靜電現(xiàn)象的應用教案及試題

1、 源于名校，成就所托物理備課組教師 陳海飛班級 學生 日期： 上課時間:主課題：靜電現(xiàn)象的應用教學目標：1知道靜電感應產(chǎn)生的原因，理解什么是靜電平衡狀態(tài)2理解靜電平衡時，凈電荷只分布在導體表面且內(nèi)部場強處處為零3知道靜電屏蔽及其應用教學重難點：1、 靜電平衡狀態(tài)理解運用2、 靜電屏蔽理解與運用教學內(nèi)容知識回顧一、靜電感應：把金屬導體放在外電場中，由于導體內(nèi)的自由電子受電場力作用定向移動，使得導體兩端出現(xiàn)等量的異種電荷，這種由于導體內(nèi)的自由電子在外電場作用下重新分布的現(xiàn)象叫做靜電感應。（在靠近帶電體端感應出異種電荷，在遠離帶電體端感應出同種電荷）由帶電粒子在電場中受力去分析。靜電感應可從兩個角度

2、來理解：根據(jù)同種電荷相排斥，異種電荷相吸引來解釋；也可以從電勢的角度來解釋，導體中的電子總是沿電勢高的方向移動二、電場中的導體1、金屬導體的特征： 由做熱振動的正離子和做無規(guī)則熱運動的自由電子組成1. 靜電感應現(xiàn)象+問題：在源電荷的電場中引入金屬導體后會對空間各點的場強有影響嗎？ 是什么作用使金屬內(nèi)的電子定向移動的？此移動一直進行嗎？ 金屬導體內(nèi)部有電場嗎？答：使空間電場重新分布 源電荷的電場使導體內(nèi)部自由電子定向移動靜電平衡狀態(tài)2. 靜電平衡：（1）定義：發(fā)生靜電感應時，導體內(nèi)的自由電子受到電場力作用而定向移動，使導體中的正負電荷重新分布，這時感應的正負電荷產(chǎn)生的附加電場的場強大小等于外電場

3、，方向相反，使得導體中的合場強為零。導體內(nèi)的自由電荷不再定向移動的狀態(tài)，叫做靜電平衡狀態(tài)。注意：應當注意的是外電場既可以是勻強電場也可以是點電荷的電場。如果是點電荷的電場，要注意不同點的場強往往不同，所以感應電場的不同點也就往往不同。金屬導體建立靜電平衡狀態(tài)的時間是短暫的。（2）條件： =0。特點：（1）內(nèi)部的電場處處為零。即 =0。（2）導體表面任何一點的場強方向都跟表面垂直，即電場線與導體表面垂直；（3）帶電導體的靜電荷只能分布在外導體表面上，且表面的電荷分布與表面彎曲半徑有關，尖端部分電荷密度大，該處的場強也大；理論證明：中性導體帶電后，由于同種電荷相互排斥，凈電荷只能分布在表面反證法：

4、若內(nèi)部有自由電荷，則內(nèi)部場強不為0，導體就不是處于靜電平衡狀態(tài)（4）導體是一個等勢體，表面是一個等勢面+發(fā)生靜電感應后的導體，兩端面出現(xiàn)等量感應電荷，感應電荷產(chǎn)生一個附加電場E附，這個E附與原電場方向相反，當E附增到與原電場等大時，（即E附與E外），合場強為零，自由電子定向移動停止，這時的導體處于靜電平平衡狀態(tài)。注意：這沒有定向移動而不是說導體內(nèi)部的電荷不動，內(nèi)部的電子仍在做無規(guī)則的運動。（5）內(nèi)部場強處處為零，電場線在導體內(nèi)部中斷。導體內(nèi)部的電場強度是外加電場和感應電荷產(chǎn)生電場這兩種電場疊加的結果（6）整個導體是等勢體，表面是個等勢面；導體表面上任意兩點間電勢差為零。（因為假若導體中某兩點電

5、勢不相等，這兩點則有電勢差，那么電荷就會定向運動）（7）表面上任何一點的場強方向都跟該點表面垂直；（因為假若內(nèi)部場強不為零，則內(nèi)部電荷會做定向運動，那么就不是靜電平衡狀態(tài)了）（8）凈電荷分布在導體的外表面，內(nèi)部沒有凈電荷曲率半徑小的地方，面電荷密度大，電場強，這是避雷針的原理。二、靜電屏蔽1、定義：靜電感應可使金屬網(wǎng)罩或金屬內(nèi)的場強為零，遮擋住了外界電場對它們的影響，這種現(xiàn)象叫靜電屏蔽。2、靜電屏蔽包括兩種情況（1）殼內(nèi)空間的場殼內(nèi)空間無帶電體的情況：不論殼外帶電體情況如何，殼內(nèi)空間各點場強必然為零。殼內(nèi)空間有帶電體的情況：這時殼內(nèi)空間將因殼內(nèi)帶電體的存在而出現(xiàn)電場。殼的內(nèi)壁也會出現(xiàn)電荷分布，

6、但是可以證明：這一電場只由殼內(nèi)帶電體及殼的內(nèi)壁形狀決定而與殼外情況無關。也就是說，殼外電荷對殼內(nèi)電場仍無影響。（2）殼外空間的場殼外空間無帶電體的情況：直觀解釋：殼外壁的感生電荷全部沿接地線流入大地（負），因此它們在殼外激發(fā)的場強不復存在。殼外空間有帶電體的情況：綜上述：封閉導體殼（不論接地與否）內(nèi)部電場不受殼外電荷的影響，接地封閉導體殼外部分電場不受殼內(nèi)電荷的影響。記憶方法：1、（網(wǎng)）外不影響（網(wǎng)）內(nèi)；2、（網(wǎng)）接地，（網(wǎng)）內(nèi)不影響（網(wǎng)）外。注意：靜電屏蔽不是金屬網(wǎng)罩把電場擋住，而是金屬網(wǎng)罩感應電荷的電場與原電場疊加，合場強為零。三、尖端放電導體尖端的電荷特別密集，尖端附近的電場特別強，就會

7、發(fā)生尖端放電 強電場作用下，物體尖銳部分發(fā)生的一種放電現(xiàn)象稱為尖端放電,他屬于一種電暈放電。他的原理是物體尖銳處曲率大，電力線密集，因而電勢梯度大，致使其附近部分氣體被擊穿而發(fā)生放電。如果物體尖端在暗處或放電特別強烈，這時往往可以看到它周圍有淺藍色的光暈 . 通常情況下，空氣是不導電的，但是如果電場特別強，空氣分子中的正負電荷受到方向相反的強電場力，有可能被“撕”開，這個現(xiàn)象叫做空氣的電離。由于電離后的空氣中有了可以自由移動的電荷，空氣就可以導電了，空氣電離后產(chǎn)生的負電荷就是負離子，失去原子的電荷帶正電，叫做正離子。 （對孤立導體）導體表面有電荷堆積時，電荷密度與導體表面的形狀有關。在凹的部位

8、電荷密度接近零，在平緩的部位小，在尖的部位最大。當電荷密度達到一定的量值后，電荷產(chǎn)生的電場會很大，以至于把空氣擊穿（電離），空氣中的與導體帶電相反的離子會與導體的電荷中和，出現(xiàn)放電火花，并能聽到放電聲。 如高壓線有輪廓的地方，就會出現(xiàn)尖端放電。由于接到電源上，它一邊放電，一邊不停的提供放電需要的電荷，這種放電會持續(xù)下去。 避雷針是另外一個好的例子。高大建筑物上安裝避雷針，當帶電云層靠近建筑物時，建筑物會感應上與云層相反的電荷，這些電荷會聚集到避雷針的尖端，達到一定的值后便開始放電，這樣不停的將建筑物上的電荷中和掉，永遠達不到會使建筑物遭到損壞的強烈放電所需要的電荷。雷電的實質(zhì)是2個帶電體間的強

9、烈的放電，在放電的過程中有巨大的能量放出。建筑物的另外一端與大地相連，與云層相同的電荷就流入大地。顯然，要是避雷針起作用，必須保證尖端的尖銳和接地通路的良好，一個接地通路損壞的避雷針將使建筑物遭受更大的損失。科學原理在強電場作用下，物體表面曲率大的地方(如尖銳、細小物的頂端)，等電位面密，電場強度劇增，致使它附近的空氣被電離而產(chǎn)生氣體放電，此現(xiàn)象稱電暈放電。尖端放電為電暈放電的一種，專指尖端附近空氣電離而產(chǎn)生氣體放電的現(xiàn)象。故要觀察尖端放電的現(xiàn)象，除了要有足夠高的電壓外，還必須有適當?shù)男螤钆浜?，才容易做到?尖端效應的產(chǎn)生特點1.在導體的帶電量及其周圍環(huán)境相同情況下,導體尖端越尖,尖端效應越明

10、顯。這是因為尖端越尖,曲率越小,面電荷密度越高,其附近場強也就越強。在同一導體上，與曲率小的部位相比，曲率大的部位就是尖端。因此,設備的邊.棱.角相對于平滑表面,管道的噴嘴相對于管線，細導線相對于粗導線,人的手指相對于背部等等,前者都可認為是尖端,都容易產(chǎn)生尖端效應。而且,即使帶電體沒有尖端，而與之相鄰近的接地導體具有尖端，它們之間也會產(chǎn)生尖端效應。此時,由于靜電感應,在接地體的尖端處會感應出異性電荷,并容易與帶電體之間發(fā)生放電。 2.尖端放電的形式主要有電暈放電和火花放電兩種。在導體帶電量較小而尖端又較尖時,尖端放電多為電暈型放電。這種放電只在尖端附近局部區(qū)域內(nèi)進行,使這部分區(qū)域的空氣電離,

11、并伴有微弱的熒光和嘶嘶聲。因放電能量較小,這種放電一般不會成為易燃易爆物品的引火源,但可引起其它危害。在導體帶電量較大電位較高時,尖端放電多為火花型放電。這種放電伴有強烈的發(fā)光和破壞聲響,其電離區(qū)域由尖端擴展至接地體(或放電體),在兩者之間形成放電通道。由于這種放電的能量較大,所以其引燃引爆及引起人體電擊的危險性較大。 3.火花型尖端放電隨兩極間距的減小而更易發(fā)生。這可由擊穿電壓隨極間距離的減小而下降來說明。 4.尖端放電的發(fā)生還與周圍環(huán)境情況有關。環(huán)境溫度越高越容易放電。因為溫度越高，電子和離子的動能越大,就更容易發(fā)生電離。另外,環(huán)境濕度越低越容易放電。圍為濕度高時空氣中水分子增多,電子與水

12、分子碰撞機會增多,碰后形成活動能力很差的負離子,使碰撞能量減弱。再者，氣壓越低越容易放電。因為氣壓越低氣體分子間距越大,電子或離子的平均自由程越大,加速時間越長,動能越大,更容易發(fā)生碰撞電離。 尖端效應的危害1.引起火災爆炸。如上所述,由于火花型尖端放電的放電能量較大,因此很容易引起易燃易爆混合物的燃燒和爆炸,造成重大人身傷亡和財產(chǎn)損失。2.妨礙生產(chǎn),損壞設備。火花型及電暈型尖端放電都會對生產(chǎn)過程造成不同程度的妨礙，乃至損壞設備。3.靜電尖端放電也可造成人體電擊。 尖端放電的應用一般的電子打火裝置，避雷針，還有工業(yè)煙囪除塵的裝置都是運用了尖端放電的原理。高大建筑物上都會安裝避雷針，當帶電云層靠

13、近建筑物時，建筑物會感應上與云層相反的電荷，這些電荷會聚集到避雷針的尖端，達到一定的值后便開始放電，這樣不停的將建筑物上的電荷中和掉，永遠達不到會使建筑物遭到損壞的強烈放電所需要的電荷。雷電的實質(zhì)是2個帶電體間的強烈的放電，在放電的過程中有巨大的能量放出。建筑物的另外一端與大地相連，與云層相同的電荷就流入大地。顯然，要是避雷針起作用，必須保證尖端的尖銳和接地通路的良好，一個接地通路損壞的避雷針將使建筑物遭受更大的損失。 四、靜電應用1、靜電除塵器：靜電除塵是利用靜電場的作用, 使氣體中懸浮的塵粒帶電而被吸附，并將塵粒從煙氣中分離出來而將其去除。2、靜電分離機(提純工業(yè)原料)3、靜電感應卸料器4

14、、靜電復印、印刷技術：利用光電導敏感材料在曝光時按影像發(fā)生電荷轉移而存留靜電潛影，經(jīng)一定的干法顯影、影像轉印和定影而得到復制件。5、靜電噴涂：利用靜電吸附作用將聚合物涂料微粒涂敷在接地金屬物體上，然后將其送入烘爐以形成厚度均勻的涂層。6、靜電紡紗：在紡紗過程中利用靜電場對纖維的作用力，使纖維得到伸直、排列和凝聚，并在自由端須條加拈時起到平衡的作用，使紡紗能連續(xù)進行。 7、靜電植絨：利用靜電場作用力使絨毛極化并沿電場方向排列，同時被吸著在涂有粘合劑的基底上成為絨毛制品。8、靜電在高技術領域也得到一些應用，主要有：靜電火箭發(fā)動機屬電火箭發(fā)動機的一種，與化學火箭發(fā)動機不同，所用的能源與工質(zhì)分開。靜電

15、火箭發(fā)動機的特點是比沖高、壽命長（可起動上萬次，累計工作上萬小時），但推力很小，適用于航天器的姿態(tài)控制、位置保持和星際航行等。靜電火箭發(fā)動機的工質(zhì)（如汞、銫、氫等）從貯存箱經(jīng)過電離室電離成離子，在引出電極的靜電場力作用下加速形成射束。離子射束與中和器發(fā)射的電子耦合形成中性的高速束流，噴射而產(chǎn)生推力。推力通常在（0.525）×10-5牛之間，比沖達 850020000秒。靜電軸承利用電場力使軸懸浮的滑動軸承。用電場力和磁場力共同懸浮的是組合式軸承。因靜電軸承需要很高的電場強度，其應用受到限制，只在少數(shù)特殊儀表中使用。靜電陀螺儀又稱電浮陀螺。是陀螺傳感器的一種。在金屬球形空心轉子的周圍裝

16、有均勻分布的高壓電極,對轉子形成靜電場,用靜電力支承高速旋轉的轉子。這種方式屬于球形支承，轉子不僅能繞自轉軸旋轉，同時也能繞垂直于自轉軸的任何方向轉動，故屬自由轉子陀螺儀類型。靜電場僅有吸力，轉子離電極越近吸力就越大，這就使轉子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。用一套支承電路改變轉子所受的力，可使轉子保持在中心位置。靜電陀螺儀采用非接觸支承，不存在摩擦，所以精度很高,其漂移率低達10-310-5度/時，是高精度慣性導航系統(tǒng)的重要元件。但它不能承受較大的沖擊和振動。其另一缺點是結構和制造工藝復雜，成本較高。靜電透鏡是電子透鏡中的一種。在旋轉對稱型的若干個導體電極上分別加上一定的直流電壓所形成的旋轉對稱靜電場。例如

17、，由等半徑或不等半徑的雙圓筒電極構成的浸沒透鏡;由等半徑或不等半徑的3個圓筒或3個光闌構成的單電位透鏡,以及由陰極、調(diào)制極和陽極構成的陰極透鏡。題型一 靜電感應現(xiàn)象問題【例1】如圖71所示，不帶電的導體B在靠近帶正電的導體A后，P端及Q端分別感應出負電荷和正電荷，則以下說法正確的是(A)A若用導線將Q端接地，然后斷開，再取走A，則導體B將帶負電B若用導線將Q端接地，然后斷開，再取走A，則導體B將帶正電C若用導線將Q端接地，然后斷開，再取走A，則導體B將不帶電D若用導線將P端接地，然后斷開，再取走A，則導體B將帶正電【變式】如圖所示，兩個相同的空心金屬球M和N，M帶Q電荷，N不帶電(M、N相距很

18、遠，互不影響)，旁邊各放一個不帶電的金屬球P和R，當將帶正電Q的小球分別放入M和N的空腔中時(D)AP、R上均出現(xiàn)感應電荷BP、R上均沒有感應電荷CP上有，而R上沒有感應電荷DP上沒有，而R上有感應電荷題型二 靜電平衡問題【例2】如圖所示，帶電體Q靠近一個接地空腔導體，空腔里面無電荷。在靜電平衡后，下列物理量中等于零的是(ABD )A導體腔內(nèi)任意點的場強B導體腔內(nèi)任意點的電勢C導體外表面的電荷量D導體空腔內(nèi)表面的電荷量【變式】如圖75所示，為一空腔球形導體(不帶電)，現(xiàn)將一個帶正電的小金屬球A放入腔中，當靜電平衡時，圖中a、b、c三點的場強E和電勢的關系是(D)AEaEbEc，abcBEaEb

19、Ec，abcCEaEbEc，abcDEaEcEb，abc題型三 有關靜電屏蔽問題【例3】如圖所示，將懸在絕緣細線上帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球殼B內(nèi)(與內(nèi)壁不接觸)。外加一個水平向右的場強為E的勻強電場，對于最后的結果，下列判斷正確的是()AB的右端帶正電，A向左偏BB的右端帶正電，A不偏左也不偏右CB的左端帶正電，A向右偏DB的左端帶負電，A不偏左也不偏右【變式】如圖77所示，帶正電的導體球A置于原來不帶電的空腔導體球B內(nèi)，a、c分別為導體A、B內(nèi)的點，b為導體A和B之間的一點，下列說法正確的是(B)Aa、b、c三點的電勢都相等Ba點的場強為零，但電勢最高Cb點的場強為零，但電勢大于

20、零Da、b、c三點的場強都為零題型四 靜電應用與防護【例4】人們在晚上脫衣服時，有時會看到火花四濺，并伴有“劈啪”聲，這是因為(A)A衣服由于摩擦而產(chǎn)生了靜電B人體本身是帶電體C空氣帶電，在衣服上放電所致D以上說法均不正確【變式】在下列措施中，哪些能將產(chǎn)生的靜電導走(AB)A飛機輪子上搭地線B印染車間保持濕度C復印圖片D電工鉗柄裝有絕緣套小結：課后作業(yè)1金屬導體在電場中處于靜電平衡時，其內(nèi)部的自由電子將( )A都被原子束縛 B都集中在導體兩端 C都停止運動 D都停止定向移動2一個帶電金屬球，當它帶的電量增加后(穩(wěn)定)，其內(nèi)部場強( ) A一定增強 B一定減弱 C可能增強也可能減弱 D不變3一個

21、帶絕緣座的空心金屬球A帶有4×lO-8C的正電荷, 有絕緣柄的金屬小球B帶有2×10-8C的負電荷，使B球和A球的內(nèi)壁接觸, 如圖所示，則A、B各帶電荷量為 ( ) AQA=10-8C，QB=lO-8C BQA=2×Lo-8C, QB=O CQa=O，Qb=2×10-8C DQa=4×10-8C，QB=2×10-8C4帶電量分別為+Q和Q的兩個點電荷相距為r, 在兩點電荷之間放入一個不帶電的導體棒，如圖所示，當導體達到靜電平衡后，感應電荷在兩點電荷連線中點O處產(chǎn)生的場強大小為 ( ) A2kQr2 B4kQr2+Q C8kQr2 D0

22、5如圖所示，驗電器A不帶電，驗電器B的上面是幾乎封閉的金屬圓筒C，并且B的金屬箔片是張開的，現(xiàn)手持一個帶絕緣柄的金屬小球D，使D接觸C的內(nèi)壁，再移出與A的金屬小球接觸，無論操作多少次，不能使A帶電，說明 ( )AC是不帶電的 BC的內(nèi)部不帶電 CC的內(nèi)部場強為零 D以上說法均不對6如圖所示，將懸在細線上的帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球殼C內(nèi)(不和球壁接觸)，另有一懸掛在細線上的帶負電的小球B向C靠近，則( )AA往左偏離豎直方向，B向右偏離豎直方向 BA的位置不變，B向右偏離豎直方向 CA向左偏離豎直方向，B的位置不變 DA和B的位置均不變7如圖所示，把一個架在絕緣支架上的枕形導體放在正

23、電荷形成的電場中，導體處于靜電平衡時，下述正確的是 ( ) AA、B兩點場強相等，且都為零 BA、B兩點電勢相等，且都小于零 C感應電荷在A、B產(chǎn)生的附加場強大小是 D當電鍵K閉合時，電子從大地沿導線向導體移動8如圖所示，在負電荷A的電場中，導體B處于靜電平衡時 ( )AP端帶正電，Q端帶負電 BP端電勢高，Q端電勢低CP、Q兩端電勢相等 D在導體B內(nèi)部，場強從Q到P9在一個導體球殼內(nèi)放一個電量為Q的點電荷，用Ep表示球殼外任一點的場強，則()A當Q在球殼中央時，Ep0B不論Q在球殼內(nèi)何處，Ep一定為零C只有當Q在球心且球殼接地時，Ep0D只要球殼接地，不論Q在球殼內(nèi)何處，Ep010.圖78如圖78所示，一導體球A帶有正電荷，當只有它存在時，它在空間P點產(chǎn)生的電場強度的大小為EA。在A球球心與P點連線上有一帶負電的點電荷B，當只有它存在時，它在空間P點產(chǎn)生的電場強度大小為EB。當A、B同時存在時，根據(jù)場強疊加原理，P點的場強大小應為()AEB BEAEBC|EAEB| D以上說法都不對11如圖79所示，金屬球殼A帶有正電，其上方有一小孔a，靜電計B的金屬球b用導線與金屬球c相連，以下操作所發(fā)生的現(xiàn)象，哪些是正確的()圖79A將c移近A，但不與A接觸，B會張開一定角度B將c與A外表面接觸后移開，B會張開一定角度C將c與A內(nèi)表面接觸時，B不會張開角度D將c置于A