静电现象的应用.doc

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？
【理论分析】教师可引导学生利用反证法，假如导体内部有电荷，导体内部的电场就不可能为零，自由电荷就会发生定向移动，导体也就没有处于静电平衡状态，与事实不相吻合，所以导体内部没有电荷。
引导学生分组讨论，得出结论：
1．导体内没有电荷，电荷只分布在导体的表面；
2．在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度越大（如图）。

四、静电现象的应用
（一）尖端放电
【思考与讨论】电荷在导体上分布与导体的形状有关，导体尖端，越尖锐的地方电荷密度越大，附近的电场越强，若尖端的电荷密度足够大，电场强度足够强，将会导致什么后果呢？
【分组讨论】教师引导，每组学生代表发言，猜想可能出现的情况。
【学生】尖端放电。
【实验演示】尖端放电现象。
【思考与讨论】通过教师演示尖端放电现象，引导学生思考：为什么会出现尖端放电现象，怎么解释？
教师引导学生阅读教材“尖端放电”部分，并播放尖端放电的flash视频，得出产生尖端放电现象的形成原因：导体尖端电荷密度很大，电场很强，使空气中的分子发生电离形成自由电子和带正电的离子，在强电场作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子，那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这种现象叫做尖端放电。
引导学生，举例生活中关于尖端放电现象的例子。
【学生】避雷针、“电风”吹蜡烛、汽车接地放电……（对于学生所列举的现象，请其他同学进行分析）
（二）静电屏蔽
展示下列图片，要求学生认真观察：

【思考与讨论】（1）从图片中看到什么？（电力工人及工作服）
（2）超高压带电作业的工人为什么会相安无事，难道他们不怕电吗？
（关于上述两个问题，由于学生缺少必要的生活常识，第二个问题难度较大，教师在教学过程中建议提前布置学生去了解相关知识）
通过上述现象的讨论，学生知道了带有金属丝的工作服对电力工人起到保护作用。
【思考与讨论】带有金属丝的工作服为什么会对工人起到保护作用呢？（引出静电屏蔽的概念）
【理论分析】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，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，这种现象叫做静电屏蔽。
【类比实验演示】通过实验展示，让学生体会静电屏蔽现象的存在。
【实验一】验电器未罩金属网，用带电金属球靠近验电器，观察现象。
【现象一】验电器金属箔片张开，验电器带电。
【实验二】验电器罩上金属网，用带电金属球靠近验电器，观察现象。
【现象二】验电器金属箔片不张开，验电器不带电。

【视频播放】小鸟静电屏蔽和小孩静电屏蔽（学生观看视频之后，更加加深对静电屏蔽现象的理解）

小鸟静电屏蔽                 小孩静电屏蔽
【静电屏蔽的应用】教师引导学生举例，生活中的静电屏蔽现象。
【学生】（1）电子仪器外套金属网罩，通讯电缆外包一层铅皮等。
（2） 超高压带电作业的工人穿着的工作服，是用包含金属丝的织物制成的。
……
五、本节知识小结
本节主要学了以下几个问题（请学生总结，教师做必要的补充）：
1．静电平衡状态下导体的电场
学习了静电平衡、静电平衡状态的概念，知道静电平衡的条件是导体内部的场强处处为零。学习了静电平衡导体的特点。
2．导体上电荷的分布
（1）导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面。
（2）在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度越大。
3．尖端放电
了解了尖端放电现象及其应用。
4．静电屏蔽
了解了静电屏蔽现象及其应用。
【现象解释】对于武当山顶的“雷火炼殿”现象进行解释：
【学生】原理是静电屏蔽现象。
◆知识结构与板书设计

◆作业设计
（一）利用互联网查阅生活中的静电现象，分类归纳，撰写科普文章。
（二）完成教材《问题与练习》1、2题。
◆教学反思
在本节课教学过程中，教师的实验演示和问题引导是不可或缺的，教师在科学探究、指导、组织等方面起到主导的作用，但是同时又不能霸占学生的课堂时间，将课堂还给学生。
由于本堂课的涉及的概念很抽象，但同时跟生活非常贴近，实验探究和理论推导探究变得尤为重要，实验能客观形象地展示，给予学生感性的认识，同时为了让学生真正掌握相应的知识，必须要利用已学过的知识作为基础，进行推导，增加学生理性的认识。所以每个演示实验必须尽可能的规范、有效果，在理论推导中设置阶梯式的问题对学生的思路进行引导。
学生在学习本节知识之后，让学生学以致用，通过举例，解释相应的现象，让学生真实地感受学习物理带来的喜悦。