浙江專用高中物理第一章靜電場1_7靜電現(xiàn)象的應(yīng)用學(xué)案新人教版選修.docx

第7節(jié)靜電現(xiàn)象的應(yīng)用研究學(xué)考明確要求知識內(nèi)容靜電現(xiàn)象的應(yīng)用考試要求選考b發(fā)展要求1.了解靜電平衡的概念。2知道處于靜電平衡的導(dǎo)體電荷分布的特點(diǎn)。3知道靜電平衡的導(dǎo)體表面是等勢面，整個(gè)導(dǎo)體是等勢體。4知道處于靜電平衡的導(dǎo)體腔內(nèi)場強(qiáng)為零。5了解尖端放電現(xiàn)象和避雷針的工作原理，了解金屬殼的靜電屏蔽作用及其應(yīng)用。6應(yīng)用尖端放電、靜電屏蔽的相關(guān)知識解釋簡單的現(xiàn)象。基 礎(chǔ) 梳 理1靜電感應(yīng)現(xiàn)象：如圖1所示，把一個(gè)不帶電的金屬導(dǎo)體ABCD放到場強(qiáng)為E0的電場中，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子受到庫侖力的作用，將向著與電場相反的方向定向移動。這樣，在導(dǎo)體的AB面上將出現(xiàn)負(fù)電荷，在CD面上將出現(xiàn)正電荷。這就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象。圖12靜電平衡狀態(tài)：導(dǎo)體兩面出現(xiàn)的正負(fù)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生與E0方向相反的電場E，當(dāng)這兩個(gè)電場疊加使導(dǎo)體內(nèi)部各點(diǎn)的合電場等于零時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再發(fā)生定向移動，導(dǎo)體達(dá)到了靜電平衡狀態(tài)。3處于靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特征(1)處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體，內(nèi)部場強(qiáng)處處為零。(2)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其外部表面附近任何一點(diǎn)的場強(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)等勢體，它的表面是個(gè)等勢面，地球是一個(gè)等勢體。典 例 精 析【例1】 長為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2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)處產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小等于_，方向_。圖2解析導(dǎo)體棒在點(diǎn)電荷q產(chǎn)生的電場中發(fā)生靜電感應(yīng)，左端表面出現(xiàn)負(fù)電荷，右端表面出現(xiàn)正電荷。棒內(nèi)任何一點(diǎn)都有兩個(gè)電場，即外電場(q在該點(diǎn)形成的電場E0)和附加電場(棒上感應(yīng)電荷在該點(diǎn)形成的電場E)。達(dá)到靜電平衡時(shí)棒內(nèi)的電場為0，即EE0。題中所求的即為E，于是我們通過上述等式轉(zhuǎn)化為求E0。棒的中點(diǎn)到q的距離為rR，于是EE0，E和E0的方向相反，即方向向左。答案向左靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部的電場強(qiáng)度處處為零，即感應(yīng)電荷產(chǎn)生電場的電場強(qiáng)度與外電場的電場強(qiáng)度等大反向。本題中感應(yīng)電荷是面分布且電荷量未知，雖然不能用E求解感應(yīng)電荷的電場，卻能用靜電平衡的特點(diǎn)巧妙地求解。即 學(xué) 即 練1如圖3所示，在原來不帶電的金屬細(xì)桿ab附近P處，放置一個(gè)正點(diǎn)電荷，達(dá)到靜電平衡后()圖3Aa端的電勢比b端的高Bb端的電勢比d點(diǎn)的低Ca端的電勢不一定比d點(diǎn)的低D桿內(nèi)c處場強(qiáng)的方向由c指向b解析首先畫出電場線如圖所示，沿電場線方向電勢降低，b端的電勢比d點(diǎn)的低，選項(xiàng)B正確；金屬桿ab在靜電平衡后是一個(gè)等勢體，a端電勢等于b端電勢，二者均比d點(diǎn)電勢低，選項(xiàng)A、C均錯(cuò)誤；靜電平衡后的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案B基 礎(chǔ) 梳 理靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體上的電荷分布有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的表面。(2)在導(dǎo)體外表面，越尖銳的位置電荷的密度(單位面積的電荷量)越大，凹陷的位置幾乎沒有電荷。典 例 精 析【例2】 如圖4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)()圖4AP、R上均有感應(yīng)電荷BP、R上均沒有感應(yīng)電荷CP上有而R上沒有感應(yīng)電荷DP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，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，使R產(chǎn)生靜電感應(yīng)，故選項(xiàng)D正確。答案D(1)導(dǎo)體表面電荷分布往往不均勻，只有球形的帶電導(dǎo)體且沒有外界電場的影響下才會均勻分布。(2)對于孤立導(dǎo)體，表面各處的面電荷密度和該處表面的曲率有關(guān)。一般而言，曲率大處，面電荷密度大。即 學(xué) 即 練2如圖5所示，把一個(gè)帶正電的小球放入原來不帶電的金屬空腔球殼內(nèi)并與內(nèi)壁接觸，其結(jié)果是()圖5A只有球殼外表面帶正電B只有球殼內(nèi)表面帶正電C球殼的內(nèi)、外表面都帶正電D球殼的內(nèi)表面帶正電，外表面帶負(fù)電解析小球與金屬球殼接觸，就成了一個(gè)導(dǎo)體，由于靜電平衡導(dǎo)體的電荷只分布在外表面上，故小球和內(nèi)壁都不帶電，正電荷全部分布在球殼外表面。答案A基 礎(chǔ) 梳 理1尖端放電(1)尖端放電中性的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。這種現(xiàn)象叫做尖端放電。(2)生活實(shí)例避雷針是利用尖端放電避免雷擊的一種設(shè)施。當(dāng)帶電的雷雨云接近建筑物時(shí)，由于靜電感應(yīng)，金屬棒出現(xiàn)與云層相反的電荷。通過尖端放電，這些電荷不斷向大氣釋放，中和空氣中的電荷，同時(shí)將云層中的大量電荷導(dǎo)入地下，達(dá)到避免雷擊的目的?，F(xiàn)代避雷針往往具有很多組金屬尖棒，做成蒲公英花的形狀，以增強(qiáng)避雷效果。2靜電屏蔽(1)靜電屏蔽把一個(gè)電學(xué)儀器放在封閉的金屬殼里，即使殼外有電場，由于殼內(nèi)電場強(qiáng)度保持為零，所以外電場對殼內(nèi)的儀器不會產(chǎn)生影響。金屬殼的這種作用叫作靜電屏蔽。(2)靜電屏蔽的應(yīng)用和危害應(yīng)用：電子儀器和電子設(shè)備外面套有金屬網(wǎng)罩，通信電纜外包一層鉛皮等，可防止外電場的干擾；電力工人高壓帶電作業(yè)時(shí)，身著的用金屬絲網(wǎng)制成的衣帽、手套、鞋子，可以對人體起到靜電屏蔽作用，使人安全工作。危害：航天飛機(jī)、飛船返回地球大氣層時(shí)，由于飛船與大氣層的高速摩擦而產(chǎn)生高溫，在飛船的周圍形成一層等離子體，它對飛船產(chǎn)生靜電屏蔽作用，導(dǎo)致地面控制中心與飛船的通信聯(lián)系暫時(shí)中斷，對航天員來說，這是一個(gè)危險(xiǎn)較大的時(shí)間段。典 例 精 析【例3】 下列防雷措施可行的是()A在大樹下避雷雨B停留在山頂、山脊的涼亭等地方避雷雨C要快速騎摩托車、快騎自行車和在雨中狂奔D在空礦地帶，最好關(guān)掉手機(jī)電源解析表面具有突出尖端的導(dǎo)體，在尖端的電荷分布密度很大，使得其周圍電場很強(qiáng)，就可能使其周圍的空氣發(fā)生電離而引發(fā)尖端放電。因此不要在大樹下避雨；別停留在山頂、山脊的涼亭等地方；快速騎摩托車、快騎自行車和在雨中狂奔，身體的跨步越大，電壓就越大，雷電也越容易傷人；在空曠地帶使用手機(jī)通話，手機(jī)很有可能成為閃電的放電對象。故C錯(cuò)，D對。答案D夜間看到的高壓電線周圍籠罩著的一層綠色光暈(電暈)就是一種微弱的尖端放電現(xiàn)象。尖端放電致使高壓線及高壓電極上的電荷丟失，因此，凡對地有高壓的導(dǎo)體(或兩個(gè)相互有高壓的導(dǎo)體)，其表面都應(yīng)盡量光滑。即 學(xué) 即 練3避雷針能夠避免建筑物被雷擊的原因是()A云層中帶的電荷被避雷針通過導(dǎo)線導(dǎo)入大地B避雷針的尖端向云層放電，中和了云層中的電荷C云層與避雷針發(fā)生摩擦，避雷針上產(chǎn)生的電荷被導(dǎo)入大地D以上說法都不對解析帶電荷的云層靠近避雷針時(shí)，在避雷針尖端感應(yīng)出與云層相反的電荷，達(dá)到一定程度就向空中放電，中和云層中的電荷，從而避免建筑物遭受雷擊，所以只有B正確。答案B典 例 精 析【例4】 將懸掛在細(xì)線上的帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球C內(nèi)(不和球壁接觸)，另有一個(gè)懸掛在細(xì)線上的帶負(fù)電的小球B向C靠近，如圖6所示，下列說法正確的有()圖6AA往左偏離豎直方向，B往右偏離豎直方向BA的位置不變，B往右偏離豎直方向CA往左偏離豎直方向，B的位置不變DA和B的位置都不變解析帶正電的小球A放在不帶電的空心球C內(nèi)，通過靜電感應(yīng)，空心球外殼帶正電，內(nèi)壁帶負(fù)電。因此，金屬空心球C和帶電小球B帶異種電荷，所以B受C球的吸引往右偏離豎直方向。而由于空心球C能屏蔽小球B所產(chǎn)生的外部電場，使小球A不受外電場的作用，所以A的位置不變。答案B靜電屏蔽有兩種類型，當(dāng)外殼不接地時(shí)，可以屏蔽外電場對殼內(nèi)的影響，但不能屏蔽殼內(nèi)電荷電場對殼外的影響。當(dāng)外殼接地時(shí)，能屏蔽殼內(nèi)電荷電場對殼外的影響。即 學(xué) 即 練4具有一定厚度的空心金屬球殼的球心位置處放一正電荷，圖中的四個(gè)圖畫出了其空間電場的電場線情況，符合實(shí)際情況的是()解析球殼處于正電荷的電場中，達(dá)到靜電平衡，球殼為等勢體，電場線不會穿過球殼，故D選項(xiàng)正確。答案D1人造飛船返回地球經(jīng)過大氣層時(shí)，返回艙表面附近形成一個(gè)溫度高達(dá)幾千攝氏度的高溫區(qū)。高溫區(qū)內(nèi)的氣體和返回艙表面材料的分子被分解和電離，這時(shí)返回艙與外界的聯(lián)系會中斷，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是()A返回艙受到的萬有引力消失B返回艙為了安全而暫時(shí)關(guān)閉通信系統(tǒng)C返回艙周圍高溫氣體被電離成等離子體，從而對飛船起屏蔽作用D返回艙表面溫度太高，如同火球，使得航天員看不見外面，外面也看不見返回艙里面解析由于高溫區(qū)內(nèi)的氣體和返回艙表面材料的分子被分解和電離，對返回艙起到靜電屏蔽作用，所以返回艙與外界信號中斷，故A、B、D錯(cuò)誤，C正確。答案C2在點(diǎn)電荷Q的電場中，一金屬圓盤處于靜電平衡狀態(tài)，若圓平面與點(diǎn)電荷在同一平面內(nèi)，則盤上感應(yīng)電荷在盤中A點(diǎn)所激發(fā)的附加場強(qiáng)E的方向在下圖中正確的是()解析感應(yīng)電荷在盤中A點(diǎn)激發(fā)的附加場強(qiáng)E應(yīng)與Q在A點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)等大反向，故A正確。答案A3電工穿的高壓作業(yè)服是用銅絲編織的，下列說法正確的是()A銅絲編織的衣服不易拉破B電工被銅絲衣服所包裹，使體內(nèi)電勢為零C電工被銅絲衣服所包裹，使體內(nèi)電場強(qiáng)度為零D銅絲電阻小，能對人體起到保護(hù)作用解析高壓線路的檢修人員在進(jìn)行高壓作業(yè)時(shí)，要穿上用金屬絲制成的高壓作業(yè)服，相當(dāng)于把人體用金屬網(wǎng)罩起來。這樣，外部電場就不會影響到人體，從而避免了感應(yīng)電流對人體的傷害。故選項(xiàng)C正確。答案C4如圖7所示，把一個(gè)架在絕緣支架上的枕形導(dǎo)體放在正電荷形成的電場中，導(dǎo)體處于靜電平衡時(shí)，下列說法正確的是()圖7AA、B兩點(diǎn)場強(qiáng)相等，且都不為零BA、B兩點(diǎn)的場強(qiáng)不相等C感應(yīng)電荷產(chǎn)生的附加場強(qiáng)大小是|EA|bc0，所以B正確，A、C、D錯(cuò)誤。答案B8(2018臺州教學(xué)質(zhì)量檢測)將一帶電荷量為Q的小球放在不帶電的金屬球附近，所形成的電場線如圖5所示，金屬表面電勢處處相等，a、b為電場中的兩點(diǎn)，則以下說法錯(cuò)誤的是()圖5Aa點(diǎn)的電場強(qiáng)度比b點(diǎn)大Ba點(diǎn)的電勢比b點(diǎn)的高C試探電荷q在a點(diǎn)的電勢能比b點(diǎn)的大D將試探電荷q從a點(diǎn)移動到b點(diǎn)的過程中，電場力做正功解析根據(jù)電場線越密集場強(qiáng)越大知，a點(diǎn)電場強(qiáng)度比b點(diǎn)大，A正確；a點(diǎn)離帶正電小球更近，電勢比b點(diǎn)的高，B正確；由電勢能公式知試探電荷q在a點(diǎn)的電勢能比b點(diǎn)的小，C錯(cuò)誤；將試探電荷q從a點(diǎn)移動到b點(diǎn)的過程中，電勢能減小，電場力做正功，D正確。答案C9(20183月臺州質(zhì)量評估)如圖6所示，在“中國達(dá)人秀”舞臺上，16歲的盧馭龍上演了這樣一幕表演：他站在電壓達(dá)幾萬伏的電極旁邊，輕松地把玩著“閃電”，卻安然無恙。據(jù)了解，他身上穿著一件特別的衣服叫“高壓屏蔽服”。制成這種“高壓屏蔽服”的材料可能是()圖6A玻璃 B木屑C塑料片 D金屬絲解析處于靜電平衡的導(dǎo)體是個(gè)等勢體，內(nèi)部場強(qiáng)處處為0，金屬導(dǎo)體才能屏蔽外電場，故選項(xiàng)D正確。答案D10(2018浙江東陽中學(xué)模擬)如圖7為靜電除塵機(jī)理示意圖，廢氣先經(jīng)過一個(gè)機(jī)械過濾裝置再進(jìn)入靜電除塵區(qū)，帶負(fù)電的塵埃在電場力的作用下向集塵極遷移并沉積，以達(dá)到除塵目的，圖中虛線為電場線(方向未標(biāo))。不考慮塵埃在遷移過程中的相互作用和電量變化，則()圖7A電場線方向由放電極指向集塵極B圖中A點(diǎn)電勢高于B點(diǎn)電勢C塵埃在遷移過程中做勻變速運(yùn)動D塵埃在遷移過程中電勢能減小解析帶負(fù)電的塵埃在電場力的作用下向集塵極遷移并沉積，故電場線應(yīng)由集塵極指向放電極，A錯(cuò)誤；由對稱性知，圖中A點(diǎn)與A點(diǎn)關(guān)于放電極中心對稱的A點(diǎn)電勢相等，均低于B點(diǎn)電勢，B錯(cuò)誤；電場為非勻強(qiáng)電場，C錯(cuò)誤；塵埃在遷移過程中向電場力的方向偏折，電場力做正功，電勢能減小，D正確。答案D11帶電荷量為Q的正電荷距一很大的接地金屬板的距離為a，如圖8所示。試求金屬板對點(diǎn)電荷的作用力。圖8解析由于接地金屬板很大，因此點(diǎn)電荷Q發(fā)出的電場線會全部終止并垂直于金屬板，可見板左側(cè)的電場和相距2a的等量異種點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場完全一致，則可用求相距為2a的等量異種電荷間的相互作用力來“等效”代替求感應(yīng)電荷對Q的作用力，如圖所示。故感應(yīng)電荷對Q的作用力Fkk，方向由Q垂直指向金屬板。答案k方向由Q垂直指向金屬板12如圖9所示，一厚度不計(jì)的金屬圓桶帶電荷量為Q4106 C。圖9(1)此時(shí)，金屬圓桶內(nèi)、外表面帶電荷量分別為多少？(2)如果用絲線在金屬圓桶內(nèi)懸掛一帶電荷量q2106 C的金屬小球。求金屬圓桶內(nèi)、外表面帶的電荷量；若讓金屬圓桶內(nèi)金屬小球與內(nèi)表面接觸一下，則金屬圓桶內(nèi)、外表面帶電荷量分別為多少？若金屬小球懸掛時(shí)，先用手接觸一下金屬圓桶外表面，然后再將小球從金屬圓桶中取出，則金屬圓桶內(nèi)、外表面帶電荷量又為多少？解析(1)由靜電平衡條件，凈電荷分布在導(dǎo)體的外表面，可得金屬圓桶內(nèi)表面帶電荷量為0，外表面帶電荷量為4106 C。(2)帶負(fù)電金屬小球移入金屬圓桶內(nèi)后，由于靜電感應(yīng)，內(nèi)壁感應(yīng)出2106 C的正電荷，相當(dāng)于負(fù)電荷將等量的正電荷