传导。
导体和绝缘体的微观结构差异决定了它们的电导特性。
导体中存在大量自由电子，能够自由传导电流。
而绝缘体中缺乏自由电子，无法传导电流。
这种差异源于导体和绝缘体微观结构中电子的行为和能带结构的差异。
通过了解导体和绝缘体的微观结构，我们可以更好地理解它们的电导性质，为电子学和材料科学的发展提供基础。
思考(1)金属导体的微观结构如何？(共35张PPT)
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E’
E
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感应电荷在导体(dǎotǐ)内部产生电场E’，与原电场叠 加。只要内部合场强不为零，自由电子就会继续 做定向移动。
第五页，共三十五页。
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E’=E
E
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当内部(nèibù)合场强为零时，即E’=E时，电荷不再 发生定向移动。
第六页，共三十五页。
E内=0
E
第七页，共三十五页。
强电场(diàn chǎng)使空气分子中正负电荷分离 的现象叫做空气的电离。
2．尖端放电(jiān duān fànɡ diàn) 在强电场作用下，物体尖端部分发生的一种 放电现象称为尖端放电。
在强电场作用下，物体曲率大的地方(如尖锐、细小 的顶端，弯曲很厉害处)附近，等电位面密，电场强度剧增， 致使这里空气被电离而产生气体放电现象，称为电晕放 电．而尖端放电为电晕放电的一种，专指尖端附近空气电 离而产生气体放电的现象
第二十页，共三十五页。
闪电 防护 (shǎndiàn)
• 第三是不可到孤立大树下和无避雷装置的 高大建筑体附近，不可手持金属体高举头 顶．
• 第四是不要(bùyào)进水中，因水体导电好， 易遭雷击．
• 总之，应当到较低处，双脚合拢地站立或 蹲下，以减少遭遇雷的机会．
第二十一页，共三十五页。
四、静电屏蔽(jìnɡ diàn pínɡ bì)
图图171例2长为l的导体棒原来不带电现将一带电荷量为q的点电荷放在距棒左端r处当棒达到静电平衡后棒上感应电荷在棒内中点p处产生的场强大小和方向分别是怎样的
第一页，共三十五页。
思考(sīkǎo)
（1）金属导体的微观结构如何？
静电平衡教案
3）、介绍几种避雷针和武当雷火炼殿
2、静电屏蔽
1）演示实验．小鸟在笼中
2）演示：静电屏蔽
3）、用静电平衡现象的特征解释静电屏蔽：
（三）课堂练习2
(1).当导体达到静电平衡时，场强方面的特征是
A．外电场E0消失B．感应电荷产生的电场E′为零
（2）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？
电场中的导体
2、问题：当我们把导体放入电场中，导体上的自由电荷处于电场中将受电场力作用，这时的导体与无电场时的导体相比有什么不同特征？引导学生分析．
总结：若是金属导体，自由电子在电场力作用下将发生定向移动使两端出现不同的电荷分布，从而引起导体的某些新的性质．
(四)小结
3
作业
课本28页1、2、4三题
板书设计
第七节静电现象的应用
1.静电平衡的定义（形成过程）
2.达到静电平衡状态的导体的特点
A内部合场强处处为零但导体表面场强不为零
B整个导体是等势体，但电势不为零
C导体内无净电荷，导体外表面越尖锐电荷密度越大，凹陷位置几乎没有电荷。
3.静电平衡的实质
4.静电平衡的应用
导体中（包括表面）没有电荷的定向移动的状态，叫做静电平衡状态．
总结：①静电平衡状态：导体上处处无电荷定向移动的状态．
②特征：导体内部处处场强为零．在这个特征基础上进行推论，可得静电场中导体的特点．
2、强调：处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零．而且处于静电平衡状态的导体，电荷只能分布在导体外表面上．这是为什么呢？为了验证这一点，可采用反证法，若导体内部有净电荷，电荷周围有电场，那么导体内部电场强度将不为零，电荷将发生定向移动．
金属导电的原理
金属导电的原理金属导电是指金属材料具有良好的导电性能，能够传导电流的特性。
金属在电路中起着非常重要的作用，广泛应用于电子设备、电力系统、通信设备等领域。
金属导电的原理涉及到金属的结构特性和电子运动规律，下面我们将详细介绍金属导电的原理。
首先，我们需要了解金属的结构特性。
金属的晶体结构呈现出一种特殊的排列方式，金属原子以紧密堆积的方式排列在一起，形成了金属晶格结构。
在金属晶体中，原子之间存在着大量的自由电子，这些自由电子能够在金属内部自由移动。
这种特殊的结构使得金属具有良好的导电性能。
其次，我们来了解金属中自由电子的运动规律。
在金属中，自由电子受到原子核的引力作用，同时也受到周围电子和其他原子核的斥力作用。
在外加电场的作用下，自由电子会受到电场力的作用，从而在金属内部形成电子流动。
这种电子的自由移动形成了金属的导电特性。
除此之外，金属导电还与金属的电子云结构有关。
金属中的电子云结构呈现出一种特殊的分布方式，电子云的分布范围非常广，电子之间存在着相互重叠的现象。
这种电子云的特殊结构也是金属导电的重要原因之一。
总的来说，金属导电的原理是由于金属的结构特性、自由电子的运动规律和电子云的结构特点共同作用所致。
金属具有良好的导电性能，能够在电路中稳定地传导电流。
因此，金属在电子设备、电力系统等领域得到了广泛的应用。
在实际应用中，我们需要根据金属导电的原理来设计和选择合适的金属材料，以确保电路的稳定性和可靠性。
同时，我们也可以通过改变金属的结构和性能来提高金属的导电性能，从而满足不同领域的需求。
综上所述，金属导电的原理是由金属的结构特性、自由电子的运动规律和电子云的结构特点共同作用所致，金属具有良好的导电性能，被广泛应用于各个领域。
我们需要深入了解金属导电的原理，以便更好地应用和发展金属材料，推动相关领域的发展和进步。
导电能力的微观解释
导电能力的微观解释
导电能力是指物质对电流的传导能力。
在微观层面上，导电能力可以通过理解物质的原子和电子结构来解释。
物质的原子是由原子核和围绕核旋转的电子组成的。
原子核带有正电荷，而电子带有负电荷。
导电能力与物质中的自由电子有关。
自由电子是指不受束缚且能够在物质中自由移动的电子。
在导电物质中，如金属，原子核与电子之间有较弱的相互作用力，因此电子可以相对自由地在原子之间移动。
当一个电场施加到导体上时，自由电子受到电场力的作用，开始沿特定方向流动，形成电流。
这种自由电子在导体中的运动是导电的基础。
另一方面，非导体如塑料或橡胶中的原子核与电子之间的相互作用力较强，离子之间的结合力也较强。
这导致电子无法自由地在物质中移动，因此非导体不具备良好的导电能力。
导电能力的微观解释可以通过金属中的电子海模型来解释。
根据这个模型，金属中的原子核形成一个晶格结构，而自由电子在这个结构中象征性地移动。
在外部电场的作用下，自由电子更容易受到推动并沿着特定方向移动，从而导致了导电。
总结而言，导电能力取决于物质中的自由电子，以及原子核与电子之间的相互作用力。
具有较弱相互作用力的物质通常具有较好的导电能力，而具有较强相互作用力的物质则较差。
了解导电能力的微观解释有助于我们理解导电的基本原理，并在实际应用中做出相应的选择和决策。
人教版高中物理必修第3册 第9章 4 静电的防止与利用
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课堂小练 | 素养达成
课后 | 提升练习
物理 必修 第三册 配人教版
第九章 静电场及其应用
变式1 如图所示，在一电场强度为E的匀强电场中放有一个金属空 心导体，图中a、b分别为金属导体内表面和空腔中的两点，则( )
A．a、b两点的电场强度都为零 B．a点的电场强度为零，b点的电场强度不为零 C．a点的电场强度不为零，b点的电场强度为零 D．a、b两点的电场强度都不为零 【答案】A
(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．
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第九章 静电场及其应用
微思考 静电平衡状态的导体，为何外表面的电场线一定与外表面垂直？
2．尖端放电：导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异 种离子与尖端的电荷___中__和___，相当于导体从尖端失去电荷的现象．
3．静电屏蔽：静电平衡时，导体壳内空腔里的电场强度 __处__处__为__零____，外电场对壳内不会产生影响．
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【答案】3kl2Q 方向向右
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第九章 静电场及其应用
【解析】根据电场的叠加和静电平衡，球心O处的合场强为0，即感 应电荷的电场强度与A、B两点电荷在O处所产生的合场强等大、反向， 即E感＝EA＋EB＝kQl2＋k2lQ2 ＝3kl2Q，A、B在O处产生的场强方向向左，所 以E感向右．
关于金属电子论与电导率概要
本科毕业论文题目：关于金属电子论与电导率目录引言 (1)1 . 金属电子轮 (1)2 . Drude的自由电子模型 (1)3．欧姆（Ohm）定律 (2)4．电导率与温度的关系 (4)5. 金属电导率与频率的依赖关系 (7)6.金属的热容量，Dulong-Petit定律 (8)结论 : (10)参考文献： (11)致谢.................................................. 错误！未定义书签。
金属电子论与电导率摘要：本论文是基础理论论述类的研究题目.首先讨论的是关于金属电子论的简短的历史回顾且自由电子模型.其次简单的经典电子论来说明金属导电的原因，推导电流密度公式.再次用经典电子论的基础上解释金属的电导率与温度的关系.最后用金属经典理论来解释焦耳热产生的原因. 也通过费米分布来解决了经典电子论遇到的困难.关键词：金属电子;电导率 ;温度; 频率.引言金属电子论通过考察金属内电子的运动状态及其输运过程，运用统计方法来解释金属的导电性，导热性，热容量，以及磁学性质，力学性质和光学性质等.在金属的经典电子论范围内，实质性的进展应归功于P.K.L.Drude.Drude在1900年提出了虽然简单但却很有效的自由电子模型，利用分子运动论的成果比较好地从理论上解释了Ohm定律，Joule_Lenz定律以及反映导电性和导热性关系的Wiedeman_Franz定律.但是，Drude的理论与实验结果比较时，在定量方面仍然存在不可忽视的差异.1904年，洛伦兹指出，德鲁德自由电子模型中采用的金属内自由电子都以平均速率运动的假设过于简单了.洛伦兹认为自由电子的运动应该像气体分子那样遵循麦克斯韦-波尔兹曼分布律.1905年，洛伦兹根据气体分子运动论，运用经典统计方法对自由电子在金属中的运输过程作了严密的理论分析，导出了电导率σ和热导率κ的公式.1905年，Lrentz以Drude的自由电子假设为基础改进了Drude的模型，用经典统计方法建立了关于金属导电性和导热性的更为严密的理论.但是经典理论的先天性根本缺陷，使得Lorentz的理论仍然遇到了难以解决的困难.经典电子论假设金属中存在着自由电子，它们和理想气体分子一样，服从经典的玻耳兹曼统计，因此，金属中的自由电子对热容量有贡献.但是实验上并不能察觉金属有这样一部分额外的热容量.从经典理论看，这种情况只能表明电子并没有热运动，从而直接动摇了经典电子论的基础.这个矛盾直到量子力学和费米统计规律确立以后才得到解决.1 . 金属电子轮金属电子论自由电子模型不考虑电子与电子，电子与离子之间的相互作用，波尔兹曼统计分布规律，电子气体服从麦克斯韦-波尔兹曼统计分布规律，对电子进行统计计算，得到金属的直流电导平均自由程和热熔.金属电子论的发展可以分为两个阶段.最初阶段是运用经典理论结合经典统计方法（即经典电子论）进行理论分析，在解释金属的导电性和热学性质方面取得了阶段性的成果.然而，这种经典理论在许多方面存在着与实验不符的困难，这些困难在经典理论的框架内是无法解决的.自从量子力学诞生后，金属电子论进入了新的发展阶段，在运用量子力学原理和量子统计方法后才最终比较圆满地解释了金属的各种性质.2 . Drude的自由电子模型为了解释金属良好的导电和导热性能，德国科学家Drude1900提出了一个简单的自由电子模型，建立了金属经典电子论，成功地解释了金属的导电性和热学性质.Drude结合气体动理论的成果，提出了自由电子模型，他认为，金属内的电子可以分成两部分，一部分被原子所束缚，只能在原子内部运动并与原子核构成金属内的正离子；另一部分电子受到的束缚比较弱，它们已不属于特定的原子，而是在整块金属中自有运动，成为自由电子，金属良好的导电性和导热性就是由这些自由电子的运动所决定的.自由电子不断地与金属内的正离子相撞，相互交换能量，在一定温度下达到热平衡.处在热平衡状态的自由电子就像气体分子那样做无规则的热运动，因而可以采用气体分子运动论来处理金属内自由电子的运动.以Drude的自由电子模型为基础，可以从理论上解释Ohm定律，Joule-Lenz定律以及Wiedemann-Franz定律. 3．欧姆（Ohm）定律金属导电的宏观规律是由它的微观导电机制所决定的.金属导体具有晶体结构，原子实以一定方式排列成整齐的空间点阵，自由电子在点阵间不停地作热运动.带正电的原子实虽然被固定在格点上，但可以在各自的平衡位置附近作微小的振动；自由电子在晶格间作激烈的不规则热运动.按经典物理的观点，自由电子的热运动与气体分子的热运动很相似.下面我们根据简单的经典理论说明为什么金属导电遵从欧姆定律，并把电导率和微观量的平均值联系起来.首先定性的描述一下金属导电的微观图像.2-1电子的热运动不形成宏观电流当导体内没有电场时，以微观角度上看，导体内的自由电荷并不是静止不动的.以金属为例，金属的自由电子好像气体中的分子一样，总是在不停地作无规则的热运动.电子的热运动是杂乱无章的，在没有外电场或其它原因（如电子数密度或温度的梯度）的情况下，它们朝任何方向运动的概率都一样.如图2-1所示，设想在金属内部任意作一横截面，则在任意一段时间内平均说来，由两边穿过截面的电子数相等.因此，从宏观角度上看，自由电子的无规则的热运动没有集体定向的效果，因此并不形成电流.2-2电子在电场作用下的漂移运动自由电子在作热运动的同时，还不时地与晶体点阵上的原子实碰撞，所以每个自由电子的轨迹如图2-2中的黑线所示，是一条迂回曲折的折线.当金属中存在电场时，每个自由电子都受到电场的作用力，因而每个自由电子都在原有热运动的基础上附加一个逆着电场方向的定向运动（叫做漂移运动），由于漂移运动，每个自由电子的轨迹将如图2-2中虚线所示.这时自由电子的速度是其热运动速度和定向运动速度的叠加.因为热运动的速度平均值仍然等于零，所以自由电子的平均速度等于定向运动速度的平均值.定向运动速度的平均值u 叫做漂移速度.它的方向与金属中的电场方向相反.大量自由电子的漂移运动形成金属导体中的电流.下面根据上述观点找出金属导体中电流密度和自由电子漂移速度的关系.设通电导体中某点附近自由电子的数密度为n ，自由电子的漂移速度为u ，经过时间t ∆，该点附近的自由电子都移过距离u t ∆.在该点附近取一小圆柱体，截面和漂移速度方向垂直截面积为S ∆，长为u t ∆.显然，位于这小圆柱体内的自由电子，经过时间t ∆后都将穿过小圆柱体的左端面.在t ∆时间内穿过小圆柱体左端面的自由电子也都在这个小圆柱体中.位于小圆柱体内的自由电子数为n u t ∆S ∆，所以在时间t ∆内穿过左端面的电量q ∆为q ∆=nu t Se ∆∆ （1）式中e 是电子电量的绝对值.由此可得左端面上的电流I ∆为q I neu S t∆∆==∆∆ ( 2 ) 左端面处的电流密度的大小为 I j neu S ∆==∆ (3) 因为电子带负点，所以电流密度的方向与电子漂移速度的方向相反.故上式可写成矢量形式ne ju =- (4) 式（4）给出电流密度与漂移速度的关系.利用此式可计算金属中自由电子的漂移速度.根据经典电子论，可以从微观上导出欧姆定律的微分形式.4．电导率与温度的关系电子与正离子连续两次碰撞所经历的时间称为自由时间.由于电子的运动是无规则的，故任意一个电子的某一个自由时间是完全随机的.在一定温度下，大量电子的平均自由时间τ是一定的.在电场作用下，电子的速度为无规则运动的速度和定向运动速度的叠加，后者与场强有关.由于金属中自由电子定向运动的速率比无规则运动的速率小得多，平均自由时间τ实际上与外电场无关.由于电子与晶格上原子实的碰撞，电子的最大定向速度是在一个自由时间内被电场加速所得到的速度，故在一定的电场作用下，定向速度不可能无限增大.考察某一个电子，其电量为e ，质量为m ，若作用于电子的电场为E ，则由牛顿运动定律得em a E =- (5)(5)式中的a 表示电子定向漂移运动的加速度.由于电子热运动的速率远大于定向漂移运动的速率，所以电子与原子实碰撞时受到的冲力远大于电场力.因而在碰撞过程中可以忽略电场力.因此电子与原子实碰撞后向各方向运动的概率相等.所以，可以假设碰撞后的瞬间，电子的平均定向漂移速度为零.设自由电子与正离子晶格相邻两次碰撞前后的平均定向速度从00u =增为1u ，自由电子的平均定向速度为: ()0111112222e mE u u u u a ττ=+===- （6） 即平均定向速度与电场强度E 和平均自由时间成正比.考虑到电子的电量为负值，平均定向速度的方向与场强的方向相反.式（6）代入式（4），导体中的电流密度为 22ne m ne u Ej τ=-= （7） 这就是欧姆定律的微分形式.由气体分子动理论知道，τ等于自由电子的热运动平均速率v 与平均自由程λ之比为v λτ=（8）由以上（8）式得22ne m v jE λ= （9） 因欧姆定律中 j E σ=，故电导率σ为22ne mvλσ= （10） 式（10）中的σ表示电导率，这样，我们就用经典的电子理论解释了欧姆定律，并导出了电导率σ与微观量平均值之间的关系，又由式（10）可以看出电导率与自由电子的热运动平均速率v 成反比，与平均自由程λ成正比.根据气体分子运动论，分子的平均热运动动能与绝对温度T 成正比，对于金属内自由电子的热运动亦应有同样结果，即应有()T =αν221m （11） 式中α是一个普适常量.从（11）式还可以看出σ与温度的关系，因为λ与温度无关，vT 是热力学温度），所以，从而电阻率ρ .不过应当指出，从经典电子论导出的结果只能定性的说明金属导电的规律，（10）式计算出的电导率的具体数值与实际相差甚远.此外σ或ρ与温度的关系也不对.实际上对于大多数金属来说，ρ近似地与T .下面我们在定性的解释一下电流的热效应.在金属导体里，自由电子在电场力的推动下做定向运动形成电流.在这个过程中，电场力对自由电子作功，使电子的定向运动动能增大.同时，自由电子又不断地和正离子碰撞，在碰撞时把定向运动能量传递给原子实，使它的热振动加剧，因而导体的温度就升高了.综上所述，从金属经典理论来看，“电阻”所反映的是自由电子与正离子碰撞造成对电子定向运动的破坏作用，这也是电阻元件中产生焦耳热的原因.下面再进一步推到α和σ的关系.金属是良好的导热材料，将一金属棒两端维持恒定的温度差，实验表明，单位时间内通过单位横载面的热量为dT dQ dx κ=- （12） 式中 dT dx 是沿金属棒的温度梯度，κ称为金属的热导率，用以描述金属的导热性能.金属的导热性与导电性一样，都起因于自由电子，故金属的电导率σ与热导率κ之间必定有所联系.早在1852年，维德曼–夫兰兹 （Wiedemann-Franz ）通过实验确立了κ与 σ 之间的下述关系LT κσ= （13）σ∝式（13）中T 为绝对温度，L 成为 维德曼–夫兰兹常量.利用德鲁德的自由电子模型可以从理论上导出上述的定律.金属内的自由电子可以看作一种气体，通常成为自由电子气.与气体中的热传导一样，金属内存在温度梯度时，自由电子的输运过程导致热量的传递.因而可以套用气体的热传导公式，即气体的热导率为v 13c κρνλ= （14） 式中ρ是气体密度，v c 为气体的定容比热。
9.4 静电的防止与利用 教案-2021-2022学年【新教材】人教版(2019)高中物理必修三
9.4静电的防止与利用〖教材分析〗本节的主要概念是静电平衡，掌握静电平衡的概念，理解静电平衡的过程。
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。
引领学生共同参与讨论这一过程，使他们明白自由电荷不再定向移动的条件。
应用静电平衡知识，认识尖端放电现象和静电屏蔽现象，最后是静电在实际生产生活中的应用。
〖教学目标与核心素养〗物理观念：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，感受静电平衡概念的建立过程。
科学思维：掌握归纳、演绎推理的方法，训练学生的推理能力，亲身感受知识的建立过程。
科学探究：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体的特征。
科学态度与责任：经历观察、实验、探究等学习活动，培养尊重客观事实、实事求是的科学态度。
〖教学重点与难点〗重点：掌握静电平衡的概念、理解静电平衡的特征。
难点：应用静电平衡知识，认识尖端放电现象和静电屏蔽现象。
〖教学准备〗多媒体课件、验电器、金属小球等，〖教学过程〗一、新课引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?（播放加油站不规范操作起火的动图）带着这两个疑问，本节课我们一齐来学习《静电的防止与利用》。
（板书课题）二、新课教学（一）静电平衡问题1：金属导体的微观结构如何？金属导体内部存在大量的自由电子，他们在金属内做无规则的热运动，但是从整体看他们，没有反生宏观的定向运动。
所以不显电性。
的电场中自由电子怎样移问题2：如果把金属导体ABCD放入电场强度为E动？刚开始金属板内的电子受到向左的电场力的作用，朝着左边向定向运动。
问题3：自由电子会在什么地方积聚？在导体两端，积聚等量异种电荷，即金属板的左侧就集中了一些负电荷，相应的右侧就剩下了等量的正电荷。
即和我们前面学习的静电感应现象是一样的。
电荷及其守恒定律的教学感悟
电荷及其守恒定律的教学感悟各位读友大家好，此文档由网络收集而来，欢迎您下载，谢谢实验激发兴趣问题突破难点——电荷及其守恒定律的教学感悟作者/ 李兰芳我省进入新课改，使用新课标教材刚好一轮，我有幸成为第一批课改的参入者。
在新课改中，如何协调探究与有效课堂之间的关系，这对教师提出了很高的要求。
在近几年的教研教学活动中，我也亲身经历了不少成功或失败的尝试，反思新课程背景下的课堂教学，如何协调有效课堂与探究性学习，我有些许体会，想就“电荷及其守恒定律”这堂课谈谈我的体会。
“电荷及其守恒定律”中摩擦起电、接触起电、验电器等知识和概念初中都已学过，因而我把重点放在静电感应中，静电感应对学生是个全新的东西，不能想象，理解上有难度，更别说把它和摩擦起电、接触起电归于一类。
如何突破这个难点，我还是下了一番功夫的。
一、做好静电感应实验是引起学生兴趣的关键一定要做好这个实验。
这个实验受太多天气及空气湿度的影响，考虑到这些，我对这个实验条件进行了一些控制：实验开始前我就用两台取暖器把室内空气烤热，达到干燥的目的；接着我又在枕形导体两端贴上小且轻的金铂纸作为两个指针，这样若枕形体带上少量电也能检验出来。
通过改进这个实验效果很好。
如何探究这个实验，得到它并不创造电荷，只是发生了电荷的转移，这个坡度也很大，可以进行猜测，但是猜测并不是盲目的，科学家的猜测也是基于其科学常识的认识和拓展的，因而我事先也做了一些必有的知识储备：如导体的微观结构、同种电荷相斥，异种电荷相吸等这些早已熟知的知识。
可是，没有一个按钮按动它，学生仍旧很难把它们联系在一起，这时候，如何提问就很关键了。
二、在不断追问中发散学生思维我在本版块设计了三个问题，让学生思考：1.金属导体的微观结构是怎样的？2.带电体靠近导体时，电荷间的相互作用会导致什么？3.如果按这种猜想，那么各部分电性、电量会如何？怎样验证你的猜想？这三个问题层层推进，从第二个问题，学生就开始了思维的碰撞，讨论变得激烈，学生有各种想法，通过互相辩论，最后都能认同导体带电有可能是因为电荷移动的结果，而内部的异种电荷有可能被吸引到近端，远端就带上同种电荷。