高中物理 第1章 第7節(jié) 靜電現(xiàn)象的應(yīng)用課件 新人教版選修31.ppt

第一章靜電場(chǎng) 第7節(jié)靜電現(xiàn)象的應(yīng)用 1 了解靜電平衡的概念 掌握靜電平衡的特征 2 了解靜電平衡時(shí)帶電導(dǎo)體上電荷的分布特點(diǎn) 3 了解尖端放電和靜電屏蔽現(xiàn)象 要點(diǎn)一靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的電場(chǎng)1 靜電感應(yīng)現(xiàn)象如圖所示 將一不帶電的金屬導(dǎo)體abcd放到場(chǎng)強(qiáng)為e0的電場(chǎng)中 導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在電場(chǎng)力的作用下 逆著電場(chǎng)線方向定向移動(dòng) 使導(dǎo)體的一側(cè)聚集負(fù)電荷 而導(dǎo)體另一側(cè)卻聚集等量的正電荷 這種現(xiàn)象就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象 2 靜電平衡狀態(tài) 導(dǎo)體上 包括表面 處處無電荷定向移動(dòng)的狀態(tài) 3 靜電平衡狀態(tài)導(dǎo)體的特征 1 處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體 內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)處處為零 2 處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體 其外部的場(chǎng)強(qiáng)方向必跟該點(diǎn)的表面垂直 3 處于靜電平衡狀態(tài)的整個(gè)導(dǎo)體是個(gè)等勢(shì)體 它的表面是個(gè)等勢(shì)面 1 不要認(rèn)為達(dá)到靜電平衡需要很長(zhǎng)時(shí)間 其實(shí)金屬導(dǎo)體建立靜電平衡狀態(tài)的時(shí)間只有幾微秒 相當(dāng)快 2 達(dá)到靜電平衡后 自由電子沒有定向移動(dòng)而不是說導(dǎo)體內(nèi)部的電荷不動(dòng) 內(nèi)部的電子仍在做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng) 3 導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡后 內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零是指原電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度e0與導(dǎo)體兩端感應(yīng)電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)e 的合場(chǎng)強(qiáng)為零 4 應(yīng)該注意靜電感應(yīng)與感應(yīng)起電的區(qū)別和聯(lián)系 感應(yīng)起電是運(yùn)用靜電感應(yīng)現(xiàn)象使物體起電的一種方法 而靜電感應(yīng)則是電場(chǎng)中導(dǎo)體兩端暫時(shí)出現(xiàn)等量相反電荷的現(xiàn)象 要點(diǎn)二導(dǎo)體上電荷的分布1 凈電荷都分布在導(dǎo)體的表面 導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷 2 感應(yīng)電荷分布于導(dǎo)體兩端 電性相反 電量相等 遠(yuǎn)同近異 如圖所示 3 凈電荷在導(dǎo)體表面分布不均勻 導(dǎo)體表面尖銳處電荷分布密集 平滑處電荷分布稀疏 凹陷處幾乎沒有電荷 如圖所示 1 一個(gè)孤立的帶電體 在自身所帶電荷的電場(chǎng)中 處于靜電平衡狀態(tài) 具有靜電平衡的所有特點(diǎn) 人與大地都是導(dǎo)體 在人摸 觸 導(dǎo)體的過程中 帶電體 人 大地組成一個(gè)新導(dǎo)體 地球往往是新導(dǎo)體的遠(yuǎn)端 2 凈電荷是指導(dǎo)體內(nèi)未被中和抵消的剩余電荷 感應(yīng)電荷是指由于靜電感應(yīng)而使導(dǎo)體兩端出現(xiàn)的等量異種電荷 要點(diǎn)三尖端放電1 空氣的電離電荷在導(dǎo)體表面的分布與導(dǎo)體的彎曲程度有關(guān) 導(dǎo)體表面突出和尖銳的地方 電荷的分布密集 因此導(dǎo)體尖端附近的電場(chǎng)很強(qiáng) 空氣中殘留的帶電粒子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)生劇烈的運(yùn)動(dòng) 把空氣中的氣體分子撞 散 也就是使分子中的正負(fù)電荷分離 這個(gè)現(xiàn)象叫做空氣的電離 2 尖端放電中性分子電離后變成帶負(fù)電的自由電子和失去電子而帶正電的離子 這些帶電粒子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下加速 撞擊空氣中的分子 使它們進(jìn)一步電離 產(chǎn)生更多的帶電粒子 那些所帶電荷與導(dǎo)體尖端的電荷符號(hào)相反的粒子 由于被吸引而奔向尖端 與尖端上的電荷中和 這相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷 這個(gè)現(xiàn)象叫尖端放電 3 尖端放電的應(yīng)用和防止 1 避雷針是利用尖端放電避免雷擊的一種設(shè)施 如圖所示 通過避雷針的尖端放電后 建筑物不至于積累過多的電荷而遭雷擊 2 尖端放電會(huì)導(dǎo)致高壓設(shè)備上電能的損失 所以高壓設(shè)備中導(dǎo)體的表面應(yīng)該盡量光滑 要點(diǎn)四靜電屏蔽1 現(xiàn)象 如圖所示 先使a帶電 然后移近驗(yàn)電器b 由于靜電感應(yīng) b的金屬箔片張開 若把b置于金屬網(wǎng)罩中 發(fā)現(xiàn)b的金屬箔片并不張開 2 定義 具有空腔的金屬導(dǎo)體在靜電平衡狀態(tài)下 不僅導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零 腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)也為零 因而置于腔內(nèi)的物體不受外界電場(chǎng)的影響 這種作用叫靜電屏蔽 3 兩種典型的靜電屏蔽現(xiàn)象 1 外屏蔽 如圖所示 若空腔導(dǎo)體內(nèi)有帶電體 在靜電平衡時(shí) 它的內(nèi)表面將產(chǎn)生等量異號(hào)的感應(yīng)電荷 如果外殼不接地 則外表面會(huì)產(chǎn)生與內(nèi)部帶電體等量而同號(hào)的感應(yīng)電荷 此時(shí)感應(yīng)電荷的電場(chǎng)將對(duì)外界產(chǎn)生影響 這時(shí)空腔導(dǎo)體只能對(duì)外電場(chǎng)屏蔽 卻不能屏蔽內(nèi)部帶電體對(duì)外界的影響 所以叫外屏蔽 2 全屏蔽 如圖所示 如果外殼接地 即使內(nèi)部有帶電體存在 這時(shí)內(nèi)表面感應(yīng)的電荷與帶電體所帶的電荷的代數(shù)和為零 而外表面產(chǎn)生的感應(yīng)電荷通過接地線流入大地 外界對(duì)殼內(nèi)無法影響 內(nèi)部帶電體對(duì)外界的影響也隨之而消除 所以這種屏蔽叫做全屏蔽 4 靜電屏蔽的應(yīng)用和防止 1 應(yīng)用 為了防止外界信號(hào)的干擾 靜電屏蔽被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)工作中 許多電子儀器外面都套著金屬罩 通訊電纜外面包著一層鉛皮 高壓帶電作業(yè)人員穿金屬網(wǎng)衣 又如電話線從高壓線下經(jīng)過 為了防止高壓線對(duì)電話線的影響 在高壓線與電話線之間裝一金屬網(wǎng)等 這些都是用來防止外界電場(chǎng)干擾的屏蔽措施 2 防止 靜電屏蔽也可帶來不利的影響 如通訊工具在鋼筋結(jié)構(gòu)建筑中接收信號(hào)較弱 宇宙飛船返回地球大氣層時(shí) 與大氣層的高速摩擦 在飛船周圍形成一層等離子體 對(duì)飛船產(chǎn)生靜電屏蔽作用 導(dǎo)致飛船和地面控制中心的通信聯(lián)絡(luò)暫時(shí)中斷 1 分析靜電屏蔽問題時(shí)首先要分清外殼是否接地 2 實(shí)際應(yīng)用中金屬外殼不必嚴(yán)格完全封閉 用金屬網(wǎng)罩代替金屬殼體也能起到屏蔽作用 如圖所示 在孤立點(diǎn)電荷 q的電場(chǎng)中 金屬圓盤a處于靜電平衡狀態(tài) 若金屬圓盤平面與點(diǎn)電荷在同一平面內(nèi) 試在圓盤a內(nèi)作出由盤上感應(yīng)電荷形成的附加電場(chǎng)的三條電場(chǎng)線 用實(shí)線表示 要求嚴(yán)格作圖 解析 導(dǎo)體a處于靜電平衡狀態(tài) 因此內(nèi)部每點(diǎn)的合場(chǎng)強(qiáng)都為零 即導(dǎo)體a內(nèi)的每一點(diǎn) 感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度都與點(diǎn)電荷 q在該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小相等 方向相反 即感應(yīng)電荷的電場(chǎng)線與點(diǎn)電荷 q的電場(chǎng)線重合 且方向相反 注意 圖中的虛線是為了確定a內(nèi)的實(shí)線而畫出的 并不表示a外部的電場(chǎng)線 答案 如圖所示 方法總結(jié) 1 明確研究對(duì)象是否達(dá)到靜電平衡狀態(tài) 2 判斷導(dǎo)體兩端的電荷分布及所產(chǎn)生的電場(chǎng)方向 可由靜電感應(yīng)現(xiàn)象判知同種電荷被盡可能排斥到遠(yuǎn)處 異種電荷被盡可能吸引到近處 3 根據(jù)靜電平衡現(xiàn)象的特點(diǎn) 達(dá)到平衡的導(dǎo)體內(nèi)部 合電場(chǎng)為零 整個(gè)導(dǎo)體是等勢(shì)體 來計(jì)算感應(yīng)電荷在某點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度或其他問題 長(zhǎng)為l的導(dǎo)體棒原來不帶電 現(xiàn)將一帶電荷量為 q的點(diǎn)電荷放在距棒左端r處 如圖所示 當(dāng)棒達(dá)到靜電平衡后 棒上的感應(yīng)電荷在棒內(nèi)中點(diǎn)p處產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度大小等于 方向?yàn)?解析 導(dǎo)體棒在點(diǎn)電荷 q的電場(chǎng)中發(fā)生靜電感應(yīng) 左端出現(xiàn)負(fù)電荷 右端出現(xiàn)正電荷 棒中任何一點(diǎn)都有兩個(gè)電場(chǎng) 即外電場(chǎng) q在該點(diǎn)形成的電場(chǎng)e0 附加電場(chǎng) 棒上感應(yīng)電荷在該點(diǎn)形成的電場(chǎng)e 達(dá)到靜電平衡時(shí)e e0 變式訓(xùn)練1 1 如圖所示 a為帶電的空腔導(dǎo)體 b為離a很遠(yuǎn)的不帶電的驗(yàn)電器 現(xiàn)用一根導(dǎo)線一端與a的內(nèi)壁接觸 另一端與b接觸 則b的金屬箔片是否張開 解析 答案 張開 方法總結(jié) 處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體凈電荷只分布在外表面 應(yīng)注意區(qū)分內(nèi)表面和外表面 在導(dǎo)體外部就是外表面 還應(yīng)注意是凈電荷分布在外表面上 2015 溫州十校聯(lián)考 如圖所示 q帶負(fù)電荷 導(dǎo)體p在a處接地 下列說法中正確的是 變式訓(xùn)練2 1 a 導(dǎo)體p的a端不帶電荷 b端帶負(fù)電荷b 導(dǎo)體p的a端帶正電荷 b端不帶電c 導(dǎo)體p的a端帶正電荷 b端帶負(fù)電荷 且正 負(fù)電荷的電荷量相等d 導(dǎo)體p的a端帶正電荷 b端帶負(fù)電荷 正電荷的電荷量大于負(fù)電荷的電荷量 解析 導(dǎo)體p接地時(shí)與大地組成一個(gè)新的導(dǎo)體 a為新導(dǎo)體的靠近q的一端 而大地是遠(yuǎn)離q的一端 由于靜電感應(yīng)的作用 靠近q的a端會(huì)帶上與q相反的電荷 即帶上正電荷 b端感應(yīng)出來的負(fù)電荷被導(dǎo)到大地上 b端不帶電 b選項(xiàng)正確 答案 b 如圖所示 兩個(gè)相同的空心金屬球m和n m帶電荷量為 q n不帶電 m n相距很遠(yuǎn) 互不影響 旁邊各放一個(gè)不帶電的金屬球p和r 當(dāng)將帶正電q的小球分別放入m和n的空腔中時(shí) a p r上均出現(xiàn)感應(yīng)電荷b p r上均沒有感應(yīng)電荷c p上有而r上沒有感應(yīng)電荷d p上沒有而r上有感應(yīng)電荷 解析 本題考查靜電屏蔽問題 當(dāng)將帶正電q的小球放入m的空腔中時(shí) 由于靜電感應(yīng) m的內(nèi)表面帶負(fù)電 而外表面帶正電 其電荷量為q 它與原來金屬球m外表面所帶的電荷 q正好中和 使外表面不帶電 這實(shí)際上是m所帶電荷 q被吸引至內(nèi)表面 所以金屬球m外部不存在電場(chǎng) 不能使p產(chǎn)生靜電感應(yīng) p上沒有感應(yīng)電荷 當(dāng)將帶正電q的小球放入原來不帶電的n的空腔中時(shí) 由于靜電感應(yīng) n內(nèi)表面帶負(fù)電荷 外表面帶正電荷 n外部有電場(chǎng) 使r產(chǎn)生靜電感應(yīng) 使左端帶負(fù)電 右端帶正電 故選項(xiàng)d正確 答案 d 方法總結(jié) 1 研究靜電屏蔽問題時(shí) 應(yīng)首先判斷金屬殼是否接地 2 若金屬殼不接地 金屬殼內(nèi)部空間不受殼外部電場(chǎng)的影響 3 若金屬殼接地 殼內(nèi)部電場(chǎng)對(duì)殼外空間沒有影響 2014 保定一模 從生活走向物理 從物理走向社會(huì) 是現(xiàn)代物理教與學(xué)的宗旨 下列有關(guān)物理與生產(chǎn)生活實(shí)踐的說法中 正確的是 a 運(yùn)輸汽油時(shí)把汽油裝進(jìn)金屬桶比裝進(jìn)塑料桶安全b 高速下坡的自行車遇緊急情況需要?jiǎng)x車 應(yīng)先剎前輪c 電工穿絕緣衣服比穿金屬網(wǎng)衣服安全d 坐地日行八萬里 是一種夸張的修辭手法 實(shí)際上人并沒有移動(dòng) 變式訓(xùn)練3 1 解析 金屬導(dǎo)體可以靜電屏蔽 不易引起火災(zāi) 故a選項(xiàng)正確 高速下坡的自行車剎前輪 由于慣性 人車會(huì)前傾摔倒 故b選項(xiàng)錯(cuò)誤 金屬網(wǎng)衣服可以屏蔽靜電 保護(hù)人體安全 c選項(xiàng)錯(cuò)誤 以地球?yàn)閰⒖枷?可以實(shí)現(xiàn) 坐地日行八萬里 故d選項(xiàng)錯(cuò)誤 答案 a 如圖為空腔球形導(dǎo)體 不帶電 現(xiàn)將一個(gè)帶正電的小金屬球a放入腔內(nèi) 靜電平衡時(shí) 圖中a b c三點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)e和電勢(shì) 的關(guān)系是 a ea eb ec a b cb ea eb ec a b cc ea eb ec a b cd ea ec eb a b c 解析 答案 d 方法總結(jié) 導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)時(shí) 內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零 但表面各處的場(chǎng)強(qiáng)并不相同 整個(gè)導(dǎo)體是等勢(shì)體 表面是等勢(shì)面 場(chǎng)強(qiáng)和表面處處垂直 若能根據(jù)靜電平衡狀態(tài)時(shí)導(dǎo)體上的電荷分布 畫出電場(chǎng)線的大體分布 再結(jié)合以上特點(diǎn) 就可以比較空間中一些點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng) 電勢(shì) 在兩塊帶等量異性電荷的平行金屬板m n之間 垂直于金屬板放置一個(gè)原來不帶電的金屬棒ab 如圖所示 當(dāng)達(dá)到靜電平衡后 以下說法中正確的是 a 金屬棒上a端電勢(shì)高于b端電勢(shì)b 金屬棒上a b兩端電勢(shì)相等c 由于靜電感應(yīng) 金屬棒的a端帶正電荷d 由于靜電感應(yīng) 金屬棒的a端帶負(fù)電荷 變式訓(xùn)練4 1 解析 根據(jù)靜電平衡知識(shí)可知 金屬棒a端感應(yīng)負(fù)電荷 b端感應(yīng)正電荷 整個(gè)導(dǎo)體是一個(gè)等勢(shì)體 表面是一個(gè)等勢(shì)面 故bd選項(xiàng)正確 ac選項(xiàng)錯(cuò)誤 答案 bd 1 導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)時(shí) 下列說法正確的是 a 導(dǎo)體內(nèi)部沒有電場(chǎng)b 導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷 電荷只分布在導(dǎo)體的外表面c 導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷的運(yùn)動(dòng)d 以上說法均不正確 解析 導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)時(shí) 導(dǎo)體內(nèi)部不是沒有電場(chǎng) 而是外電場(chǎng)與感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)的合場(chǎng)強(qiáng)為零 但兩場(chǎng)強(qiáng)仍然存在 故a錯(cuò) 對(duì)于b 不能說沒有電荷 凈電荷只分布在外表面上 自由電子和正電荷仍存在 只是顯中性 故b錯(cuò) 對(duì)于c 導(dǎo)體內(nèi)部的電荷 電子與正電荷 的熱運(yùn)動(dòng)仍然存在 故c錯(cuò) 只有d正確 答案 d 2 為了體現(xiàn)高考的公平公正 很多地方高考時(shí)在考場(chǎng)上使用手機(jī)信號(hào)屏蔽器 該屏蔽器在工作過程中以一定的速度由信道的低端頻率向高端掃描 該掃描速度可以在手機(jī)接收?qǐng)?bào)文信號(hào)中形成亂碼干擾 手機(jī)不能檢測(cè)出從基站發(fā)出的正常數(shù)據(jù) 使手機(jī)不能與基站建立聯(lián)接 達(dá)到屏蔽手機(jī)信號(hào)的目的 手機(jī)表現(xiàn)為搜索網(wǎng)絡(luò) 無信號(hào) 無服務(wù)系統(tǒng)等現(xiàn)象 根據(jù)你學(xué)過的知識(shí)可以判斷 a 手機(jī)信號(hào)屏蔽器是利用靜電屏蔽的原理來工作的b 手機(jī)信號(hào)必須在介質(zhì)中才能傳播 c 手機(jī)信號(hào)屏蔽器工作時(shí)基站發(fā)出的電磁波不能傳播到考場(chǎng)內(nèi)d 手機(jī)信號(hào)屏蔽器是通過發(fā)射電磁波干擾手機(jī)工作來達(dá)到目的解析 手機(jī)信號(hào)屏蔽器是利用屏蔽器發(fā)出的電磁波去干擾手機(jī)從基站傳過來的信號(hào) 從而起到屏蔽作用 不是利用靜電屏蔽的原理來工作的 a選項(xiàng)錯(cuò)誤 d選項(xiàng)正確 手機(jī)信號(hào)是電磁波 傳播不需要介質(zhì) b選項(xiàng)錯(cuò)誤 手機(jī)信號(hào)屏蔽器工作時(shí)基站發(fā)出的電磁波能傳播到考場(chǎng)內(nèi) 不過基站傳過來的信號(hào)受到了干擾 c選項(xiàng)錯(cuò)誤 答案 d 3 一個(gè)帶絕緣底座的空心金屬球a帶有4 10 8c的正電荷 上端開有適當(dāng)小孔 有絕緣柄的金屬小球b帶有2 10 8c的負(fù)電荷 使b球和a球內(nèi)壁接觸 如圖所示 則a