物理人教版（浙江版）选修31学案第一章静电场7

7静电现象的应用知识内容静电现象的应用考试要求必考加试b课时要求1.知道什么是静电平衡状态，能说出静电平衡产生的条件.2.掌握静电平衡状态下的导体特点.3.了解尖端放电、静电屏蔽现象及其应用.一、静电平衡状态下的导体[导学探究]如图1所示，不带电的金属导体放到电场中，导体内的自由电子将发生定向移动，使导体两端出现等量异号电荷．请思考下列问题：图1(1)自由电子定向移动的原因是什么？定向移动的方向如何？(2)自由电子能否一直定向移动？为什么？答案(1)自由电子受外加电场的电场力作用而移动，向着与电场相反的方向定向移动．(2)不能．感应电荷产生的电场与外加电场反向，阻碍电子的定向移动，当这两个电场大小相等时，电子的定向移动终止．[知识梳理]1．静电平衡状态：导体在电场中发生静电感应现象时，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部电场减弱，直至为零，导体内部自由电子不再发生定向移动的状态．2．处于静电平衡状态下导体的特征(1)内部的电场处处为零．(2)外部表面附近任何一点的场强方向必定与这点的表面垂直．(3)整个导体是个等势体，它的表面是个等势面．3．静电平衡时，导体上的电荷分布特点(1)导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的表面．(2)在导体外表面，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．[即学即用]判断下列说法的正误．(1)处于静电平衡状态的导体内部任意两点间的电势差为零．(√)(2)静电平衡状态下的导体内部场强处处为零，导体的电势也为零．(×)(3)因为外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的合电场为0，所以处于静电平衡的导体内部电场处处为0.(√)(4)静电平衡时，导体内的自由电子不再运动．(×)二、尖端放电静电屏蔽[导学探究](1)避雷针是利用尖端放电保护建筑物的一种设施，其原理是什么？(2)处于静电平衡状态的导体，其内部场强处处为零，若导体是空心的，则空心部分的场强怎样？静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的？答案(1)导体尖端的电荷密度很大，附近的电场很强，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动，把空气中的气体分子撞“散”，也就是使分子中的正、负电荷分离，这个现象叫做空气的电离．中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子．这些带电粒子在强电场的作用下加速，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，这相当于导体从尖端失去电荷．(2)空心部分场强为零．静电屏蔽是利用“处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零”，即使内部有自由电子，受到的电场力也为0，自由电子不发生定向移动．[知识梳理]1．空气的电离：导体尖端电荷密度很大，电场很强，带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动撞击空气分子，从而使空气分子的正负电荷分离的现象．2．尖端放电：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，相当于导体从尖端失去电荷的现象．3．静电屏蔽：金属壳或金属网的空腔内不受外界电场的影响，壳(网)内电场强度保持为0，外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响，金属壳(网)的这种作用叫做静电屏蔽．4．尖端放电和静电屏蔽的应用、防止：(1)尖端放电：①应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施．②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)静电屏蔽的应用：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．[即学即用]判断下列说法的正误．(1)避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地．(×)(2)用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，则验电器箔片能张开．(×)(3)飞机轮上装有拖地线，油罐车后面拖条铁链都是把静电导入大地．(√)(4)电工穿的高压作业服是用铜丝编织的，目的是铜丝衣服有屏蔽作用，使体内场强为零．(√)一、静电平衡的理解及应用1．处于静电平衡状态的导体内部场强为零的本质是外电场E0和感应电荷产生的电场E′的合场强为0，即E0＝－E′.2．孤立的带电导体处于静电平衡状态，内部场强为0的本质是分布在导体外表面的电荷在导体内部的合场强为0.3．处于静电平衡的导体是等势体，表面是等势面，所以导体表面的电场线应与导体表面垂直．例1处于静电平衡中的导体，内部场强处处为零的原因是()A．此时导体处于不带电的状态B．所有感应电荷在导体内部产生的合场强为零C．外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的合场强为零D．以上解释都不正确答案C解析导体在电荷q的电场中处于静电平衡状态时，在导体内部任意一点，感应电荷产生的附加电场的场强与电荷q产生的场强大小相等，方向相反，此时导体的内部场强处处为0，电荷只分布在导体的外表面，且整个导体是一个等势体，故A、B、D错误，C正确．二、静电平衡导体的电荷分布静电平衡导体的电荷分布特点：(1)净电荷只分布在导体表面，内部没有净电荷．(2)感应电荷分布于导体两端，电性相反，电荷量相等，近异远同，如图2甲所示．(3)净电荷在导体表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集，如图乙所示．甲乙图2例2如图3所示，把一个带正电的小球放入原来不带电的金属空腔球壳内并接触，其结果可能是()图3A．只有球壳外表面带正电B．球壳的内表面带负电，外表面带正电C．球壳的内、外表面都带正电D．球壳的内表面带正电，外表面带负电答案A解析小球与球壳接触构成一个新导体，它的电荷量都分布在新导体的外表面，即只有球壳外表面带正电，A对，B、C、D错．针对训练1如图4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.下列实验方法中不能使验电器箔片张开的是()图4A．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答案A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．故选项A不能使验电器箔片张开．三、静电屏蔽的理解及应用例3如图5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，达到静电平衡状态后，则()图5A．B的空腔内电场强度为零B．B不带电C．B的外表面带正电D．B的内表面带负电答案D解析因为金属壳的外表面接地，所以外表面无感应电荷，只有内表面有感应电荷分布，且由于A带正电，则B的内表面带负电，D对，B、C错；B的空腔内有带正电的小球A产生的电场和金属壳内表面感应电荷产生的电场，由电场叠加知，电场线的方向由A指向B，所以空腔内电场强度不为零，A错．静电屏蔽的两种情况屏蔽外电场屏蔽内电场图示实现过程因场源电荷产生的电场与导体球壳表面上感应电荷在空腔内的合场强为零，达到静电平衡状态，起到屏蔽外电场的作用当空腔外部接地时，外表面的感应电荷因接地将传给地球，外部电场消失，起到屏蔽内电场的作用最终结论导体内空腔不受外界电荷影响接地导体空腔外部不受内部电荷影响本质静电感应与静电平衡针对训练2如图6所示，将悬在绝缘细线上带正电的小球A放在不带电的金属空心球壳B内(与内壁不接触)．外加一个水平向右的场强为E的匀强电场，对于最后的结果，下列判断正确的是()图6A．B的右端带正电，A向左偏B．B的右端带正电，A向右偏C．B的左端带正电，A向右偏D．B的左端带负电，A不偏左也不偏右答案D解析导体空腔处于外电场中时，由于静电感应的作用，导体球壳的左端将感应出负电荷，右端将感应出正电荷，而导体空腔内部完全不受外加电场的影响，故A不会偏转，故A、B、C错误，D正确．故选D.1．请用学过的电学知识判断下列说法正确的是()A．电工穿绝缘衣比穿金属衣安全B．制作汽油桶的材料用金属比用塑料好C．小鸟停在单根高压输电线上会被电死D．打雷时，待在汽车里比待在木屋里要危险答案B解析电工穿绝缘衣容易产生大量的静电，反而比较危险，选项A错误．塑料油桶会因摩擦而带电，因为塑料是绝缘材料，不能把电导走，所以塑料油桶内易产生火花导致塑料油桶爆炸，选项B正确．小鸟停在单根高压输电线上时，加在小鸟两腿间的电压非常小，小鸟不会被电死，选项C错误．打雷时，待在汽车里，汽车的金属外壳起到静电屏蔽的作用，而木屋没有静电屏蔽作用，所以待在汽车里比待在木屋里要安全，选项D错误．故选B.2．如图7所示，两个相同的空心金属球M和N，M带电荷量为－Q，N不带电(M、N相距很远，互不影响)，旁边各放一个不带电的金属球P和R，当将带正电Q的小球分别放入M和N的空腔中时()图7A．P、R上均有感应电荷B．P、R上均没有感应电荷C．P上有而R上没有感应电荷D．P上没有而R上有感应电荷答案D解析当将带正电Q的小球放入M的空腔中时，由于静电感应，M的内表面带负电，而外表面带正电，其电荷量为Q，它与原来金属球M外表面所带的电荷－Q正好中和，使外表面不带电．这实际上是M所带电荷－Q被吸引至内表面，所以金属球M外部不存在电场，不能使P产生静电感应，P上没有感应电荷．当将带正电Q的小球放入原来不带电的N的空腔中时，由于静电感应，N内表面带负电荷，外表面带正电荷，N外部有电场，使R产生静电感应，故选项D正确．一、选择题(每小题列出的四个备选项中，只有一个是符合题目要求的)1．当导体达到静电平衡时，场强方向的特征是()A．外电场E0消失B．感应电荷产生的附加电场E′为零C．导体内部的合电场E为零D．导体表面和内部的合电场均为零答案C解析静电平衡的导体感应场强与原场强大小相等、方向相反，合电场为零．2．(2016·浙江湖州期末)在超高压带电作业中，电工所穿的高压工作服内有编织的铜丝，则下列说法正确的是()A．铜丝编织的衣服不易拉破B．铜丝电阻小，对人体起到保护作用C．电工被铜丝衣服所包裹，使衣服内场强为零D．电工被铜丝衣服所包裹，使衣服内电势为零答案C解析电工穿的衣服包含铜丝，能起到静电屏蔽的作用，使衣服内合场强为零．3．在一个导体球壳内放一个电荷量为＋Q的点电荷，用E表示球壳外任一点的场强，则()A．当＋Q在球壳中央时，E＝0B．不论＋Q在球壳内何处，E一定为零C．只有当＋Q在球心且球壳接地时，E＝0D．只要球壳接地，不论＋Q在球壳内何处，E＝0答案D解析＋Q在球壳内任何位置，只会影响球壳内的负电荷分布，球壳外部带正电荷会使外部场强不为零，所以A、B错；球壳接地会使外部电荷导入大地，外部场强为零，故C错，D对．4．在点电荷－Q的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆平面与点电荷在同一平面内，则盘上感应电荷在盘中A点所激发的附加场强E′的方向在下图中正确的是()答案A解析感应电荷在盘中A点激发的附加场强E′应与－Q在A点产生的场强等大反向，故A正确．5．如图1所示，带电体Q靠近一个接地空腔正方体导体，空腔里面无电荷，达到静电平衡后，下列物理量中不等于零的是()图1A．导体空腔内任意点的场强 B．导体空腔内任意点的电势C．导体外表面的电荷量 D．导体空腔内表面的电荷量答案C解析静电平衡后导体空腔内任意点的场强为0；电荷分布在导体外表面，空腔内表面的电荷量为0；导体为等势体，接地后电势为0.6.如图2所示为一空腔球形导体(不带电)，现在将一个带正电的小金属球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φ的关系是()图2A．Ea>Eb>Ec，φa>φb>φc B．Ea＝Eb>Ec，φa＝φb>φcC．Ea＝Eb＝Ec，φa＝φb＝φc D．Ea>Ec>Eb，φa>φb>φc答案D解析画出空腔导体内外的电场线分布如图所示，可以看出Eb＝0，但φb＞0，由内向外，电势依次降低，φa＞φb＞φc；由电场线疏密可看出Ea＞Ec＞Eb.7.如图3所示，验电器A不带电，验电器B的上面安装有几乎封闭的金属筒C，并且B的金属箔片是张开的，现手持一个带绝缘棒的金属小球D，使D接触C的内壁，再移出与A的金属小球接触，无论操作多少次，都不能使A带电，这个实验说明了()图3A．C是不带电的 B．C的内部是不带电的C．C是带电的 D．C的表面是不带电的答案B8.如图4所示，A为空心金属球，B为金属球，A、B原来不带电，将另一带正电荷的小球C从A球开口处放入A球中央，不接触A球，然后用手接触一下A球，再用手接触一下B球，再移走C球，则()图4A．A球带负电荷，B球带正电荷 B．A球带负电荷，B球不带电C．A、B两球都带负电荷 D．A、B两球都带正电荷答案B9．一带有绝缘底座的空心金属球壳A带有4×10－8C的正电荷，有绝缘柄的金属小球B带有2×10－8C的负电荷，使B球与球壳A内壁接触，如图5所示，则A、B带电荷量分别为()图5A．QA＝1×10－8C，QB＝1×10－8CB．QA＝2×10－8C，QB＝0C．QA＝0，QB＝2×10－8CD．QA＝4×10－8C，QB＝－2×10－8C答案B解析B与A接触后