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出现的现象的能力，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。

◆三维教学目标设计

1．知识与技能教学目标

（1）知道导体的特征。

（2）理解导体的静电感应过程。

（3）理解导体达到静电平衡状态时的特点。

2．过程与方法教学目标

培养学生观察、分析、归纳问题的能力。

3．情感态度价值观教学目标

培养学生的实验探索能力。

◆重难点

1．重点：掌握静电平衡的概念，理解静电平衡的特征。

2．难点：应用静电平衡知识，认识导体的电荷分布的特点、尖端放电现象、静电屏蔽现象。

◆教具

1．演示：装有小鸟的铁鸟笼、感应圈、导线及静电屏蔽、感应起电、法拉第圆筒实验教具各一套。

2．自制PPT课件。

◆教学策略与手段

本课教学中运用实验探究与理论探究相结合的探究式教学模式，采取分组讨论、演示实验、播放视频，将情景与多媒体相结合的教学方式。

◆课前准备

1．学生的学习准备：复习静电感应方面的知识，预习静电现象运用的新课知识。

2．教师的教学准备：教学设计与多媒体课件制作、自制教具、学生导学资料的准备。

3．教学环境的设计与布置：多媒体播放系统、学生分组及组长的准备。

◆教学过程

一、引入新课

通过播放视频《雷火炼殿》，创设问题情景，提出探究问题。

武当山位于湖北省西北部，其主峰天主峰屹立着一座光耀百里的金殿。殿高5.54米，宽4.4米，进深3.15米，全部为铜铸镏金。武当山重峦叠嶂，气候多变，金殿屹立峰巅，当积雨云移来时，云层与金殿顶部之间形成巨大的电势差，就会使空气电离，产生电弧，也就是闪电。强大的电弧使周围空气剧烈膨胀而爆炸，看似火球并伴有雷鸣，这种现象称为“雷火炼殿”现象。

【思考问题】为什么会出现雷火炼殿的壮观景象？（教师在此设置疑问，激发学生学习本节内容的兴趣）

二、静电平衡状态下导体的电场

【知识回顾】什么是静电感应现象？（帮助学生回忆所学知识，同时暗示本节课中将涉及该概念）

将不带电的导体靠近带电体时（如图），导体上就带电了，靠近带电体的一端带异种电荷，远离带电体的一端带同种电荷，这种现象叫做静电感应现象。

通过回忆静电感应现象的概念，让学生对导体的带电方式和电荷守恒定律认识更深刻。

【教师引导与设疑】电中性导体向带电体不断靠近的过程中，能使不带电导体两端出现异种电荷，那么将一中性金属导体放置于匀强电场中（如图），将会出现什么情况？

【分组讨论】根据课前准备情况，4～6人为一组，并确定组长，讨论以下问题：

（1）金属导体的微观结构如何？

（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？

【教师启发】通过上述的问题设置，引导学生理解金属导体的微观结构的特点，明确自由电子的受力特点和运动方向，进一步弄清导体上电荷的分布，并思考导体内部电场强度的特点。要求学生进行合理的推测与猜想。

【分析评价】针对各组成员讨论、代表的发言，教师的分析评价，得出上述问题的结论：（1）金属导体由自由移动的电子和相对稳定的正电荷组成；

（2）自由电子受到电场力向左运动；

（3）自由电子积聚在左侧，右侧出现等量的正电荷，形成新的电场；

（4）最终导体内部外界电场和感应电场的叠加，合场强为零，导体内部的自由电子不再定向移动的状态叫做静电平衡状态。

【思考与讨论】处于静电平衡状态的导体具有什么特征？

【学生A】静电平衡的导体内部电场强度处处为零。

【学生B】处于静电平衡的整个导体是个等势体，它的表面是个等势面。

第一个特征是由静电平衡的定义决定的，教科书再次运用反证法，证明了这问题；第二个特征应用了上节课关于电场强度与电势差的关系。因为，所以，在电场强度处处

为零的空间里任意两点的电势差为零。

三、静电平衡时导体上电荷的分布

【思考与讨论】静电平衡状态下带电导体上的电荷分布是怎样呢？

教师通过多个演示实验，演示形状不同的带电导体的电荷分布情况。

【演示实验1】竖直平面导体所带电荷的分布情况。

【实验结果】电荷分布在竖直平面导体的表面。

【演示实验2】柱形导体所带电荷的分布情况。

【实验结果】电荷分布在圆柱形导体的外表面，内表面不带电。

【演示实验3】其他形状导体所带电荷的分布情况。

【实验结果】电荷分布在圆柱形导体的外表面，内表面不带电，导体越尖锐的地方电荷分布越密集。

【实验结果分析】教师引导学生认真观察实验现象，从感性上得出带电导体上的电荷的分布情况：电荷只分布在导体的外表面，内表面不带电，而且越尖锐的地方电荷的分布越密集。

【教师质疑】通过实验确实看到导体表面电荷的分布情况，但是这似乎还不够严密，能否理论推导结果呢？