物理人教版選修3-1第一章靜電場7

7靜電現象的應用[學習目標]1.知道什么是靜電平衡狀態(tài)，能說出靜電平衡產生的條件.2.掌握靜電平衡狀態(tài)下的導體特點.3.了解尖端放電、靜電屏蔽現象及其應用.一、靜電平衡狀態(tài)下的導體[導學探究]如圖1所示，不帶電的金屬導體放到電場中，導體內的自由電子將發(fā)生定向移動，使導體兩端出現等量異號電荷.請思考下列問題：圖1(1)自由電子定向移動的原因是什么？定向移動的方向如何？(2)自由電子能否一直定向移動？為什么？答案(1)自由電子受外加電場的電場力作用而移動，向著與電場相反的方向定向移動.(2)不能.感應電荷產生的電場與外加電場反向，阻礙電子的定向移動，當這兩個電場大小相等時，電子的定向移動終止.[知識梳理]1.靜電平衡狀態(tài)：導體在電場中發(fā)生靜電感應現象時，感應電荷的電場與原電場疊加，使導體內部電場減弱，直至為零，導體內部自由電子不再發(fā)生定向移動的狀態(tài).2.處于靜電平衡狀態(tài)下導體的特征(1)內部的電場處處為零.(2)外部表面附近任何一點的場強方向必定與這點的表面垂直.(3)整個導體是個等勢體，它的表面是個等勢面.3.靜電平衡時，導體上的電荷分布特點：(1)導體內部沒有電荷，電荷只分布在導體的表面.(2)在導體外表面，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.[即學即用]判斷下列說法的正誤.(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導體內部任意兩點間的電勢差為零.(√)(2)靜電平衡狀態(tài)下的導體內部場強處處為零，導體的電勢也為零.(×)(3)因為外電場和所有感應電荷的電場在導體內部疊加的合電場為0，所以處于靜電平衡的導體內部電場處處為0.(√)(4)靜電平衡時，導體內的自由電子不再運動.(×)二、尖端放電靜電屏蔽[導學探究](1)避雷針是利用尖端放電保護建筑物的一種設施，其原理是什么？(2)處于靜電平衡狀態(tài)的導體，其內部場強處處為零，若導體是空心的，則空心部分的場強怎樣？靜電屏蔽是怎樣起到屏蔽作用的？答案(1)導體尖端的電荷密度很大，附近的電場很強，空氣中殘留的帶電粒子在強電場的作用下發(fā)生劇烈的運動，把空氣中的氣體分子撞“散”，也就是使分子中的正、負電荷分離.這個現象叫做空氣的電離.中性的分子電離后變成帶負電的自由電子和失去電子而帶正電的離子.這些帶電粒子在強電場的作用下加速，撞擊空氣中的分子，使它們進一步電離，產生更多的帶電粒子.那些所帶電荷與導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，這相當于導體從尖端失去電荷.(2)空心部分場強為零.靜電屏蔽是利用“處于靜電平衡狀態(tài)的導體內部場強處處為零”，即使內部有自由電子，受到的電場力也為0，自由電子不發(fā)生定向移動.[知識梳理]1.空氣的電離：導體尖端電荷密度很大，附近的電場很強，空氣中殘留的帶電粒子在強電場的作用下發(fā)生劇烈的運動把空氣中的氣體分子撞“散”，也就是使分子中的正負電荷分離的現象.2.尖端放電：所帶電荷與導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，相當于導體從尖端失去電荷的現象.3.靜電屏蔽：金屬殼或金屬網的空腔內不受外界電場的影響，殼(網)內電場強度保持為0，外電場對殼(網)內的儀器不會產生影響，金屬殼(網)的這種作用叫做靜電屏蔽.4.尖端放電和靜電屏蔽的應用、防止：(1)尖端放電：①應用：避雷針是利用尖端放電避免雷擊的一種設施.②防止：高壓設備中導體的表面盡量光滑會減少電能的損失.(2)靜電屏蔽的應用：電學儀器外面有金屬殼、野外高壓線上方還有兩條導線與大地相連.[即學即用]判斷下列說法的正誤.(1)避雷針能避免建筑物被雷擊是因為云層中帶的電荷被避雷針通過導線導入大地.(×)(2)用金屬網把驗電器罩起來，再使帶電金屬球靠近驗電器，則驗電器箔片能張開.(×)(3)飛機輪上裝有拖地線，油罐車后面拖條鐵鏈都是把靜電導入大地.(√)(4)電工穿的高壓作業(yè)服是用銅絲編織的，目的是銅絲衣服有屏蔽作用，使體內場強為零.(√)一、靜電平衡的理解及應用1.處于靜電平衡狀態(tài)的導體內部場強為零的本質是外電場E0和感應電荷產生的電場E′的合場強為0，即E0＝－E′.2.孤立的帶電導體處于靜電平衡狀態(tài)，內部場強為0的本質是分布在導體外表面的電荷在導體內部的合場強為0.3.處于靜電平衡的導體是等勢體，表面是等勢面，所以導體表面的電場線應與導體表面垂直.例1長為l的導體棒原來不帶電，現將一帶電荷量為＋q的點電荷放在距棒左端R處，如圖2所示.當棒達到靜電平衡后，棒上的感應電荷在棒內中點P處產生的電場強度大小等于________，方向為________.圖2答案eq\f(kq,R＋\f(l,2)2)向左解析導體棒在點電荷＋q的電場中發(fā)生靜電感應，左端出現負電荷，右端出現正電荷，棒中任何一點都有兩個電場，即外電場：＋q在該點形成的電場E0；附加電場：棒上感應電荷在該點形成的電場E′，達到靜電平衡狀態(tài)時E′＝E0.題中所求的即為E′，于是我們通過上述等式轉化為求E0.于是E′＝E0＝eq\f(kq,R＋\f(l,2)2).E′和E0方向相反，即方向向左.針對訓練1(多選)如圖3所示，帶負電的點電荷旁有一接地大金屬板，A為金屬板內的一點，B為金屬板左側外表面上的一點，下列關于金屬板上感應電荷在A點和B點的場強方向判斷正確的是()圖3A.感應電荷在A點的場強沿E1方向B.感應電荷在A點的場強沿E2方向C.感應電荷在B點的場強可能沿E3方向D.感應電荷在B點的場強可能沿E4方向答案BC解析金屬板內的電場強度處處為0，則感應電荷的電場與點電荷的電場等大反向，即感應電荷在A點的場強沿E2方向，選項B正確；金屬板表面的電場強度垂直表面向外，即為感應電荷的電場與點電荷的電場的合場強，則感應電荷在B點的場強可能沿E3方向，選項C正確.二、靜電平衡導體的電荷分布1.凈電荷只分布在導體表面，內部沒有凈電荷.2.感應電荷分布于導體兩端，電性相反，電量相等，近異遠同，如圖4甲所示.3.凈電荷在導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如圖5所示，把一個帶正電的小球放入原來不帶電的金屬空腔球殼內并接觸，其結果可能是()圖5A.只有球殼外表面帶正電B.球殼的內表面帶負電，外表面帶正電C.球殼的內、外表面都帶正電D.球殼的內表面帶正電，外表面帶負電答案A解析小球與球殼接觸構成一個新導體，它的電荷量都分布在新導體的外表面，即只有球殼外表面帶正電，A對，B、C、D錯.針對訓練2(多選)如圖6所示，在絕緣板上放有一個不帶電的金箔驗電器A和一個帶正電荷的空腔導體B.下列實驗方法中能使驗電器箔片張開的是()圖6A.用取電棒C(帶絕緣柄的導體棒)先跟B的內壁接觸一下后再跟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.用絕緣導線把驗電器A跟取電棒C的導體部分相連，再把取電棒C與B的內壁接觸D.使驗電器A靠近B答案BCD解析A項中取電棒先和B的內壁接觸后，由于B的內壁本身沒有電荷，所以再接觸A時驗電器箔片不張開；B項中可以使取電棒帶電，從而使A帶電；C項中用絕緣導線實際上是將驗電器A和B連成了一個導體，A因接觸而帶電；D項中是感應起電.所以B、C、D項正確.三、靜電屏蔽的理解及應用例3如圖7所示，把原來不帶電的金屬殼B的外表面接地，將一帶正電的小球A從小孔中放入球殼內，但不與B發(fā)生接觸，達到靜電平衡狀態(tài)后，則()圖7A.B的空腔內電場強度為零B.B不帶電C.B的外表面帶正電D.B的內表面帶負電答案D解析因為金屬殼的外表面接地，所以外表面無感應電荷，只有內表面有感應電荷分布，且由于A帶正電，則B的內表面帶負電，D對，B、C錯；B的空腔內有帶正電的小球A產生的電場和金屬殼內表面感應電荷產生的電場，由電場疊加知，電場線的方向由A指向B，所以空腔內電場強度不為零，A錯.靜電屏蔽的兩種情況屏蔽外電場屏蔽內電場圖示實現過程因場源電荷產生的電場與導體球殼表面上感應電荷在空腔內的合場強為零，達到靜電平衡狀態(tài)，起到屏蔽外電場的作用當空腔外部接地時，外表面的感應電荷因接地將傳給地球，外部電場消失，起到屏蔽內電場的作用最終結論導體內空腔不受外界電荷影響接地導體空腔外部不受內部電荷影響本質靜電感應與靜電平衡針對訓練3(多選)如圖8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(與內壁不接觸).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()圖8A.B的右端帶正電，A向左偏B.B的右端帶正電，A不偏左也不偏右C.B的左端帶正電，A向右偏D.B的左端帶負電，A不偏左也不偏右答案BD解析導體空腔處于外電場中時，由于靜電感應的作用，導體球殼的左端將感應出負電荷，右端將感應出正電荷，而導體空腔內部完全不受外加電場的影響，故A不會偏轉，故A、C錯誤，B、D正確.故選B、D.1.請用學過的電學知識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被電死D.打雷時，待在汽車里比待在木屋里要危險答案B解析電工穿絕緣衣容易產生大量的靜電，反而比較危險，選項A錯誤.塑料油桶會因摩擦而帶電，因為塑料是絕緣材料，不能把電導走，所以塑料油桶內易產生火花導致塑料油桶爆炸，選項B正確.小鳥停在單根高壓輸電線上時，加在小鳥兩腿間的電壓非常小，小鳥不會被電死，選項C錯誤.打雷時，待在汽車里，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，所以待在汽車里比待在木屋里要安全，選項D錯誤.故選B.2.如圖9所示，在一電場強度為E的勻強電場中放一金屬空心導體，圖中a、b分別為金屬導體內部與空腔中的兩點，則()圖9A.a、b兩點的電場強度都為零B.a點電場強度為零，b點不為零C.a點電場強度不為零，b點為零D.a、b兩點電場強度均不為零答案A3.(多選)如圖10所示，B是帶有絕緣支架的空腔帶電金屬球殼，A是驗電器，A、B相距較遠，導線C的一端接驗電器的金屬球，下列現象正確的是()圖10A.將C的另一端與B的外殼接觸，驗電器的金屬箔張開B.將C的另一端與B的內表面接觸，驗電器的金屬箔張開C.將C的另一端與B的外殼接觸，驗電器的金屬箔不張開D.將C的另一端與B的內表面接觸，驗電器的金屬箔不張開答案AB4.如圖11所示，點電荷A和B帶電荷量分別為3.0×10－8C和－2.4×10－8C，彼此相距6cm.若在兩點電荷連線中點O處放一個半徑為1cm的金屬球殼，求球殼上感應電荷在O點處產生的電場強度.(靜電力常量k＝9×109N·m2/C2)圖11答案5.4×105N/C，方向由O指向A解析＋q1在O點的場強大小為E1＝keq\f(q1,\f(d,2)2)＝3×105N/C，方向由O指向B；－q2在O點的場強大小為E2＝keq\f(q2,\f(d,2)2)＝2.4×105N/C，方向由O指向B；設感應電荷在O點處產生的場強為E3，由靜電平衡條件知E3＝E1＋E2＝5.4×105N/C，方向由O指向A.一、選擇題(1～7題為單選題，8～10題為多選題)1.當導體達到靜電平衡時，場強方向的特征是()A.外電場E0消失B.感應電荷產生的附加電場E′為零C.導體內部的合電場E為零D.導體表面和內部的合電場均為零答案C解析靜電平衡的導體感應場強與原場強大小相等、方向相反，合電場為零.2.在點電荷－Q的電場中，一金屬圓盤處于靜電平衡狀態(tài)，若圓平面與點電荷在同一平面內，則盤上感應電荷在盤中A點所激發(fā)的附加場強E′的方向在下圖中正確的是()答案A解析感應電荷在盤中A點激發(fā)的附加場強E′應與－Q在A點產生的場強等大反向，故A正確.3.如圖1所示，帶電體Q靠近一個接地空腔正方體導體，空腔里面無電荷，達到靜電平衡后，下列物理量中不等于零的是()圖1A.導體空腔內任意點的場強B.導體空腔內任意點的電勢C.導體外表面的電荷量D.導體空腔內表面的電荷量答案C解析靜電平衡后導體空腔內任意點的場強為0；電荷分布在導體外表面，空腔內表面的電荷量為0；導體為等勢體，接地后電勢為0.4.如圖2所示為一空腔球形導體(不帶電)，現在將一個帶正電的小金屬球A放入空腔中，當靜電平衡時，圖中a、b、c三點的場強E和電勢φ的關系是()圖2A.Ea>Eb>Ec，φa>φb>φcB.Ea＝Eb>Ec，φa＝φb>φcC.Ea＝Eb＝Ec，φa＝φb＝φcD.Ea>Ec>Eb，φa>φb>φc答案D解析畫出空腔導體內外的電場線分布如圖所示，可以看出Eb＝0，但φb＞0，由內向外，電勢依次降低，φa＞φb＞φc；由電場線疏密可看出Ea＞Ec＞Eb.5.如圖3所示，驗電器A不帶電，驗電器B的上面安裝有幾乎封閉的金屬筒C，并且B的金屬箔片是張開的，現手持一個帶絕緣棒的金屬小球D，使D接觸C的內壁，再移出與A的金屬小球接觸，無論操作多少次，都不能使A帶電，這個實驗說明了()圖3A.C是不帶電的B.C的內部是帶電的C.C的內部電勢為零D.C的內部場強為零答案D6.如圖4所示，A為空心金屬球，B為金屬球，A、B原來不帶電，將另一帶正電荷的小球C從A球開口處放入A球中央，不接觸A球，然后用手接觸一下A球，再用手接觸一下B球，再移走C球，則()圖4A.A球帶負電荷，B球帶正電荷B.A球帶負電荷，B球不帶電C.A、B兩球都帶負電荷D.A、B兩球都帶正電荷答案B解析首先帶正電荷的小球C從A球開口處放入A球中央.根據靜電感應現象可知，A球內表面帶負電荷，外表面帶正電荷.用手接觸A相當于把A接地，由大地傳導過來的電子與A球外表面正電荷中和，使A球外表面不帶電，A球外表面電勢為零，此時A球對外起靜電屏蔽作用，A球內的電場不影響外部.用手接觸B時，無電荷移動，B球不帶電.當帶正電荷的C球從A球內移走后，A球內表面所帶的負電荷移至外表面，所以此時A球帶負電荷.由上述可知，選項B正確.7.一帶有絕緣底座的空心金屬球殼A帶有4×10－8C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球與球殼A內壁接觸，如圖5所示，則A、B帶電荷量分別為()圖5A.QA＝1×10－8C，QB＝1×10－8CB.QA＝2×10－8C，QB＝0C.QA＝0，QB＝2×10－8CD.QA＝4×10－8C，QB＝－2×10－8C答案B解析B與A接觸后，靜電荷全部跑到外表面，內壁電荷量為零，故B帶電荷量為零，A帶電荷量為正、負電荷電荷量之和，即QA＝2.0×10－8C.8.如圖6所示，原來不帶電的金屬球殼內壁接地，將一帶正電的小球放入其中，但不與球殼接觸，則()圖6A.球殼內壁帶負電B.球殼外壁帶正電C.球殼外壁不帶電D.若將接地線去掉再移去正電荷，球殼外壁帶負電答案ACD解析球殼內正電荷產生電場，使球殼處于靜電平衡狀態(tài)，在球殼的內表面出現等量異種電荷，球殼的外表面出現等量同種電荷，當球殼接地時，不論內表面接地還是外表面接地，待穩(wěn)定后球殼的電勢必定為零.球殼的外表面無感應電荷，球殼外也沒有靜電場，這就是接地導體殼的靜電屏蔽作用，故A、C選項正確.若將接地線去掉再移去球殼內正電荷時，球殼內表面的負電荷就會分布到球殼的外表面上，內壁不再帶電.故D選項正確.9.如圖7所示，一導體AB在點電荷Q的電場中發(fā)生靜電感應，下列說法正確的是()圖7A.導體中M、N兩點的電場強度相等B.感應電荷在M點產生的場強大于感應電荷在N點產生的場強C.如果在AB間用一導線連接，則導線中將有電流產生D.N點的電勢