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第1页共9页静电屏蔽一、教学目标1、知识目标(1)知道静电感应产生的原因，理解什么是静电平衡状态；(2)理解静电平衡时，导体内部的场强处处为零，电荷只分布在导体的外表面上；(3)知道静电屏蔽及其应用。2、能力目标(1)培养学生的观察能力，逻辑推理的能力，分析问题的能力；(2)掌握分析和综合等思维方法。3、德育目标(1)使学生在理解知识、获取知识的同时体会到了理论联系实际的意义；(2)渗透具体问题具体分析的方法。二、教学重点、难点1．静电场中静电平衡状态下导体的特性，即其电荷分布、电场分布等，这是重点。2．运用电场有关知识，分析、推理出实验现象的成因，这是难点。三、教学方法实验法，推理法、归纳法、讲练法。四、教具验电器两个、法拉第圆筒一个、有绝缘柄的金属小球一个，带绝缘支架的金属球一个、金属网罩一个。五、教学过程：（一）新课引入什么是静电感应现象？将不带电的导体靠近带电体时，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。为什么会产生静电感应现象呢？电场的重要性质是对放入其中的电荷有力的作用，导体内部有大量自由电荷，把导体放入电场中，对金属导体来说，是由做热振动的正离子和在它们之间做无规则热运动的自由电子组成的。将一不带电导体靠近带电体时，导体即处于带电体所形成的电场中，导体内的自由电子在电场力的作用下，逆着电场线定向移动，使导体一侧集聚负电荷，而导体另一侧则集聚等量的正电荷。①可根据同性相斥、异性相吸来判断电荷的分布情况。②也可以分析距A远近不同，电势不同，而金属导体中自由电子在电场力作用下由电势低处运动至电势高处。静电感应现象中，导体不同部分出现的净电荷称为感应电荷。静电场中导体上自由电荷受电场力作用做定向移动会不会一直运动下去？（二）进行新课第2页共9页一、静电平衡状态1．静电平衡状态导体置于电场中时，自由电荷受力，发生定向移动，从而重新分布。重新分布的电荷在导体内产生一个与原电场反向的电场，阻碍电荷定向移动，直至最后无电荷定向移动为止，这时感应电荷电场与原电场的合场强为零。①什么是静电平衡状态：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．静电平衡状态的特点：（1）处于静电平衡状态，导体内场强处处为零。例1导体杆放于点电荷+Q附近达到静电平衡后，求杆中距Q为r的一点Q的电场强度及杆上感应电荷在a点产生的电场强度。解析：因为杆处于静电平衡状态，故Ea=0a点场强由+Q产生的电场强度和感应电荷电场合成。EQ＋E感＝Ea＝0（2）在静电平衡状态下，净电荷只能分布在导体外表面上。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。实验1法拉第圆筒实验。使筒A带电，至A中箔片张开为止，利用验电球B可先从A外表面接触，再与验电器金属球C接触，反复几次后，可明显地看到C金属箔片张开，可说明A外表面有电荷。若使B与A内壁接触后再与C接触，则C金属箔将不张开，可验证A内壁无电荷。若使用一根导线与A的外表面和C连接，结果会怎样呢？C的金属箔片张开，A的金属箔片张开角度减小。若使用一根导线与A的内壁和C连接，结果会怎样呢？C的金属箔片张开，A的金属箔片张开角度减小。（3）处于静电平衡状态的导体表面上任一点场强方向与该点表面垂直。可用反证法证明，若不垂直，沿表面有切向分量，电荷将发生定向移动。第3页共9页（4）在没有外电场的带电导体平衡时，其内部场强处处为零。（5）处于静电平衡状态导体是个等势体，导体表面是等势面，沿导体表面移动电荷，电场力与表面切向垂直，电场力做功为零。所以电势差为零，表面是等势面。内部处处E=0，任两点间移动电荷，电场力为零，任两点等势，所以是等势体。注：处于静电平衡状态的导体，其内部的自由电子依然在做无规则的运动。二、静电屏蔽实验2先使A带电，然后移近验电器B，由于静电感应，B的金属箔片张开，若把B置于金属网罩中，可发现B的金属箔片不张开。简单分析：验电器B上没有感应电荷，说明金属网罩内无电场。任取一个导体壳，处于静电场中，壳内无电场。反证法：若有电场，电场线发自壳壁，终止于壳壁，与壳是等势体相矛盾，这样的电场线不存在。（1）封闭导体壳内部电场不受壳外电荷或电场影响。如壳内无带电体而壳外有电荷q，则静电感应使壳外壁带电（如图1）。静电平衡时壳内无电场。这不是说壳外电荷不在壳内产生电场，由于壳外壁感应出异号电荷，它们与q在壳内空间任一点激发的合场强为零。因而导体壳内部不会受到壳外电荷q或其他电场的影响。壳外壁的感应电荷起了自动调节作用。如果把上述空腔导体外壳接地（图2），则外壳上感应正电荷将沿接地线流入地下。静电平衡后空腔导体与大地等势，空腔内场强仍然为零。如果空腔内有电荷，则空腔导体仍与地等势，导体内无电场。这时因空腔内壁有异号感应电荷，因此空腔内有电场（图3）。此电场由壳内电荷产生，壳外电荷对壳内电场仍无影响。由以上讨论可知，封闭导体壳不论接地与否，内部电场不受壳外电荷影响。（2）接地封闭导体壳外部电场不受壳内电荷的影响。第4页共9页如果壳内空腔有电荷q，因为静电感应，壳内壁带有等量异号电荷，壳外壁带有等量同号电荷，壳外空间有电场存在（图4），此电场可以说是由壳内电荷q间接产生。也可以说是由壳外感应电荷直接产生的。但如果将外壳接地，则壳外电荷将消失，壳内电荷q与内壁感应电荷在壳外产生电场为零（图5）。可见如果要使壳内电荷对壳外电场无影响，必须将外壳接地。这与第一种情况不同。这里还须注意：①我们说接地将消除壳外电荷，但并不是说在任何情况壳外壁都一定不带电。假如壳外有带电体，则壳外壁仍可能带电，而不论壳内是否有电荷（图6）。②实际应用中金属外壳不必严格完全封闭，用金属网罩代替金属壳体也可达到类似的静电屏蔽效果，虽然这种屏蔽并不是完全、彻底的。③在静电平衡时，接地线中是无电荷流动的，但是如果被屏蔽的壳内的电荷随时间变化，或者是壳外附近带电体的电荷随时间而变化，就会使接地线中有电流。屏蔽罩也可能出现剩余电荷，这时屏蔽作用又将是不完全和不彻底的。总之，封闭导体壳不论接地与否，内部电场不受壳外电荷与电场影响；接地封闭导体壳外电场不受壳内电荷的影响，这种现象叫静电屏蔽。（3）静电屏蔽的意义：a.实际意义：屏蔽使金属导体壳内的仪器或工作环境不受外部电场影响，也不对外部电场产生影响。有些电子器件或测量设备为了免除干扰，都要实行静电屏蔽，如室内高压设备罩上接地的金属罩或较密的金属网罩，电子管用金属管壳。又如作全波整流或桥式整流的电源变压器，在初级绕组和次级绕组之间包上金属薄片或绕上一层漆包线并使之接地，达到屏蔽作用。在高压带电作业中，工人穿上用金属丝或导电纤维织成的均压服，可以对人体起屏蔽保护作用。在静电实验中，因地球附近存在着大约100V／m的竖直电场。要排除这个电场对电子的作用，研究电子只在重力作用下的运动，则必须有eE＜meg，可算出E＜10-10V／m，这是一个几乎没有静电场的“静电真空”，这只有对抽成真空的空腔进行静电屏蔽才能实现。事实上，由一个封闭导体空腔实现的静电屏蔽是非常有效的。b.理论意义：间接验证库仑定律。三、例题精讲例1图7中A、B是两个不带电的相同的绝缘金属球，它们靠近带正电荷的金球C．在下列情况中，判断A、B两球的带电情况：（1）A、B接触后分开，再移去C，则A________，B______；（2）A、B接触，用手指瞬间接触B后再移去C，则A________，B_______；（3）A、B接触，用手指接触A，先移去C后再移去手指，则A_______，B_______．答案：（1）正、负（2）负、负（3）不带电、不带电例2如图1，在真空中把一绝缘导体向带负电的小球P缓慢地靠近（不相碰），下列说法中正确的是：（A）第5页共9页A．B端的感应电荷越来越多B．导体内场强越来越大C．导体的感应电荷在M点产生的场强恒大于在N点产生的场强D．导体的感应电荷在M、N两点的场强相等E．把A端接地，导体带负电F．把AB的中点接地，导体不带电G．把B端接地，导体带正电H．把AB两端用导线连起来的瞬间有电流从A端沿导线流向B端。解析：此题中，A项突出了感应电荷是由于受到电场力作用定向移动的结果。B项突出了建立静电平衡状态是以光速进行的，故可认为导体内电场强度时时为零。C、D项突出了导体内部场强为零，是感应电荷的电场和场源电荷电场叠加的结果。E、F、G项突出了电荷移动是因为导体和地之间有电势差，而并非是接地部位原来带什么性质的电荷。H项突出了处于静电平衡的导体是一个等势体。本题正确选项为A、C、G。例3带正电的空心金属球壳放于绝缘支座上，将五个原来不带电的金属球如图2放置。静电平衡后，下列说法中正确的是：（）A．D球不带电且电势高于A球B．B球带负电且电势为零C．因E球与金属球壳内部接触，所以不带电且与球壳电势相等D．若C球通过导线与球壳内壁接触则C球不带电E．若C球与D球通过导线相连，则C球不带电F．若D球用导线接地，则E球带正电A、C项突出了内部无带电体的带电球壳，净电荷分布在外表面，解析：内部电场强度处处为零，且为一等势体。但内部不带电不等于内壁电势为零，针对此，设计了D、E项。F项突出了内部有带电体的带电球壳，电荷不仅分布在外表面，内表面也有。例4将悬在细线上的带正电的小球A放在不带电的接地的金属空心球C内（不和球内壁接触），另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，如图3，则出现的情况是：（）A．A往左偏离竖直方向B．B往右偏离竖直方向C．A、B都不偏离竖直方向D．C内P处的电势在减小E．C内P处的场强在变大F．若C不接地，P处的电势在减小G．若C不接地，P处的场强在变大解析：因为静电屏蔽，B的电场不影响A处，A的电场不影响B处，故A、B之间无相互作用。A受C内壁感应电荷的作用力为零，所以A不偏离，B受C上感应的正电荷的吸引向右偏。P点第6页共9页的场强仅由A决定，因为A静止不动，故P处场强不变。C电势为零，C、P间电势差不变，所以P点电势不变。若C不接地，由于静电屏蔽，C内电场仅由A确定，所以P处电场强度不变。但因C的电势在降低，而C、P电势差不变，所以P处电势减小。例5在正电荷附近有两个绝缘导体M、N，由于静电感应发生了如图11－2的电荷分布，当用导线将a、d两点连接起来时，导线中是否有电流流过，如果有电流，电流的方向是怎样的？解析：用导线连接不同静电平衡导体或同一导体不同部位时，判断电流方向的方法：（1）判断有无电流要看导线两连接点有无电势差，判断电流流向要看两点电势高低（电流总是由高电势点流向低电势点）。（2）一般思路：首先要明确哪个导体是场源电荷，哪个导体是电场中的导体。其次，判明两不同导体或同一导体不同部位的两点间电势的高低，最后确定有无电流产生及电流的流向。答案：若用导线将a、b连接起来时，导线中没有电流流过，有电流通过，方向是a→d。四、布置作业1．一金属球，原来不带电，现沿球的直径的延长线放置一均匀带电细杆MN，如图11－1所示，金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a，b，c三点的场强大小分别为Ea，Eb，Ec，三者相比：（C）A、Ea最大B、Eb最大C、Ec最大D、Ea=Eb=Ec2．有一绝缘空心金属球A，带有4×10-6C的正电荷，一个有绝缘柄的金属小球B，带有2×10-6C的负电荷．若把B球跟A球的内壁相接触，如图6所示，则B球上电量为______C，A球上电量为_______C，分布在_______．3．一个不带电的空心金属球，在它的球心处放一个正点荷，其电场分布是图2中的哪一个[B]图11-1图11—2第7页共9页4．如图8，在真空中有两个点电荷A和B，电量分别为－Q和＋2Q，它们相距L，如果在两点电荷连线的中点O有一个半径为r（2r＜L）的空心金属球，且球心位于O点，则球壳上的感应电荷在O点处的场强大小_____，方向________．答案：12kQ/L2，沿AB连线指向B。5．如图所示，A带正电，若导体C端接