高中物理第一章静电场第7节静电现象的应用教学案新人教版选修3_1

第7节 静电现象的应用一、静电平衡状态下导体的电场和电荷分布1静电感应现象：把导体放入电场，导体内部的自由电荷在电场力作用下定向移动，而使导体两端出现等量异种电荷的现象。2静电平衡状态：导体在电场中发生静电感应现象，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部各点的合电场等于0，导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。3静电平衡状态的特征(1)处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零。(2)处于静电平衡状态的导体，外部表面附近任何一点的场强方向必跟该点的表面垂直。(3)处于静电平衡状态的整个导体是个等势体，导体的表面为等势面。4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(单位面积的电荷量)越大，凹陷的位置几乎没有电荷。选一选处于静电平衡中的导体，内部场强处处为零的原因是()A导体内部无任何电场B外电场不能进入导体内部C所有感应电荷在导体内部产生的合场强为零D外电场和所有感应电荷产生的电场在导体内部叠加的结果解析：选D导体内部场强处处为零是由于感应电荷的电场与外电场叠加的结果，D正确。二、尖端放电和静电屏蔽1电离：导体尖端的电荷密度很大，附近的场强很强，空气中的带电粒子剧烈运动，使空气分子被撞“散”而使正负电荷分离的现象。2尖端放电：导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异种离子与尖端的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象。3静电屏蔽：静电平衡时，导体壳内空腔里的电场处处为零，外电场对壳内不会产生影响。4尖端放电和静电屏蔽的应用、防止：(1)尖端放电。应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。防止：高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失。(2)静电屏蔽应用：电学仪器外面有金属壳，野外高压线上方还有两条导线与大地相连。选一选关于避雷针能够避免建筑物被雷击的原因下列分析错误的是()A云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地B避雷针的尖端向云层放电，中和了云层中的电荷C云层与避雷针发生摩擦，避雷针上产生的电荷被导入大地D避雷针由尖锐的导体做成，利用的是尖端放电现象解析：选C带电荷的云层在避雷针尖端感应出与云层相反的静电，达到一定程度就会发生尖端放电，中和云层中的电荷，同时将云层中的电荷导入大地，避免了雷击现象，A、B、D对，C错。 1.静电平衡状态的实质由于静电感应，在导体两侧出现等量异种感应电荷，感应电荷在导体内部形成与电场E0反向的电场E，在导体内任一点EE0，使得合电场强度E内0。2对孤立带电导体的理解对一孤立带电导体，可视为导体处于自己所带电荷的电场中，达到静电平衡时，也有两个基本特点：一是导体内部的场强处处为零，二是导体所带电荷只能分布在导体的外表面上。这种情况下导体内部场强为零的本质是：导体表面所带全部电荷在内部任一处产生的电场强度的矢量和为零。3对静电平衡时导体上电荷的分布的理解(1)实心导体：导体内部无电荷，电荷只分布在导体外表面上。(2)空腔导体：空腔内无电荷时，电荷分布在外表面上(内表面无电荷)；空腔内有电荷时，内表面因静电感应出现等量的异号电荷，外表面有感应电荷。典型例题例1.AB是长为L的金属杆，P1，P2是位于AB所在直线上的两点，位置如图所示，在P2点有一个带电量为Q的点电荷，试求出金属杆上的感应电荷在P1点产生的场强大小和方向。解析由于金属杆处于静电平衡状态，P1点的合场强为零，因此金属杆上的感应电荷在P1点产生的场强与点电荷Q在P1点产生的场强大小相等、方向相反，从而得：Ek，方向向右。答案k方向向右点评感应电荷场强的求解思路(1)求解外电场在该处场强的大小和方向。(2)利用导体内部合场强处处为零和电场的叠加原理，求解感应电荷在该处的场强，此场强与外电场的场强大小相等，方向相反。即时巩固1如图所示为一空腔球形导体(不带电)，现将一个带正电荷的小金属球A放入空腔中，当静电平衡时，图中a、b、c三点的场强E和电势的关系是()AEaEbEc，abcBEaEbEc，abcCEaEbEc，abcDEaEcEb，abc解析：选D空腔球形导体在正电荷A的电场中感应的结果如图所示，从电场线的疏密可确定a点场强大于c点场强，而b点场强为零，故EaEcEb，而沿着电场线电势降低，故abc，D选项正确。 1.“远近观”法：处于静电平衡状态的导体，离场源电荷较近和较远的两端感应出等量的异种电荷，而导体的中间部分因感应电荷较少，可认为无感应电荷产生，如图甲所示。2“整体观”法：当两个或多个原来彼此绝缘的导体接触或用导线连接时，就可把它们看做是一个大导体，再用“远近观”判断它们的带电情况，如有些问题所提到的“用手触摸某导体”，其实就是导体通过人体与大地构成一个大导体。不要认为导体内部没有电荷，用导线连接带电体内部时，小球Q就不带电，其实它们连接后就已成为一个整体，故小球通过导线得到了电荷，如图乙所示。典型例题例2.多选如图所示，在绝缘板上放有一个不带电的金箔验电器A和一个带正电荷的空腔导体B。下列实验方法中能使验电器箔片张开的是()A用取电棒C(带绝缘柄的导体棒)先跟B的内壁接触一下后再跟A接触B用取电棒C先跟B的外壁接触一下后再跟A接触C用绝缘导线把验电器A跟取电棒C的导体部分相连，再把取电棒C与B的内壁接触D使验电器A靠近B解析A项中取电棒先和B的内壁接触后，由于B的内壁本身没有电荷，所以再接触A时验电器箔片不张开；B项中可以使C球带电，从而使A带电；C项中用绝缘导线实际上是将验电器A和B连成了一个导体，A因接触而带电；D项中是感应起电；所以B、C、D项正确。答案BCD 即时巩固2一个带绝缘底座的空心金属球A带有4108 C的正电荷，上端开有适当小孔，有绝缘柄的金属小球B带有2108 C的负电荷，使B球和A球内壁接触，如图所示，则A、B带电荷量分别为()AQA108 C，QB108 CBQA2108 C，QB0CQA0，QB2108 CDQA4108 C，QB2108 C解析：选BA、B接触中和后净电荷只分布在空心金属球A的外表面上，故B项正确，故选B。1.导体内部不受外部电场影响的情况(1)现象：由于静电感应，验电器箔片张开，如图甲所示。将验电器放入导体网罩内部后验电器箔片不张开，如图乙所示，即外部电场影响不到导体内部。(2)本质：是静电感应，导体外表面感应电荷与外电场在导体内部任一点的场强的叠加结果为零。2接地导体壳内部电场对壳外空间无影响情况(1)现象如图甲所示，导体壳没有接地时，处于内部电场中，达到静电平衡，导体壳内外表面出现等量异种电荷，壳内外表面之间场强处处为零，壳外场强不为零。导体壳接地后，如图乙所示，导体壳外的正电荷被大地负电荷中和，正电荷出现在地球的另一端无穷远处，导体壳内外表面之间及导体外部场强处处为零，导体外部空间不受内部影响。本质：仍然是静电感应，使导体内表面感应电荷与壳内电荷在导体壳表面以外空间叠加结果为零。典型例题例3.将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内(不和球壁接触)，另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，如图所示。下列说法正确的是()AA往左偏离竖直方向，B往右偏离竖直方向BA的位置不变，B往右偏离竖直方向CA往左偏离竖直方向，B的位置不变DA和B的位置都不变解析球C对外界电场有静电屏蔽作用，使处于C内部的A球不受外界电场影响，所以A不偏移；但A在C的外表面感应出正电荷，也就是C不能屏蔽内部电荷向外激发电场，所以B将向右偏，B正确。答案B点评处理静电屏蔽问题的注意点(1)空腔可以屏蔽外界电场，接地的空腔可以屏蔽内部的电场作用，其本质都是因为激发电场与感应电场叠加的结果，分析中应特别注意分清是哪一部分电场作用，还是合电场作用的结果。(2)对静电感应，要掌握导体内部的自由电荷是如何移动的，是如何建立起附加电场的，何处会出现感应电荷。(3)对静电平衡，要理解导体达到静电平衡时所具有的特点。即时巩固3如图所示，把原来不带电的金属壳B的外表面接地，将一带正电的小球A从小孔中放入球壳内，但不与B发生接触，达到静电平衡后，则()AB的空腔内电场强度为零BB不带电CB的外表面带正电DB的内表面带负电解析：选D因为金属壳的外表面接地，所以外表面没有感应电荷，C错误；只有内表面有感应负电荷分布，所以B带负电，B错误，D正确；B的空腔内有正电荷和内壁的感应负电荷共同激发的电场，所以空腔内电场强度不为零，A错误。1导体处于静电平衡，下列说法正确的是()A导体内部没有电场B导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面C导体内部没有电荷的运动D以上说法均不正确解析：选D导体处于静电平衡，导体内部不是没有电场，而是外电场与感应电荷产生的电场的合场强为零，但两场强仍然存在，A错误；对于B，不能说没有电荷，净电荷只分布在外表面上，自由电子和正电荷仍存在，只是显中性，B错误；对于C，导体内部的电荷(电子与正电荷)的热运动仍然存在，C错误；综上，D正确。2具有一定厚度的空心金属球壳的球心位置处放一正电荷，选项中的四个图画出了其空间电场的电场线情况，符合实际情况的是()解析：选D球壳处于正电荷的电场中，达到静电平衡，球壳为等势体，电场线不会穿过球壳，D正确。3多选每到夏季，各地纷纷进入雨季，雷雨等强对流天气频繁发生。当我们遇到雷雨天气时，一定要注意避防雷电。下列说法正确的是()A不宜使用无防雷措施的电器或防雷措施不足的电器及水龙头B不要接触天线、金属门窗、建筑物外墙，远离带电设备C固定电话和手提电话均可正常使用D在旷野，应远离树木和电线杆解析：选ABD表面具有突出尖端的导体，在尖端处的电荷分布密度很大，使得其周围电场很强，就可能使其周围的空气发生电离而引发尖端放电，固定电话和手提电话的天线处有尖端，易引发尖端放电造成人体的伤害，故不能使用，C错误，A、B、D正确。4电工穿的高压作业服是用铜丝编织的，下列说法正确的是()A铜丝编织的衣服不容易拉破，所以用铜丝编织衣服B电工被铜丝编织的衣服所包裹，使体内电势保持为零，对人体起保护作用C电工被铜丝编织的衣服所包裹，使体内电场强度保持为零，对人体起保护作用D铜丝必须达到一定的厚度，才能对人体起到保护作用解析：选C当人体直接处于强大电场之中时，很容易由于静电感应而被电到，但若被铜丝编织的衣服所包裹，当达到静电平衡时，铜丝衣服的屏蔽作用使人体内电场强度保持为零，对人体起保护作用，C正确。5多选如图所示，阴影部分表示导体，在各图中，P点的电场强度为零的是()解析：选ABC由静电屏蔽理论可知A选项正确；对于B选项，把导体环的右侧接地后，右侧无感应电荷，但不会影响导体环对内部的屏蔽作用，所以B选项也是正确的；对于C选项，场源电荷在导