選修3-1（高中物理舊教材同步講義）第1章 7 靜電現(xiàn)象的應(yīng)用同步講義

7靜電現(xiàn)象的應(yīng)用[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道什么是靜電平衡狀態(tài)，能說出靜電平衡產(chǎn)生的條件.2.掌握靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體特點(diǎn).3.了解尖端放電、靜電屏蔽現(xiàn)象及其應(yīng)用．一、靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的電場1．靜電平衡狀態(tài)：導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再發(fā)生定向移動(dòng)的狀態(tài)．2．靜電平衡狀態(tài)的特征(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部的電場處處為零．(2)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，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，導(dǎo)體的表面為等勢面．二、導(dǎo)體上電荷的分布1．導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面．2．在導(dǎo)體外表面，越尖銳的位置電荷的密度越大，凹陷的位置幾乎沒有電荷．三、尖端放電1．空氣的電離：導(dǎo)體尖端的電荷密度很大，電場很強(qiáng)，帶電粒子在強(qiáng)電場的作用下劇烈運(yùn)動(dòng)撞擊空氣分子，從而使空氣分子的正負(fù)電荷分離的現(xiàn)象．2．尖端放電：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，相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷的現(xiàn)象．3．尖端放電的應(yīng)用與防止(1)應(yīng)用：避雷針是利用尖端放電避免雷擊的一種設(shè)施．(2)防止：高壓設(shè)備中導(dǎo)體的表面盡量光滑會(huì)減少電能的損失．四、靜電屏蔽1．靜電屏蔽金屬殼(網(wǎng))內(nèi)電場強(qiáng)度保持為0，外電場對(duì)殼(網(wǎng))內(nèi)的儀器不會(huì)產(chǎn)生影響的作用叫做靜電屏蔽．2．靜電屏蔽的應(yīng)用：電學(xué)儀器外面有金屬殼、野外高壓線上方還有兩條導(dǎo)線與大地相連．判斷下列說法的正誤．(1)靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再定向移動(dòng)．(√)(2)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體是個(gè)等勢體，且電勢為零．(×)(3)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零．(√)(4)避雷針能避免建筑物被雷擊是因?yàn)樵茖又袔У碾姾杀槐芾揍樛ㄟ^導(dǎo)線導(dǎo)入大地．(×)(5)用金屬網(wǎng)把驗(yàn)電器罩起來，再使帶電金屬球靠近驗(yàn)電器，則驗(yàn)電器箔片能張開．(×)(6)電工穿的高壓作業(yè)服是用銅絲編織的，原因是銅絲衣服有屏蔽作用，使體內(nèi)場強(qiáng)為零．(√)一、靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體如圖1所示，不帶電的金屬導(dǎo)體放到電場中，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子將發(fā)生定向移動(dòng)，使導(dǎo)體AB、CD兩面出現(xiàn)等量異號(hào)電荷，請(qǐng)思考下列問題：圖1(1)自由電子定向移動(dòng)的原因是什么？定向移動(dòng)的方向如何？(2)自由電子能否一直定向移動(dòng)？為什么？答案(1)自由電子受外加電場的電場力作用而移動(dòng)，向著與電場方向相反的方向定向移動(dòng)．(2)不能．感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場與外加電場方向相反，阻礙電子的定向移動(dòng)，當(dāng)這兩個(gè)電場大小相等時(shí)，電子的定向移動(dòng)終止．1．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零的本質(zhì)是外電場E0和感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場E′的合場強(qiáng)為0，即E0＝－E′.2．孤立的帶電導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)，內(nèi)部場強(qiáng)為0的本質(zhì)是分布在導(dǎo)體外表面的電荷在導(dǎo)體內(nèi)部的合場強(qiáng)為0.3．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體是等勢體，表面是等勢面，所以導(dǎo)體表面的電場線應(yīng)與導(dǎo)體表面垂直．例1在真空中有兩個(gè)點(diǎn)電荷A和B，電荷量分別為－Q和＋2Q，相距為2l，如果在兩個(gè)點(diǎn)電荷連線的中點(diǎn)O有一個(gè)半徑為r(r?l)的空心金屬球，且球心位于O點(diǎn)，如圖2所示，則球殼上的感應(yīng)電荷在O處的場強(qiáng)的大小為多大？方向如何？圖2答案eq\f(3kQ,l2)方向向右解析根據(jù)電場的疊加和靜電平衡，球心O處的合場強(qiáng)為0，即感應(yīng)電荷的電場強(qiáng)度與A、B兩點(diǎn)電荷在O處所產(chǎn)生的合場強(qiáng)等大、反向，即E感＝EA＋EB＝keq\f(Q,l2)＋keq\f(2Q,l2)＝eq\f(3kQ,l2)，A、B在O處產(chǎn)生的場強(qiáng)方向向左，所以E感向右．求處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體的感應(yīng)電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)的方法是：1先求出外電場場強(qiáng)E外的大小和方向.2由于導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)，則滿足靜電平衡條件E合＝0.3由E外＋E感＝0，求出感應(yīng)電場E感的大小和方向.針對(duì)訓(xùn)練1一金屬球原來不帶電，現(xiàn)沿球的直徑的延長線放置一均勻帶電的細(xì)桿MN，如圖3所示，金屬球上感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場在球內(nèi)直徑上a、b、c三點(diǎn)的場強(qiáng)大小分別為Ea、Eb、Ec，三者相比()圖3A．Ea最大 B．Eb最大C．Ec最大 D．Ea＝Eb＝Ec答案C解析處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)處處為零，故a、b、c三點(diǎn)的合場強(qiáng)都為零，靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零是感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場與外電場疊加的結(jié)果，所以感應(yīng)電荷在球內(nèi)某點(diǎn)產(chǎn)生的電場的場強(qiáng)與MN在這一點(diǎn)形成的電場的場強(qiáng)等大反向，比較a、b、c三點(diǎn)感應(yīng)電場的場強(qiáng)，實(shí)質(zhì)上是比較帶電體MN的電場在這三點(diǎn)的場強(qiáng)，由于c點(diǎn)離MN最近，故MN的電場在c點(diǎn)的場強(qiáng)最大，感應(yīng)電荷電場在c點(diǎn)的場強(qiáng)也最大，故選項(xiàng)C正確．二、導(dǎo)體上電荷的分布靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體上的電荷分布規(guī)律1．凈電荷只分布在導(dǎo)體表面，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，電荷量相等，近異遠(yuǎn)同，如圖4甲所示．3．凈電荷在導(dǎo)體表面的分布不均勻，一般越是尖銳的地方電荷的分布越密集，如圖乙所示．甲乙圖4例2(多選)如圖5所示，在絕緣板上放有一個(gè)不帶電的金箔驗(yàn)電器A和一個(gè)帶正電荷的空腔導(dǎo)體B.下列實(shí)驗(yàn)方法中能使驗(yàn)電器箔片張開的是()圖5A．用取電棒C(帶絕緣柄的導(dǎo)體棒)先跟B的內(nèi)壁接觸一下后再跟A接觸B．用取電棒C先跟B的外壁接觸一下后再跟A接觸C．用帶絕緣外皮的導(dǎo)線把驗(yàn)電器A跟取電棒C的導(dǎo)體部分相連，再把取電棒C與B的內(nèi)壁接觸D．使驗(yàn)電器A靠近B答案BCD解析A項(xiàng)中取電棒先和B的內(nèi)壁接觸后，由于B的內(nèi)壁本身沒有電荷，所以再接觸A時(shí)驗(yàn)電器箔片不張開；B項(xiàng)中可以使取電棒帶電，從而使A帶電；C項(xiàng)中用帶絕緣外皮的導(dǎo)線實(shí)際上是將驗(yàn)電器A和C連成了一個(gè)導(dǎo)體，A因接觸而帶電；D項(xiàng)中是感應(yīng)起電．所以B、C、D項(xiàng)正確．針對(duì)訓(xùn)練2如圖6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)并接觸，其結(jié)果可能是()圖6A．只有球殼外表面帶正電B．球殼的內(nèi)表面帶負(fù)電，外表面帶正電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)電答案A解析小球與球殼接觸構(gòu)成一個(gè)新導(dǎo)體，它的電荷量都分布在新導(dǎo)體的外表面，即只有球殼外表面帶正電，A對(duì)，B、C、D錯(cuò)．三、靜電屏蔽(1)如圖7甲所示，使帶正電的金屬球靠近驗(yàn)電器，驗(yàn)電器的箔片是否張開？圖7(2)如圖乙，若用一個(gè)金屬網(wǎng)罩把驗(yàn)電器罩住，再讓帶電金屬球靠近驗(yàn)電器，驗(yàn)電器的箔片是否張開？這些現(xiàn)象說明了什么？(3)如圖丙，金屬網(wǎng)罩不帶電，罩內(nèi)小球帶正電，將驗(yàn)電器靠近金屬網(wǎng)罩，如圖丁，把金屬網(wǎng)罩接地．圖丙驗(yàn)電器的箔片是否張開？圖丁驗(yàn)電器的箔片是否張開？這些現(xiàn)象說明了什么？答案(1)使帶正電的金屬球靠近驗(yàn)電器，驗(yàn)電器的箔片會(huì)張開．(2)用一個(gè)金屬網(wǎng)罩把驗(yàn)電器罩住，再讓帶電金屬球靠近，驗(yàn)電器的箔片不張開，說明圖甲中的驗(yàn)電器受到附近帶電體的影響；圖乙中金屬網(wǎng)罩內(nèi)的驗(yàn)電器不受附近帶電體的影響．(3)金屬網(wǎng)罩不帶電，罩內(nèi)小球帶正電，將驗(yàn)電器靠近金屬網(wǎng)罩，驗(yàn)電器箔片張開，把金屬網(wǎng)罩接地，驗(yàn)電器箔片不張開，這些現(xiàn)象說明網(wǎng)罩不接地時(shí)內(nèi)部帶電體能影響外界；金屬網(wǎng)罩接地時(shí)，內(nèi)部帶電體不影響外界．1．靜電屏蔽的實(shí)質(zhì)靜電屏蔽的實(shí)質(zhì)是利用了靜電感應(yīng)現(xiàn)象，使金屬殼內(nèi)感應(yīng)電荷的電場和外加電場矢量和為零，好像是金屬殼將外電場“擋”在外面，即所謂的屏蔽作用，其實(shí)是殼內(nèi)兩種電場并存，矢量和為零．2．靜電屏蔽的兩種情況導(dǎo)體外部電場不影響導(dǎo)體內(nèi)部接地導(dǎo)體內(nèi)部的電場不影響導(dǎo)體外部圖示實(shí)現(xiàn)過程因場源電荷產(chǎn)生的電場與導(dǎo)體球殼表面上感應(yīng)電荷在空腔內(nèi)的合場強(qiáng)為零，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)，起到屏蔽外電場的作用當(dāng)空腔外部接地時(shí)，外表面的感應(yīng)電荷因接地將傳給地球，外部電場消失，起到屏蔽內(nèi)電場的作用最終結(jié)論導(dǎo)體內(nèi)空腔不受外界電荷影響接地導(dǎo)體空腔外部不受內(nèi)部電荷影響本質(zhì)靜電感應(yīng)與靜電平衡，所以做靜電屏蔽的材料只能是導(dǎo)體，不能是絕緣體例3將懸掛在絕緣細(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)(不與球接觸)，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8所示，則()圖8A．A向左偏離豎直方向，B向右偏離豎直方向B．A的位置不變，B向右偏離豎直方向C．A向左偏離豎直方向，B的位置不變D．A和B的位置都不變答案B解析帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球C內(nèi)，由于靜電感應(yīng)，空心球外殼帶正電，內(nèi)壁帶負(fù)電，因此B所在處有電場，所以B在電場力作用下向右偏而靠近C；由于空心球能屏蔽B球的電場，所以，A所在處電場強(qiáng)度為零，故A球不受電場力作用，位置不變．故B正確．1．(靜電屏蔽)請(qǐng)用學(xué)過的電學(xué)知識(shí)判斷下列說法正確的是()A．電工穿絕緣衣比穿金屬衣安全B．制作汽油桶的材料用金屬比用塑料好C．小鳥停在單根高壓輸電線上會(huì)被電死D．打雷時(shí)，待在汽車?yán)锉却谀疚堇镆ｋU(xiǎn)答案B解析電工穿絕緣衣容易產(chǎn)生大量的靜電，反而比較危險(xiǎn)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤．塑料油桶會(huì)因摩擦而帶電，因?yàn)樗芰鲜墙^緣材料，不能把電荷導(dǎo)走，所以塑料油桶內(nèi)易產(chǎn)生火花導(dǎo)致塑料油桶爆炸，選項(xiàng)B正確．小鳥停在單根高壓輸電線上時(shí)，加在小鳥兩腳間的電壓非常小，小鳥不會(huì)被電死，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．打雷時(shí)，待在汽車?yán)?，汽車的金屬外殼起到靜電屏蔽的作用，而木屋沒有靜電屏蔽作用，所以待在汽車?yán)锉却谀疚堇镆踩x項(xiàng)D錯(cuò)誤．2.(尖端放電)如圖9所示是模擬避雷針作用的實(shí)驗(yàn)裝置，金屬板M接高壓電源的正極，金屬板N接負(fù)極．金屬板N上有兩個(gè)等高的金屬柱A、B，A為尖頭，B為圓頭．逐漸升高電源電壓，當(dāng)電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，可看到放電現(xiàn)象．先產(chǎn)生放電現(xiàn)象的是()圖9A．A金屬柱B．B金屬柱C．A、B金屬柱同時(shí)D．可能是A金屬柱，也可能是B金屬柱答案A解析由于導(dǎo)體尖端電荷比較密集，故容易產(chǎn)生放電現(xiàn)象，選項(xiàng)A正確．3．(靜電平衡狀態(tài)導(dǎo)體特點(diǎn))(2016·江蘇卷)一金屬容器置于絕緣板上，帶電小球用絕緣細(xì)線懸掛于容器中，容器內(nèi)的電場線分布如圖10所示．容器內(nèi)表面為等勢面，A、B為容器內(nèi)表面上的兩點(diǎn)，下列說法正確的是()圖10A．A點(diǎn)的電場強(qiáng)度比B點(diǎn)的大B．小球表面的電勢比容器內(nèi)表面的低C．B點(diǎn)的電場強(qiáng)度方向與該處內(nèi)表面垂直D．將檢驗(yàn)電荷從A點(diǎn)沿不同路徑移到B點(diǎn)，電場力所做的功不同答案C解析由電場線的疏密表示電場強(qiáng)度大小可知，A點(diǎn)的電場強(qiáng)度比B點(diǎn)的小，A項(xiàng)錯(cuò)誤；沿電場線的方向電勢逐漸降低，B項(xiàng)錯(cuò)誤；容器的內(nèi)表面為一等勢面，內(nèi)表面處各點(diǎn)場強(qiáng)的方向與等勢面垂直，C項(xiàng)正確；容器內(nèi)表面為等勢面，在等勢面上移動(dòng)電荷，電場力不做功，D項(xiàng)錯(cuò)誤．4.(感應(yīng)電場的計(jì)算)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11所示．當(dāng)棒達(dá)到靜電平