神奇的“引雷针”.doc

科目物理年级高一作者王华彪时间2010年 12月 课题神奇的“引雷针"教学目标︵知识能力︶1、知识与技能：掌握避雷针的工作原理；了解避雷针的安全使用注意事项及避雷针的有效保护范围2、过程与方法：通过避雷针的发展历史了解人类认识避雷针的过程；通过对避雷针的原理、学习了解安全避雷等知识；通过避雷针的学习培养学生的物理学习兴趣.3、情感态度与价值观：通过分析日常现象，培养学生探究周围事物的习惯及解决实际问题的能力；通过交流活动培育学生发表见解的意识和与他人交流的愿望;通过避雷针的发展过程学习科学家勇于探索真理的精神教材分析︵重点难点︶重点:避雷针的工作原理难点：避雷针保护范围的计算教学过程设计教学过程设计教学过程设计教学过程设计教学过程设计教学过程设计一、 情景引入故事1:唐代《炙毂子》一书在记载了这样一件事：汉朝时柏梁殿遭到火灾，开始人们认为是“天火”很紧张，一位巫师建议，将一块鱼尾形状的铜瓦放在层顶上，就可以防止天火故事2：法国旅行家卡勃里欧别·戴马甘兰1688年所著的《中国新事》一书中记有：中国屋脊两头，都有一个仰起的龙头，龙口吐出曲折的金属舌头，伸向天空,舌根连结一根细的铁丝，直通地下.教师:巫师的建议有道理吗？为什么屋脊上要设计一个龙头？除了装饰的作用之外,还有其他的作用吗?本节我们一起来学习有关知识。

二、 新课教学（一）雷电现象及危害教师:雷电是伴有闪电和雷雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象.雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷风积雨云顶部一般较高，可达20公里，云的上部常有冰晶冰晶的凇附,水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷.云中电荷的分布较复杂,但总体而言,云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主.因此，云的上、下部之间形成一个电位差当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象.闪电的的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特.一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦，相当于一座小型核电站的输出功率放电过程中，由于闪电通道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣 带有电荷的雷云与地面的突起物接近时，它们之间就发生激烈的放电在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声这就是人们见到和听到的闪电雷鸣学生活动讨论:雷电现象有哪些危害?教师总结：（1） 损毁建筑物雷电现象中，大量电荷要找到一个通道来泄放，有的时候是一个建筑物，有的时候是一个铁塔，所以这些物体都变成电荷泄放的一个通道,就把建筑物给损坏了。

2）造成大量人员伤亡雷电对人体的伤害，有电流的直接作用和超压或动力作用，以及高温作用.当人遭受雷电击的一瞬间，电流迅速通过人体，重者可导致心跳、呼吸停止，脑组织缺氧而死亡另外，雷击时产生的是火花,也会造成不同程度的皮肤烧灼伤雷电击伤,亦可使人体出现树枝状雷击纹，表皮剥脱,皮内出血，也能造成耳鼓膜或内脏破裂等雷电对人体的伤害，有电流的直接作用和超压或动力作用，以及高温作用当人遭受雷电击的一瞬间,电流迅速通过人体，重者可导致心跳、呼吸停止，脑组织缺氧而死亡另外,雷击时产生的是火花，也会造成不同程度的皮肤烧灼伤.雷电击伤，亦可使人体出现树枝状雷击纹,表皮剥脱，皮内出血，也能造成耳鼓膜或内脏破裂（3）造成大量用电器不能正常的工作,烧毁电器,磁场干扰了通信等.教师：既然雷电现象有如此大的危害，我们可以有什么方法避免雷击呢？（二）避雷针的定义提问：高达建筑物的顶端有一个针尖状的东西，那是什么？学生：教师:对,避雷针，或称引雷针、可以称为避雷导线，也可以称富兰克林针 （以其发明者富兰克林Benjamin Franklin的名称之)是一种用于牵制闪电的电击到地面的设备，它是一种能截引闪电，将闪电的电流导入地下装置，并能在一定的面积范围内保护地面建筑物或电力设备，使受电击物备免受雷击破坏的金属物装置.常用的制造材料为铜。

三）避雷针的原理教师:在雷雨天气，高楼上空出现带电云层时，避雷针和高楼顶部都被感应上大量电荷,由于避雷针针头是尖的，所以静电感应时，导体尖端总是聚集了最多的电荷这样，避雷针就聚集了大部分电荷.避雷针又与这些带电云层形成了一个电容器，由于它较尖，即这个电容器的两极板正对面积很小，电容也就很小,也就是说它所能容纳的电荷很少而它又聚集了大部分电荷,所以,当云层上电荷较多时，避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿，成为导体.这样,带电云层与避雷针形成通路，而避雷针又是接地的,避雷针就可以把云层上的电荷导入大地，使其不对高层建筑构成危险,保证了它的安全常规防雷电可分为防直击雷电、防感应雷电和综合性防雷电防直击雷电的避雷装置一般由三部分组成,即接闪器、引下线和接地体；接闪器又分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网以避雷针作为接闪器的防雷电原理是:避雷针通过导线接入地下，与地面形成等电位差,利用自身的高度，使电场强度增加到极限值的雷电云电场发生畸变,开始电离并下行先导放电；避雷针在强电场作用下产生尖端放电，形成向上先导放电；两者会合形成雷电通路，随之泻入大地，达到避雷效果实际上，避雷针是引雷针,可将周围的雷电引来并提前放电，将雷电电流通过自身的接地导体传向地面,避免保护对象直接遭雷击避雷针实际上是将天空中的电荷通过导体引入大地,避免了雷击时的强大电流对建筑物或人的伤害，从而有效保护了人类。

四)避雷针的保护范围当避雷针的高度h≤hr时距地面hr处作一条平行于地面的平行线，以避雷针的针尖为圆心，hr为半径画弧，交水平线于A、B两点，又分别以A、B两点为圆心，hr为半径，从针尖向地面画弧.如图1所示，则图中曲线就是避雷针保护范围的边界，保护范围是一个对称的锥体.19世纪60年代以来,又提出了计算避雷针保护范围的击距法，认为保护范围还受雷电流大小的影响但迄今为止,还没有一种为各国科学家和工程师公认的、计算保护范围的完善方法五)避雷针的发展历程教师：最早的避雷针：据《后汉书》记载，一次当时的重要宫殿未央宫和柏梁台遭雷电袭击发生火灾不久，就有一位名叫勇之的方士向汉武帝建议，在宫殿的屋脊上安装“鸱鱼”来防止灾难此后两千年来，我国古建筑的屋脊上大多安装这一类金属瓦饰，有的是龙,有的是飞鱼和雄鸡，它们虽然形状各异,却都有尖状物指向天空，尽管没有引导线与地面连接,但大雨淋湿的屋檐和墙壁自然起到了连接地面的作用由于这类瓦饰高于建筑物之上，即使是猛烈地落地雷,也通常只是击毁瓦饰而保留建筑物主体教师：法国旅行家卡勃里欧别·戴马甘兰1688年所著的《中国新事》一书中记有：中国屋脊两头，都有一个仰起的龙头，龙口吐出曲折的金属舌头，伸向天空，舌根连结一根细的铁丝，直通地下。

这种奇妙的装置，在发生雷电的时刻就大显神通,若雷电击中了屋宇,电流就会从龙舌沿线睛行至地底，避免雷电击毁建筑物这说明，中国古代建筑上上的避雷装置,在大批量和结构上已和现代避雷针基本相似教师:现代避雷针是美国科学家富兰克林发明的，富兰克林认为闪电是一种放电现象为了证明这一点，他在1752年7月的一个雷雨天，冒着被雷击的危险，将一个系着长长金属导线的风筝放飞进雷雨云中，在金属线末端拴了一串银钥匙当雷电发生时,富兰克林手接近钥匙，钥匙上迸出一串电火花手上还有麻木感幸亏这次传下来的闪电比较弱，富兰克林没有受伤注意:这个试验是很危险的，千万不要擅自尝试1753年,俄国著名电学家利赫曼为了验证富兰克林的实验，不幸被雷电击死,这是做雷电实验的第一个牺牲者此后陆续有十几个科学家做类似的实验死亡在成功地进行了捕捉雷电的风筝实验之后，富兰克林在研究闪电与人工摩擦产生的电的一致性时，他就从两者的类比中作出过这样的推测：既然人工产生的电能被尖端吸收，那么闪电也能被尖端吸收他由此设计了风筝实验,而风筝实验的成功反过来又证实了他的推测.他由此设想，若能在高物上安置一种尖端装置,就有可能把雷电引入地下富兰克林把这种避雷装置：把一根数米长的细铁棒固定在高大建筑物的顶端，在铁棒与建筑物之间用绝缘体隔开。

然后用一根导线与铁棒底端连接再将导线引入地下富兰克林把这种避雷装置称为避雷针经过试用，果然能起避雷的作用避雷针的发明是早期电学研究中的第一个有重大应用价值的技术成果避雷针在北美迅速传播而避雷针在最初发明与推广应用时，教会曾把它视为不祥之物，说是装上了富兰克林的这种东西，不但不能避雷，反而会引起上帝的震怒而遭到雷击，但是,在费城等地,拒绝安置避雷针的一些高大教堂在大雷雨中相继遭受雷击而比教堂更高的建筑物由于已装上避雷针，在大雷雨中却安然无恙由于避雷针已在费城等地初显神威，它立即传到北美各地,随后又传入欧洲后来才进入亚洲避雷针传入法国避雷针传入法国后,法国皇家科学院院长诺雷等人开始反对使用避雷针,后来又认为圆头避雷针比富兰克林的尖头避雷针好但法国人仍然选用富兰克林的尖头避雷针据说当时的法国人把富兰克林看作是苏格拉底的化身富兰克林成了人们崇拜的偶像他的肖像被人们珍藏在枕头下面，而仿照避雷针式样的尖顶帽成了1778年巴黎最摩登的帽子避雷针传入英国避雷针传入英国后，英国人也曾广泛采用了富兰克林的尖头避雷针但美国独立战争爆发后，富兰克林的尖头避雷针在英国人眼中似乎成了将要诞生的美国的象征.据说英国当时的国王乔治二世出于反对美国革命的盛怒,曾下令把英国全部后家建筑物上的避雷针的尖头统统换成圆头，以示与作为美国象征的尖头避雷针势不两立，这真是避雷针应用史上一件有趣的事情(六）雷击趣事案例1为什么雷击总是爱“光顾”女性?广东大沙头码头发生雷击，造成游客一死一伤，这次雷击事件中，被雷击中的两人是一对父女，父亲伤不重,处理后便可出院回家；但19岁的女儿被送到医院时已没有心跳，呼吸也停止了，医院虽努力抢救，最终也未能把她从鬼门关里拉回来。

科学家经过统计发现,累计造成的伤亡女性所占比重约为70％.对此，有一种说法认为，这可能与女性身上所戴的金属-——比如项链，或所带的雨伞、等有关系防雷专家指出，这并不是最主要的，现在人们身上一般都会有那么几件金属,如、钥匙等等.“国外经过长期的调查，并已研究出一个规律，就是当女性与男性同时被雷击中后，女性受伤程度要比男性严重”,专家进一步解释，这是因为女性体内的脂肪比例比男性高，脂肪中所含水分高达70%,而水的电阻率是很小的,换言之，导电率就高于男性了案例2:为什么遭受雷击的人居然还能活命？应该说，几千万伏特的电荷和几十万安培的电流瞬间就能让人毙命，可有些人却活了下来有人认为闪电和裸露的电线不是一回事有时闪电甚至都不会在身体上留下任何痕迹，但是穿透了内脏或者恰恰相反，只从外面一过，燎着了衣服，烧着了皮鞋强大的电流有时是在几百万分之一秒的瞬间“击透”全身，所以未能总是烧成灰烬关键是要看体内器官和组织平均值为700欧姆的抵抗力，这个抵抗力越大，后果便越严重人遭雷击时首先是作为体内电路的神经纤维“起火"，不过最多是其保护膜受损,这种保护膜就其实质很像电线中的绝缘体人遭雷击恢复常态后，甚至都没能感觉到有什么变化.有时得几个月后才有所感觉，到那时神经纤维开始“变短”，在一些不该有的地方有了接触. 三、 学生练习教师：（1）回答上课前的提问：中国古代房顶安装龙头，龙头的里面的金属有什么作用？学生讨论回答教师总结：这种奇妙的装置，在发生雷电的时刻就大显神通，若雷电击中了屋宇，电流就会从龙舌沿线睛行至地底,避免雷电击毁建筑物.这说明。