靜電屏蔽教案

靜電屏蔽一、教學(xué)目標(biāo)1、知識(shí)目標(biāo)(1)知道靜電感應(yīng)產(chǎn)生的原因，理解什么是靜電平衡狀態(tài)；(2)理解靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)處處為零，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面上；(3)知道靜電屏蔽及其應(yīng)用。2、能力目標(biāo)(1)培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，邏輯推理的能力，分析問題的能力；(2)掌握分析和綜合等思維方法。3、德育目標(biāo)(1)使學(xué)生在理解知識(shí)、獲取知識(shí)的同時(shí)體會(huì)到了理論聯(lián)系實(shí)際的意義；(2)滲透具體問題具體分析的方法。二、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)1．靜電場(chǎng)中靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特性，即其電荷分布、電場(chǎng)分布等，這是重點(diǎn)。2．運(yùn)用電場(chǎng)有關(guān)知識(shí)，分析、推理出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的成因，這是難點(diǎn)。三、教學(xué)方法實(shí)驗(yàn)法，推理法、歸納法、講練法。四、教具驗(yàn)電器兩個(gè)、法拉第圓筒一個(gè)、有絕緣柄的金屬小球一個(gè)，帶絕緣支架的金屬球一個(gè)、金屬網(wǎng)罩一個(gè)。五、教學(xué)過程：（一）新課引入什么是靜電感應(yīng)現(xiàn)象？將不帶電的導(dǎo)體靠近帶電體時(shí)，導(dǎo)體上就帶電了，靠近帶電體的一端帶異種電荷，遠(yuǎn)離帶電體的一端帶同種電荷，這種現(xiàn)象叫做靜電感應(yīng)現(xiàn)象。為什么會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象呢？電場(chǎng)的重要性質(zhì)是對(duì)放入其中的電荷有力的作用，導(dǎo)體內(nèi)部有大量自由電荷，把導(dǎo)體放入電場(chǎng)中，對(duì)金屬導(dǎo)體來說，是由做熱振動(dòng)的正離子和在它們之間做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的自由電子組成的。將一不帶電導(dǎo)體靠近帶電體時(shí)，導(dǎo)體即處于帶電體所形成的電場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在電場(chǎng)力的作用下，逆著電場(chǎng)線定向移動(dòng)，使導(dǎo)體一側(cè)集聚負(fù)電荷，而導(dǎo)體另一側(cè)則集聚等量的正電荷。①可根據(jù)同性相斥、異性相吸來判斷電荷的分布情況。②也可以分析距A遠(yuǎn)近不同，電勢(shì)不同，而金屬導(dǎo)體中自由電子在電場(chǎng)力作用下由電勢(shì)低處運(yùn)動(dòng)至電勢(shì)高處。靜電感應(yīng)現(xiàn)象中，導(dǎo)體不同部分出現(xiàn)的凈電荷稱為感應(yīng)電荷。靜電場(chǎng)中導(dǎo)體上自由電荷受電場(chǎng)力作用做定向移動(dòng)會(huì)不會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去？（二）進(jìn)行新課一、靜電平衡狀態(tài)1．靜電平衡狀態(tài)導(dǎo)體置于電場(chǎng)中時(shí)，自由電荷受力，發(fā)生定向移動(dòng)，從而重新分布。重新分布的電荷在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與原電場(chǎng)反向的電場(chǎng)，阻礙電荷定向移動(dòng)，直至最后無電荷定向移動(dòng)為止，這時(shí)感應(yīng)電荷電場(chǎng)與原電場(chǎng)的合場(chǎng)強(qiáng)為零。①什么是靜電平衡狀態(tài)：導(dǎo)體上處處無電荷定向移動(dòng)的狀態(tài)。②特征：導(dǎo)體內(nèi)部處處場(chǎng)強(qiáng)為零。在這個(gè)特征基礎(chǔ)上進(jìn)行推論，可得靜電場(chǎng)中導(dǎo)體的特點(diǎn)。2．靜電平衡狀態(tài)的特點(diǎn)：（1）處于靜電平衡狀態(tài)，導(dǎo)體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)處處為零。例1導(dǎo)體桿放于點(diǎn)電荷+Q附近達(dá)到靜電平衡后，求桿中距Q為r的一點(diǎn)Q的電場(chǎng)強(qiáng)度及桿上感應(yīng)電荷在a點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度。解析：因?yàn)闂U處于靜電平衡狀態(tài)，故Ea=0a點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)由+Q產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)電荷電場(chǎng)合成。EQ＋E感＝Ea＝0（2）在靜電平衡狀態(tài)下，凈電荷只能分布在導(dǎo)體外表面上?？刹捎梅醋C法，若導(dǎo)體內(nèi)部有凈電荷，電荷周圍有電場(chǎng)，那么導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度將不為零，電荷將發(fā)生定向移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)1

法拉第圓筒實(shí)驗(yàn)。使筒A帶電，至A中箔片張開為止，利用驗(yàn)電球B可先從A外表面接觸，再與驗(yàn)電器金屬球C接觸，反復(fù)幾次后，可明顯地看到C金屬箔片張開，可說明A外表面有電荷。若使B與A內(nèi)壁接觸后再與C接觸，則C金屬箔將不張開，可驗(yàn)證A內(nèi)壁無電荷。若使用一根導(dǎo)線與A的外表面和C連接，結(jié)果會(huì)怎樣呢？C的金屬箔片張開，A的金屬箔片張開角度減小。若使用一根導(dǎo)線與A的內(nèi)壁和C連接，結(jié)果會(huì)怎樣呢？C的金屬箔片張開，A的金屬箔片張開角度減小。（3）處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體表面上任一點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)方向與該點(diǎn)表面垂直?？捎梅醋C法證明，若不垂直，沿表面有切向分量，電荷將發(fā)生定向移動(dòng)。（4）在沒有外電場(chǎng)的帶電導(dǎo)體平衡時(shí)，其內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零。（5）處于靜電平衡狀態(tài)導(dǎo)體是個(gè)等勢(shì)體，導(dǎo)體表面是等勢(shì)面，沿導(dǎo)體表面移動(dòng)電荷，電場(chǎng)力與表面切向垂直，電場(chǎng)力做功為零。所以

電勢(shì)差為零，表面是等勢(shì)面。內(nèi)部處處E=0，任兩點(diǎn)間移動(dòng)電荷，電場(chǎng)力為零，任兩點(diǎn)等勢(shì)，所以是等勢(shì)體。注：處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其內(nèi)部的自由電子依然在做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。二、靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)2先使A帶電，然后移近驗(yàn)電器B，由于靜電感應(yīng)，B的金屬箔片張開，若把B置于金屬網(wǎng)罩中，可發(fā)現(xiàn)B的金屬箔片不張開。簡(jiǎn)單分析：驗(yàn)電器B上沒有感應(yīng)電荷，說明金屬網(wǎng)罩內(nèi)無電場(chǎng)。任取一個(gè)導(dǎo)體殼，處于靜電場(chǎng)中，殼內(nèi)無電場(chǎng)。反證法：若有電場(chǎng)，電場(chǎng)線發(fā)自殼壁，終止于殼壁，與殼是等勢(shì)體相矛盾，這樣的電場(chǎng)線不存在。封閉導(dǎo)體殼內(nèi)部電場(chǎng)不受殼外電荷或電場(chǎng)影響。如殼內(nèi)無帶電體而殼外有電荷q，則靜電感應(yīng)使殼外壁帶電（如圖1）。靜電平衡時(shí)殼內(nèi)無電場(chǎng)。這不是說殼外電荷不在殼內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，由于殼外壁感應(yīng)出異號(hào)電荷，它們與q在殼內(nèi)空間任一點(diǎn)激發(fā)的合場(chǎng)強(qiáng)為零。因而導(dǎo)體殼內(nèi)部不會(huì)受到殼外電荷q或其他電場(chǎng)的影響。殼外壁的感應(yīng)電荷起了自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。如果把上述空腔導(dǎo)體外殼接地（圖2），則外殼上感應(yīng)正電荷將沿接地線流入地下。靜電平衡后空腔導(dǎo)體與大地等勢(shì)，空腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)仍然為零。如果空腔內(nèi)有電荷，則空腔導(dǎo)體仍與地等勢(shì)，導(dǎo)體內(nèi)無電場(chǎng)。這時(shí)因空腔內(nèi)壁有異號(hào)感應(yīng)電荷，因此空腔內(nèi)有電場(chǎng)（圖3）。此電場(chǎng)由殼內(nèi)電荷產(chǎn)生，殼外電荷對(duì)殼內(nèi)電場(chǎng)仍無影響。由以上討論可知，封閉導(dǎo)體殼不論接地與否，內(nèi)部電場(chǎng)不受殼外電荷影響。（2）接地封閉導(dǎo)體殼外部電場(chǎng)不受殼內(nèi)電荷的影響。如果殼內(nèi)空腔有電荷q，因?yàn)殪o電感應(yīng)，殼內(nèi)壁帶有等量異號(hào)電荷，殼外壁帶有等量同號(hào)電荷，殼外空間有電場(chǎng)存在（圖4），此電場(chǎng)可以說是由殼內(nèi)電荷q間接產(chǎn)生。也可以說是由殼外感應(yīng)電荷直接產(chǎn)生的。但如果將外殼接地，則殼外電荷將消失，殼內(nèi)電荷q與內(nèi)壁感應(yīng)電荷在殼外產(chǎn)生電場(chǎng)為零（圖5）?？梢娙绻箽?nèi)電荷對(duì)殼外電場(chǎng)無影響，必須將外殼接地。這與第一種情況不同。這里還須注意：我們說接地將消除殼外電荷，但并不是說在任何情況殼外壁都一定不帶電。假如殼外有帶電體，則殼外壁仍可能帶電，而不論殼內(nèi)是否有電荷（圖6）。②實(shí)際應(yīng)用中金屬外殼不必嚴(yán)格完全封閉，用金屬網(wǎng)罩代替金屬殼體也可達(dá)到類似的靜電屏蔽效果，雖然這種屏蔽并不是完全、徹底的。③在靜電平衡時(shí)，接地線中是無電荷流動(dòng)的，但是如果被屏蔽的殼內(nèi)的電荷隨時(shí)間變化，或者是殼外附近帶電體的電荷隨時(shí)間而變化，就會(huì)使接地線中有電流。屏蔽罩也可能出現(xiàn)剩余電荷，這時(shí)屏蔽作用又將是不完全和不徹底的?？傊忾]導(dǎo)體殼不論接地與否，內(nèi)部電場(chǎng)不受殼外電荷與電場(chǎng)影響；接地封閉導(dǎo)體殼外電場(chǎng)不受殼內(nèi)電荷的影響，這種現(xiàn)象叫靜電屏蔽。（3）靜電屏蔽的意義：a.實(shí)際意義：屏蔽使金屬導(dǎo)體殼內(nèi)的儀器或工作環(huán)境不受外部電場(chǎng)影響，也不對(duì)外部電場(chǎng)產(chǎn)生影響。有些電子器件或測(cè)量設(shè)備為了免除干擾，都要實(shí)行靜電屏蔽，如室內(nèi)高壓設(shè)備罩上接地的金屬罩或較密的金屬網(wǎng)罩，電子管用金屬管殼。又如作全波整流或橋式整流的電源變壓器，在初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間包上金屬薄片或繞上一層漆包線并使之接地，達(dá)到屏蔽作用。在高壓帶電作業(yè)中，工人穿上用金屬絲或?qū)щ娎w維織成的均壓服，可以對(duì)人體起屏蔽保護(hù)作用。在靜電實(shí)驗(yàn)中，因地球附近存在著大約100V／m的豎直電場(chǎng)。要排除這個(gè)電場(chǎng)對(duì)電子的作用，研究電子只在重力作用下的運(yùn)動(dòng)，則必須有eE＜meg，可算出E＜10-10V／m，這是一個(gè)幾乎沒有靜電場(chǎng)的“靜電真空”，這只有對(duì)抽成真空的空腔進(jìn)行靜電屏蔽才能實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，由一個(gè)封閉導(dǎo)體空腔實(shí)現(xiàn)的靜電屏蔽是非常有效的。b.理論意義：間接驗(yàn)證庫侖定律。三、例題精講例1圖7中A、B是兩個(gè)不帶電的相同的絕緣金屬球，它們靠近帶正電荷的金球C．在下列情況中，判斷A、B兩球的帶電情況：（1）A、B接觸后分開，再移去C，則A________，B______；（2）A、B接觸，用手指瞬間接觸B后再移去C，則A________，B_______；（3）A、B接觸，用手指接觸A，先移去C后再移去手指，則A_______，B_______．答案：（1）正、負(fù)（2）負(fù)、負(fù)（3）不帶電、不帶電例2如圖1，在真空中把一絕緣導(dǎo)體向帶負(fù)電的小球P緩慢地靠近（不相碰），下列說法中正確的是：（A）A．B端的感應(yīng)電荷越來越多B．導(dǎo)體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)越來越大C．導(dǎo)體的感應(yīng)電荷在M點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)恒大于在N點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)D．導(dǎo)體的感應(yīng)電荷在M、N兩點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)相等E．把A端接地，導(dǎo)體帶負(fù)電F．把AB的中點(diǎn)接地，導(dǎo)體不帶電G．把B端接地，導(dǎo)體帶正電H．把AB兩端用導(dǎo)線連起來的瞬間有電流從A端沿導(dǎo)線流向B端。解析：此題中，A項(xiàng)突出了感應(yīng)電荷是由于受到電場(chǎng)力作用定向移動(dòng)的結(jié)果。B項(xiàng)突出了建立靜電平衡狀態(tài)是以光速進(jìn)行的，故可認(rèn)為導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)時(shí)為零。C、D項(xiàng)突出了導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零，是感應(yīng)電荷的電場(chǎng)和場(chǎng)源電荷電場(chǎng)疊加的結(jié)果。E、F、G項(xiàng)突出了電荷移動(dòng)是因?yàn)閷?dǎo)體和地之間有電勢(shì)差，而并非是接地部位原來帶什么性質(zhì)的電荷。H項(xiàng)突出了處于靜電平衡的導(dǎo)體是一個(gè)等勢(shì)體。本題正確選項(xiàng)為A、C、G。例3帶正電的空心金屬球殼放于絕緣支座上，將五個(gè)原來不帶電的金屬球如圖2放置。靜電平衡后，下列說法中正確的是：（）A．D球不帶電且電勢(shì)高于A球B．B球帶負(fù)電且電勢(shì)為零C．因E球與金屬球殼內(nèi)部接觸，所以不帶電且與球殼電勢(shì)相等D．若C球通過導(dǎo)線與球殼內(nèi)壁接觸則C球不帶電E．若C球與D球通過導(dǎo)線相連，則C球不帶電F．若D球用導(dǎo)線接地，則E球帶正電A、C項(xiàng)突出了內(nèi)部無帶電體的帶電球殼，凈電荷分布在外表面，解析：內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零，且為一等勢(shì)體。但內(nèi)部不帶電不等于內(nèi)壁電勢(shì)為零，針對(duì)此，設(shè)計(jì)了D、E項(xiàng)。F項(xiàng)突出了內(nèi)部有帶電體的帶電球殼，電荷不僅分布在外表面，內(nèi)表面也有。例4將懸在細(xì)線上的帶正電的小球A放在不帶電的接地的金屬空心球C內(nèi)（不和球內(nèi)壁接觸），另有一個(gè)懸掛在細(xì)線上的帶負(fù)電的小球B向C靠近，如圖3，則出現(xiàn)的情況是：（）A．A往左偏離豎直方向B．B往右偏離豎直方向C．A、B都不偏離豎直方向D．C內(nèi)P處的電勢(shì)在減小E．C內(nèi)P處的場(chǎng)強(qiáng)在變大F．若C不接地，P處的電勢(shì)在減小G．若C不接地，P處的場(chǎng)強(qiáng)在變大解析：因?yàn)殪o電屏蔽，B的電場(chǎng)不影響A處，A的電場(chǎng)不影響B(tài)處，故A、B之間無相互作用。A受C內(nèi)壁感應(yīng)電荷的作用力為零，所以A不偏離，B受C上感應(yīng)的正電荷的吸引向右偏。P點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)僅由A決定，因?yàn)锳靜止不動(dòng)，故P處場(chǎng)強(qiáng)不變。C電勢(shì)為零，C、P間電勢(shì)差不變，所以P點(diǎn)電勢(shì)不變。若C不接地，由于靜電屏蔽，C內(nèi)電場(chǎng)僅由A確定，所以P處電場(chǎng)強(qiáng)度不變。但因C的電勢(shì)在降低，而C、P電勢(shì)差不變，所以P處電勢(shì)減小。圖11—2例5在正電荷附近有兩個(gè)絕緣導(dǎo)體M、N，由于靜電感應(yīng)發(fā)生了如圖11－2的電荷分布，當(dāng)用導(dǎo)線將a、d圖11—2解析：用導(dǎo)線連接不同靜電平衡導(dǎo)體或同一導(dǎo)體不同部位時(shí)，判斷電流方向的方法：（1）判斷有無電流要看導(dǎo)線兩連接點(diǎn)有無電勢(shì)差，判斷電流流向要看兩點(diǎn)電勢(shì)高低（電流總是由高電勢(shì)點(diǎn)流向低電勢(shì)點(diǎn)）。（2）一般思路：首先要明確哪個(gè)導(dǎo)體是場(chǎng)源電荷，哪個(gè)導(dǎo)體是電場(chǎng)中的導(dǎo)體。其次，判明兩不同導(dǎo)體或同一導(dǎo)體不同部位的兩點(diǎn)間電勢(shì)的高低，最后確定有無電流產(chǎn)生及電流的流向。答案：若用導(dǎo)線將a、b連接起來時(shí)，導(dǎo)線中沒有電流流過，有電流通過，方向是a→d。四、布置作業(yè)圖11-11．一金屬球，原來不帶電，現(xiàn)沿球的直徑的延長(zhǎng)線放置一均勻帶電細(xì)桿MN，如圖11－1所示，金屬球上感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)在球內(nèi)直徑上a，b，c三點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小分別為Ea，Eb，Ec，三者相比：（C）圖11-1A、Ea最大 B、Eb最大 C、Ec最大 D、Ea=Eb=Ec2．有一絕緣空心金屬球A，帶有4×10-6C的正電荷，一個(gè)有絕緣柄的金屬小球B，帶有2×10-63．一個(gè)不帶電的空心金屬球，在它的球心處放一個(gè)正點(diǎn)荷，其電場(chǎng)分布是圖2中的哪一個(gè)[B]4．如圖8，在真空中有兩個(gè)點(diǎn)電荷A和B，電量分別為－Q和＋2Q，它們相距L，如果在兩點(diǎn)電荷連線的中點(diǎn)O有一個(gè)半徑為r（2r＜L）的空心金屬球，且球心位于O點(diǎn)，則球殼上的感應(yīng)電荷在O點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)大小_____，方向________．答案：12kQ/L2，沿AB連線指向B。5．如圖所示，A帶正電，若導(dǎo)體C端接地，問B、C端各帶什么電荷？（B端帶負(fù)電荷，C端無凈電荷）若此時(shí)斷開C與地的連線，B、C端帶什么電荷？（B端負(fù)電荷，C端無電荷）整個(gè)導(dǎo)體凈余什么電荷？（負(fù)電荷）若B端接地，整個(gè)導(dǎo)體凈余什么電荷？（負(fù)電荷）6．如圖11－5所示，絕緣導(dǎo)體A帶正電，導(dǎo)體不帶電，由于靜電感應(yīng)，使導(dǎo)體B的M端帶上負(fù)電，而N端則帶等量的正電荷。（1）用導(dǎo)線連接M、N，導(dǎo)線中有無電流流過？圖11-5（2）若將M、N分別用導(dǎo)線與大地相連，導(dǎo)線中有無電流流過？方向如何？圖11-5解析：A為帶正電的場(chǎng)源電荷，由正電荷即形成的電場(chǎng)的電勢(shì)分布可知：UA＞UB＞U地，其中，B是電場(chǎng)中處于靜電平衡的導(dǎo)體。UM=UN=UB。當(dāng)用導(dǎo)線在不同位置間連接時(shí)，電流定由高電勢(shì)流向低電勢(shì)，而在電勢(shì)相等的兩點(diǎn)間連接時(shí)，則導(dǎo)線中無電流通過。所以：（1）因?yàn)閁M=UN，故導(dǎo)線中無電流。（2）因?yàn)閁M=UN=UB＞U地，所以無論用導(dǎo)線將M還是N與大地相連，電流均由導(dǎo)體B流向大地。圖11-67．如圖11－6中，實(shí)心金屬球A半徑為R，帶電量為Q，點(diǎn)電荷B帶電量為q。B與A球間的距離為r。當(dāng)B不存在而只有A存在且達(dá)到靜電平衡狀態(tài)時(shí)，電荷Q在球心O處的電場(chǎng)強(qiáng)度等于________。當(dāng)點(diǎn)電荷B也同時(shí)存在并達(dá)到靜電平衡時(shí)，球心O處的電場(chǎng)強(qiáng)度等于________，金屬球上的電荷在球心O處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的大小等于________。圖11-6圖11-7答案：0；0；k圖11-78．如圖11－7所示，A、B為兩個(gè)大小不等的導(dǎo)體球殼（RA＞RB），分別有正電荷q與2q。（1）球殼B與A接觸一下后，將B放進(jìn)A球殼內(nèi)與內(nèi)表面接觸，則A的帶電情況是________，B的帶電情況是________。圖11-8（2）球殼B與A接觸一下后，將B球殼放進(jìn)A球殼內(nèi)，使A瞬間接地，再將B與A的內(nèi)表面接觸，則A的帶電情況是________；B球帶電情況是________。圖11-8答案：（1）外表面帶電3q；不帶電（2）不帶電；不帶電9．如圖11－8所示，將一不帶電的空腔導(dǎo)體A的內(nèi)壁與一外殼接地的靜電計(jì)相連，又將另一個(gè)帶正電的導(dǎo)體B向A移動(dòng)，最后B與A接觸，此過程中靜電計(jì)指針將會(huì)（D）

A、B與A未接觸時(shí)指針不張開，接觸時(shí)變大B、指針一直不張開C、B與A未接觸時(shí)指針不張開，接觸時(shí)變小D、B與A靠近時(shí)指針張開，接觸時(shí)張角最大圖11-910．如圖11－9所示，兩個(gè)相同的空心金屬球M和N，M帶－Q電荷，N不帶電，旁邊各放一個(gè)不帶電的金屬球P和R（M、N相距很遠(yuǎn)，互不影響），當(dāng)將