2024-2025学年高中物理第一章静电场7静电的应用及危害教案教科版选修3-1

PAGE9-7静电的应用及危害1．静电平衡状态下导体的电场(1)静电平衡状态：导体中(包括表面)自由电子不再发生移动，我们就认为导体达到了静电平衡状态．(2)静电平衡状态下导体的特点：①处于静电平衡状态的导体，内部电场强度到处为零．②处于静电平衡状态的整个导体是一个等势体，它的表面是一个等势面．③表面处的电场强度不为零，表面处的电场强度方向跟导体表面垂直．2．导体上电荷的分布(1)处于静电平衡状态的导体，内部没有净电荷，净电荷只分布在导体的外表面．(2)在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积上的电荷量)越大，凹陷的位置几乎没有电荷．3．尖端放电(1)电离：使空气分子中的正负电荷分别，这种现象叫做空气的电离．(2)尖端放电：导体尖端的电荷密度很大，旁边的电场很强，使四周中性空气分子电离，变成带电离子，这些带电离子在强电场的作用下加速，会使更多的空气分子电离，产生大量的正负离子，与导体尖端的电荷符号相反的离子被吸引到尖端，跟尖端上的电荷中和，这相当于尖端失去电荷，这种现象叫做尖端放电．(3)应用与防止：应用：避雷针；防止：高压输电设备的表面尽量做得光滑，避开放电．4．静电屏蔽导体处于静电平衡时，内部电场强度到处为零，表现为电中性，若导体是空腔的，空腔部分的电场强度也到处为零，无论导体外部的电场是什么样的，电场都不会深化到导体内部，金属壳的这种作用叫做静电屏蔽．飞机在云层与云层之间飞行或起飞、着陆时都有可能遭受雷击．但是当飞机遭受雷击时，电流可以从雷电云达到飞机头部，纵向流过机身外壳，最终从机尾凌空打到地上或从其中一机翼打过另一机翼，横向流过机身．但不管怎样，闪电都只会沿着飞机外壳流过，而不会进入机内对乘客造成损害，你知道这是为什么吗？提示：飞机外壳是金属材料的，它会在雷击时形成静电屏蔽，爱护飞机内的乘客．考点一对静电平衡的理解1．静电平衡实质(1)在达到静电平衡的过程中，外电场引起导体内自由电荷的定向移动使导体两侧出现感应电荷，感应电荷的电场和外电场方向相反，使合场强减小，随着感应电荷的接着增加，合场强渐渐减小，直至合场强为零，自由电荷的定向移动停止．(2)静电平衡的条件：导体内部的合场强为零，即E合＝0.2．静电平衡状态的特点(1)处于静电平衡状态下的导体的特点①导体内部某处感应电荷产生的场强E′与四周原电场场强E大小相等，方向相反，两者相互抵消，导体内部到处合场强E合为零，但导体表面的电场强度不为零．②整个导体是一个等势体，导体表面是等势面，但电势不肯定为零．③电场线与导体表面垂直．(2)静电平衡状态下的导体的电荷分布特点①净电荷都分布在导体的表面，导体内部没有净电荷．②感应电荷分布于导体两端，电性相反，电量相等，远同近异．③净电荷在导体表面分布不匀称，导体表面尖锐处电荷分布密集，平滑处电荷分布稀疏，凹陷处几乎没有电荷．【例1】长为L的导体棒原来不带电，现将一带电荷量为＋q的点电荷放在距导体棒左端R处，如图所示，当导体棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在棒内中点处产生的电场强度大小等于________，方向________．解答本题时应把握以下两点：(1)导体内的电场强度是点电荷形成的电场与感应电荷形成的电场的矢量和．(2)感应电荷的电场强度与点电荷q的电场强度等大反向．【答案】eq\f(kq,R＋\f(L,2)2)向左【解析】导体处于静电平衡状态时，导体内部合电场强度为零，这是点电荷q所形成的电场与棒两端出现的感应电荷所形成的附加电场在棒中叠加的结果，即E合＝E1＋E2＝0.因此可通过计算点电荷＋q产生的电场E1，来确定感应电荷所形成的电场E2的大小和方向．点电荷＋q在棒中点处产生的电场强度由公式E＝keq\f(Q,r2)，得E1＝keq\f(q,R＋\f(L,2)2)，方向向右．由该点合电场强度为零知，感应电荷在棒中点处产生的电场强度大小，E2＝E1＝keq\f(q,R＋\f(L,2)2)，方向向左．总结提能依据场源电荷和感应电荷在导体内部电场的合电场强度为零的特点，可知在导体内部的同一点，感应电荷电场的电场强度与场源电荷电场的电场强度大小相等，方向相反．因此，可将求解感应电荷电场在导体内部的电场强度问题，转换为求解场源电荷电场的电场强度的问题．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(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．考点二静电屏蔽的两种状况1．导体外部的电场不影响导体内部静电屏蔽的本质是静电感应，导体外面的电场不影响导体内部，是因为外电场与导体表面的感应电荷在导体内部任一点的场强叠加后合场强为零．如下图：把验电器靠近带电体，箔片会张开，如图(甲)，但假如把验电器置于金属网罩内，再靠近带电体，箔片不再张开，如图(乙)，说明网罩内不受外电场的影响．2．接地导体的内部电场不影响导体外部接地导体的内部电场不影响导体外部，是因为导体外部的感应电荷都被排斥入地，在只有施感电荷和内壁感应出的异种电荷的状况下，两部分电荷在导体外部任何一点的场强叠加后合场强为零．如下图：假如一封闭的导体球壳内部空间有一点电荷＋q.由于静电感应，导体球壳内外表面感应出等量的异种电荷，其电场线分布如图(甲)所示；当把导体球壳接地后，＋q在壳内的电场对外部空间就没有影响了，此时的电场线分布如图(乙)所示．【例2】(多选)如图所示，一个不带电的导体球N，置于空心导体球M旁边，现将另一个带电荷量为Q的金属球放于空腔导体M内，则()A．若M接地，N上无感应电荷B．若M不接地，且M原来不带电，N上无感应电荷C．若M不接地，且M原来不带电，N上有感应电荷D．若M不接地，且M原来带电，N上肯定有感应电荷M接地，起到屏蔽外部的作用，只有M内有电场，N上当然就没有感应电荷；若M不带电，也不接地，在M内外都有发散电场．【答案】AC【解析】(1)若M接地，分析N上带电状况eq\x(\a\al(金属球,Q带电))→eq\x(\a\al(M内表面带相,反电性电荷，M,外表面不带电))→eq\x(\a\al(N上无,感应电荷))(2)若M不接地①M原来不带电，分析N上带电状况eq\x(\a\al(金属球,Q带电))→eq\x(\a\al(M内表面带相反电性,电荷，M外表面带与内,表面相反电性的电荷))→eq\x(\a\al(N上,有感,应电荷))②M原来带电，分析N上带电状况总结提能不接地的空腔可以屏蔽外界电场，接地的空腔可以屏蔽内部的电场，其本质都是由于激发电场与感应电场叠加的结果，分析中应特殊留意分清场源电荷产生的电场，感应电场以及叠加后的合电场．；如图所示，两个相同的空心金属球M和N，M带－Q电荷，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(D)A．P、R上均出现感应电荷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上有感应电荷解析：当将带正电Q的小球放入M的空腔中时，对M产生静电感应使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－Q正好中和，使外表面不带电，事实上是M所带－Q被吸引至内表面，所以金属球M外部不存在电场，不能对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，对N产生静电感应，使N内表面带负电荷，N外表面带正电荷，N外部有电场，对R产生静电感应，使左端带负电，右端带正电．选项D正确.1．如图所示是模拟避雷针作用的试验装置，则(A)A．A放电 B．B放电C．A、B一起放电 D．A、B之间放电解析：如题图所示，A为尖头、B为圆头．当金属板M、N接在高压电源上，因末端越尖越简单放电，故A简单放电，故选A.2．(多选)在下列措施中，能将产生的静电尽快导走的是(AB)A．飞机轮子上搭地线 B．印染车间保持湿度C．复印图片 D．电工钳柄装有绝缘套解析：飞机在飞行中与空气摩擦时，飞机外表面聚集了大量静电荷，着陆时会对地面人员带来危害及火灾隐患，因此飞机着陆时要刚好导走机身聚集的静电，实行的措施是在轮胎上安装地线或用导电橡胶制造轮胎；在印染工作车间也同样简单产生静电，静电会给车间带来火灾隐患，为防止火灾发生，其中平安措施之一就是使车间保持湿度，从而通过潮湿的空气刚好导走静电；在复印图片环节中，刚好须要应用静电；电工钳柄装有绝缘套是防止导电，爱护电工的平安．3．如图所示，小莉同学站在绝缘木板上将一只手搭在了一个大的带电金属球上，出现了“怒发冲冠”的现象．下列说法正确的是(C)A．这种现象是静电感应造成的B．将另一只手也搭在带电球上，则这种现象消逝C．小莉的电势与带电球的电势相等D．金属球内部的电场强度比头发旁边的电场强度大解析：人体也是导体，与金属球接触时带电，头发末梢带同种电荷，相互排斥，故头发竖起，若另一只手也搭上去，现象不会消逝，A、B错误；金属球和人体可看成一个大导体，为等势体，故C正确；金属球内部场强到处为零，小于头发旁边的电场强度，D错误．4．在一些存在大量易燃气体的工厂或试验室里，工作人员要穿一种特制的鞋，这种鞋的导电性能很好．这样做的缘由是(A)A．能够将电荷导入大地，避开电荷在人体上的积累，以免产生火花放电引起火灾B．能够将电荷导入大地，避开电荷在易燃气体上积累，以免产生火花放电引起火灾C．能够将大地中电荷导入人体，以使在人体上积累足够多的电荷D．能够将大地中电荷导入易燃气体，以使在易燃气体上积累足够多的电荷解析：在一些工厂或试验室里，存在大量易燃气体，工作人员要穿一种特制的鞋，这种鞋的导电性能很好，能够将电荷导入大地，避开电荷在人体上的积累，以免产生火花放电，引起火灾．故正确答案为A.5．一个带有绝缘座的空心金属球壳