2024-2025學(xué)年高中物理第1章靜電場7靜電現(xiàn)象的應(yīng)用學(xué)案新人教版選修3-1

PAGE11-靜電現(xiàn)象的應(yīng)用[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.[科學(xué)思維]知道什么是靜電平衡狀態(tài)，理解處于靜電平衡狀態(tài)導(dǎo)體的特性。(重點)2.[科學(xué)看法與責(zé)任]知道什么是靜電屏蔽及其有關(guān)應(yīng)用。3.[科學(xué)思維]知道導(dǎo)體上電荷的安排規(guī)律。(難點)4.[物理觀念]了解尖端放電現(xiàn)象。一、靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的電場和電荷分布1．靜電感應(yīng)現(xiàn)象：處于電場中的導(dǎo)體，由于電場力的作用，電荷出現(xiàn)重新分布的現(xiàn)象。2．靜電平衡狀態(tài)：導(dǎo)體中(包括表面上)沒有電荷定向移動的狀態(tài)。3．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)部的場強(qiáng)到處為零。(2)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，外部表面旁邊任何一點的場強(qiáng)方向必跟該點的表面垂直。(3)處于靜電平衡狀態(tài)的整個導(dǎo)體是個等勢體，導(dǎo)體的表面為等勢面。4．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。二、尖端放電和靜電屏蔽1．電離：導(dǎo)體尖端的電荷密度很大，旁邊的場強(qiáng)很強(qiáng)，空氣中的帶電粒子猛烈運(yùn)動，使空氣分子被撞“散”而使正、負(fù)電荷分別的現(xiàn)象。2．尖端放電：導(dǎo)體尖端的強(qiáng)電場使旁邊的空氣電離，電離后的異種離子與尖端的電荷中和，相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷的現(xiàn)象。3．靜電屏蔽：靜電平衡時，導(dǎo)體殼內(nèi)空腔里的電場到處為零，外電場對殼內(nèi)不會產(chǎn)生影響。4．尖端放電和靜電屏蔽的應(yīng)用、防止(1)尖端放電①應(yīng)用：避雷針是利用尖端放電避開雷擊的一種設(shè)施。②防止：高壓設(shè)備中導(dǎo)體的表面盡量光滑，削減電能的損失。(2)靜電屏蔽的應(yīng)用①電學(xué)儀器和電子設(shè)備外面會有金屬罩，通訊電纜外面包一層鉛皮，可以防止外電場的干擾。②電工高壓帶電作業(yè)時，穿戴金屬絲網(wǎng)制成的衣、帽、手套、鞋子，可以對人體起到靜電屏蔽作用，使人平安作業(yè)。1．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部隨意兩點間的電勢差為零。 (√)(2)靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)到處為零，導(dǎo)體的電勢也為零。 (×)(3)避雷針能避開建筑物被雷擊是因為云層中帶的電荷被避雷針通過導(dǎo)線導(dǎo)入大地。 (×)(4)用金屬網(wǎng)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。 (×)(5)飛機(jī)輪上裝有拖地線，油罐車后面拖條鐵鏈都是把靜電導(dǎo)入大地。 (√)2．在手術(shù)時，為防止麻醉劑乙醚爆炸，地磚要用導(dǎo)電材料制成，醫(yī)生和護(hù)士要穿由導(dǎo)電材料制成的鞋子和外套、一切設(shè)備要良好接地，甚至病人身體也要良好接地。這是為了()A．殺菌消毒 B．消退靜電C．利用靜電 D．防止漏電B[在可燃?xì)怏w環(huán)境(如乙醚)中產(chǎn)生的靜電，簡單引起爆炸，應(yīng)設(shè)法把產(chǎn)生的靜電消退掉(如導(dǎo)入大地)，因此選項B正確。]3．(多選)關(guān)于靜電感應(yīng)和靜電平衡，以下說法正確的是()A．靜電感應(yīng)是由于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子受靜電力作用的結(jié)果B．導(dǎo)體內(nèi)的自由電子都不運(yùn)動稱為靜電平衡C．處于靜電平衡狀態(tài)時，導(dǎo)體所占空間各處場強(qiáng)均為零D．處于靜電平衡狀態(tài)時，導(dǎo)體內(nèi)部將沒有多余的“凈”電荷AD[靜電平衡是由于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子受靜電力的作用而發(fā)生定向移動，最終達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，選項A正確；達(dá)到靜電平衡后，自由電子不再定向移動，但是仍舊做無規(guī)則的熱運(yùn)動，選項B錯誤；導(dǎo)體處于靜電平衡時，電荷只分布在導(dǎo)體外表面上，導(dǎo)體內(nèi)部沒有多余的“凈”電荷，選項D正確；導(dǎo)體處于靜電平衡時，導(dǎo)體內(nèi)部的場強(qiáng)為零，但導(dǎo)體表面的場強(qiáng)不為零，選項C錯誤。]對靜電平衡的理解1.靜電平衡的實質(zhì)：在達(dá)到靜電平衡的過程中，外電場引起導(dǎo)體內(nèi)自由電荷的定向移動使導(dǎo)體兩側(cè)出現(xiàn)感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷的電場和外電場方向相反，使合場強(qiáng)減小，隨著感應(yīng)電荷的接著增加，合場強(qiáng)漸漸減小，直至合場強(qiáng)為零，自由電荷的定向移動停止。2．靜電平衡的條件：導(dǎo)體內(nèi)部的合場強(qiáng)為零，即E合＝0。3．靜電平衡狀態(tài)的特點(1)處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體的特點①導(dǎo)體內(nèi)部某處感應(yīng)電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)E′與四周原電場場強(qiáng)E大小相等，方向相反，兩者相互抵消，導(dǎo)體內(nèi)部到處合場強(qiáng)E合為零，但導(dǎo)體表面的電場強(qiáng)度不為零。②整個導(dǎo)體是一個等勢體，導(dǎo)體表面是等勢面，但電勢不肯定為零。③電場線與導(dǎo)體表面垂直。(2)靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體的電荷分布特點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，如圖甲所示。甲乙③凈電荷在導(dǎo)體表面分布不勻稱，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，如圖乙所示?！纠?】在真空中有兩個點電荷A和B，電荷量分別為－Q和＋2Q，相距為2l，假如在兩個點電荷連線的中點O有一個半徑為r(r?l)的空心金屬球，且球心位于O點，如圖所示，則球殼上的感應(yīng)電荷在O[解析]依據(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。[答案]eq\f(3kQ,l2)方向向右上例中，若將點電荷B移走，其他條件不變，則球殼上的感應(yīng)電荷在O處的場強(qiáng)大小為多少？方向如何？提示：E′感＝EA＝keq\f(Q,l2)，A在O處產(chǎn)生的場強(qiáng)方向左，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運(yùn)用E＝keq\f(Q,r2)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)，則滿意靜電平衡條件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。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．如圖所示，一個方形的金屬盒原來不帶電，現(xiàn)將一個帶電荷量為＋Q的點電荷放在盒左邊旁邊，達(dá)到靜電平衡后，盒上的感應(yīng)電荷在盒子內(nèi)部產(chǎn)生的電場分布狀況正確的是()ABCDC[金屬盒內(nèi)部由于處于靜電平衡狀態(tài)，因此內(nèi)部每點的合電場強(qiáng)度都為0，即金屬盒內(nèi)的每一點，感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場的電場強(qiáng)度都與點電荷＋Q在那點產(chǎn)生的電場的電場強(qiáng)度大小相等、方向相反，即感應(yīng)電荷的電場線與點電荷＋Q的電場線重合，但方向相反。]靜電平衡導(dǎo)體的電荷分布及分析方法1.對靜電平衡時導(dǎo)體上電荷的分布的理解(1)實心導(dǎo)體：導(dǎo)體內(nèi)部無電荷，電荷只分布在導(dǎo)體外表面上。(2)空腔導(dǎo)體：空腔內(nèi)無電荷時，電荷分布在外表面上(內(nèi)表面無電荷)；空腔內(nèi)有電荷時，內(nèi)表面因靜電感應(yīng)出現(xiàn)等量的異號電荷，外表面有感應(yīng)電荷。2．分析方法(1)“遠(yuǎn)近觀”法：處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，離場源電荷較近和較遠(yuǎn)的兩端感應(yīng)出等量的異種電荷，而導(dǎo)體的中間部分因感應(yīng)電荷較少，可認(rèn)為無感應(yīng)電荷產(chǎn)生，如圖甲所示。甲乙(2)“整體觀”法：當(dāng)兩個或多個原來彼此絕緣的導(dǎo)體接觸或用導(dǎo)線連接時，就可把它們看作是一個大導(dǎo)體，再用“遠(yuǎn)近觀”推斷它們的帶電狀況，如有些問題所提到的“用手觸摸某導(dǎo)體”，其實就是導(dǎo)體通過人體與大地構(gòu)成一個大導(dǎo)體。不要認(rèn)為導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，用導(dǎo)線連接帶電體內(nèi)部時，小球Q就不帶電，其實它們連接后就已成為一個整體，故小球通過導(dǎo)線得到了電荷，如圖乙所示?！纠?】(多選)如圖所示，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(dǎo)體B。下列試驗方法中能使驗電器箔片張開的是()A．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．用絕緣導(dǎo)線把驗電器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．使驗電器A靠近BBCD[A項中取電棒先和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時驗電器箔片不張開；B項中可以使C球帶電，從而使A帶電；C項中用絕緣導(dǎo)線事實上是將驗電器A和B連成了一個導(dǎo)體，A因接觸而帶電；D項中是感應(yīng)起電；所以B、C、D項正確。]eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．如圖所示，將一個帶正電的小球Q放在本身不帶電的導(dǎo)體AB靠近A端一側(cè)，由于靜電感應(yīng)，導(dǎo)體的A、B兩端分別出現(xiàn)負(fù)、正感應(yīng)電荷。則以下說法中正確的是()A．A端接一下地，導(dǎo)體將帶正電荷B．A端接一下地，導(dǎo)體將帶負(fù)電荷C．導(dǎo)體的A端電勢低，B端電勢高D．導(dǎo)體上的感應(yīng)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的電場強(qiáng)度為0B[到達(dá)靜電平衡狀態(tài)以后，A處帶負(fù)電，B處帶正電，當(dāng)A端接一下地，會使大地的電子流入枕形導(dǎo)體，導(dǎo)體B處電荷被中和，則導(dǎo)體將帶負(fù)電，故A錯誤，B正確；枕型導(dǎo)體在帶正電的小球旁邊時，枕型導(dǎo)體上的自由電子會向金屬棒的左邊運(yùn)動，金屬棒的右端因少了多余的電子而帶正電，左端因多余電子而帶負(fù)電；但導(dǎo)體是個等勢體，故C錯誤；到達(dá)靜電平衡狀態(tài)以后，導(dǎo)體內(nèi)部的電場強(qiáng)度到處為0，導(dǎo)體上的感應(yīng)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的電場強(qiáng)度不為零，故D錯誤。]對靜電屏蔽的理解1.靜電屏蔽的實質(zhì)靜電屏蔽的實質(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，似乎是金屬殼將外電場“擋”在外面，即所謂的屏蔽作用，其實是殼內(nèi)兩種電場并存，矢量和為零。2．靜電屏蔽的兩種狀況導(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，外表面的感應(yīng)電荷因接地將傳給地球，外部電場消逝，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】如圖所示，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(nèi)，但不與B接觸，達(dá)到靜電平衡后，則()A．B的空腔內(nèi)電場強(qiáng)度為零B．B不帶電C．B的外表面帶正電D．B的內(nèi)表面帶負(fù)電D[因為金屬殼的外表面接地，所以外表面沒有感應(yīng)電荷，只有內(nèi)表面有感應(yīng)電荷分布，且由于A帶正電，則B的內(nèi)表面帶負(fù)電，D對，B、C錯；B的空腔內(nèi)有帶正電的小球A產(chǎn)生的電場和金屬殼內(nèi)表面感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場，所以空腔內(nèi)電場強(qiáng)度不為零，A錯。]處理靜電屏蔽問題的留意點(1)空腔可以屏蔽外界電場，接地的空腔可以屏蔽內(nèi)部的電場作用，其本質(zhì)都是因為激發(fā)電場與感應(yīng)電場疊加的結(jié)果，分析中應(yīng)特殊留意分清是哪一部分電場作用，還是合電場作用的結(jié)果。(2)對靜電感應(yīng)，要駕馭導(dǎo)體內(nèi)部的自由電荷是如何移動的，是如何建立起附加電場的，何處會出現(xiàn)感應(yīng)電荷。(3)對靜電平衡，要理解導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡時所具有的特點。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])3．如圖所示，放在絕緣臺上的金屬網(wǎng)罩B內(nèi)放有一個不帶電的驗電器C，若把一帶有正電荷的絕緣體A移近金屬網(wǎng)罩B，則()A．金屬網(wǎng)罩B的內(nèi)表面帶正電荷，φB＝φC＝0B．金屬網(wǎng)罩B的右側(cè)外表面帶正電荷C．驗電器的金屬箔片將張開，φB<φCD．φB≠φC，金屬網(wǎng)罩B左、右兩側(cè)的電勢不相等B[金屬罩B處于靜電平衡狀態(tài)，電荷分布在其外表面上，所以A錯誤；由于靜電感應(yīng)，使金屬罩B的左側(cè)外表面感應(yīng)出負(fù)電荷，所以金屬罩B的右側(cè)外表面感應(yīng)出正電荷，B正確；由于靜電屏蔽，金屬網(wǎng)罩內(nèi)電場強(qiáng)度為零，故C上無感應(yīng)電荷，驗電器的金屬箔片不會張開，C錯誤；由靜電屏蔽特點知，導(dǎo)體是等勢體，導(dǎo)體表面是等勢面，D錯誤。]1．[物理觀念]對靜電平衡問題的理解，導(dǎo)體在靜電平衡狀態(tài)時的特點。2．[科學(xué)方法]對靜電屏蔽現(xiàn)象的理解及分析。1．下列防雷措施可行的是()①在大樹下避雷雨；②停留在山頂、山脊的涼亭等地方避雷雨；③不要快速開摩托車、騎自行車或在雨中狂奔；④在空曠地帶，最好關(guān)掉手機(jī)電源。A．①③ B．②③C．①④ D．③④D[表面具有突出尖端的導(dǎo)體，在尖端部分電荷分布密度很大，使得其四周電場很強(qiáng)，就可能使其四周的空氣發(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?？焖匍_摩托車、騎自行車或在雨中狂奔，身體的跨步越大，電壓就越大，雷電也越簡單傷人。在空曠地帶運(yùn)用手機(jī)通話，手機(jī)很有可能成為閃電的放電對象。故正確選項為D。]2.(多選)如圖所示，電力工作人員在幾百萬伏的高壓線上進(jìn)行帶電作業(yè)，電工全身穿戴帶電作業(yè)用的屏蔽服，屏蔽服是用導(dǎo)電金屬材料與紡織纖維混紡交織成布后再做成的服裝，下列說法正確的是()A．采納金屬材料編織衣服的目的是使衣服不易拉破B．采納金屬材料編織衣服的目的是利用靜電屏蔽C．電工穿上屏蔽服后，體內(nèi)場強(qiáng)為零D．電工穿上屏蔽服后，體內(nèi)電勢為零BC[屏蔽服的作用是使處于高壓電場中的人體外表面各部位形成一個等勢屏蔽面，從而防護(hù)人體免受高壓電場及電磁波的危害，等勢面說明電勢相等而不是等于0，而電場中的導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度為0，所以B、C正確，A、D錯誤。]3.如圖所示，一塊光滑鐵板水平放置，在鐵板上方高為h處有帶電荷量為＋Q的點電荷，一個帶電荷量為＋q的絕緣小球從鐵板的左端以初速度v0向右運(yùn)動，并始終沿著鐵板表面到達(dá)鐵板的右端，則在小球通過鐵板的過程中()A．先減速運(yùn)動，后加速運(yùn)動B．先加速運(yùn)動，后減速運(yùn)動C．先減速運(yùn)動，后加速運(yùn)動，再減速運(yùn)動D．始終勻速運(yùn)動D[因為鐵板處于靜電平衡狀態(tài)，其表面是等勢面，因此鐵板表面旁邊的電場強(qiáng)度與鐵板到處垂直，小球在水平方向上不受力，因此始終以速度v0做勻速運(yùn)動，D正確。]4．如圖所示，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)(始終不與球接觸)，現(xiàn)將一個懸掛在絕緣細(xì)線上的帶負(fù)電的小球B放在C旁邊，待穩(wěn)定后，以下說法正確的是()A．A對B無靜電力作用，B對A無靜電力作用B．A向左偏離豎直方向，B向右偏離豎直方向C．A對B的靜電力向左，B對A的靜電力向右D．A的位置不變，B的位置也不變A[A在空心金屬球內(nèi)，由于靜電感應(yīng)，使得C外表面帶正電，BC相互吸引，所以B向右偏；而金屬空腔可以屏蔽外部電場，所以B的電荷對空腔C的內(nèi)部無影響，即A、B之間無相互的靜電力，所以A位置不變。][老師備選1](多選)如圖所示是某種靜電礦料分選器的原理示意圖，帶電礦粉經(jīng)漏斗落入水平勻強(qiáng)電場后，分落在收集板中心的兩側(cè)，對礦粉分別的過程，下列表述正確的有()A．帶正電的礦粉落在右側(cè)B．電場力對礦粉做正功C．帶負(fù)電的礦粉電勢能變大D．帶正電的礦粉電勢能變小BD[帶正電礦粉受到的電場力方向向左，故落在收集板的左側(cè)，A項錯誤；電場力對礦粉做正功，礦粉的電勢能減小，動能增加，所以選項B、D正確，選項C錯誤。][老師備選2](多選)如圖所示，帶負(fù)電的點電荷旁有一接地的大金屬板，A為金屬板內(nèi)一點，B為金屬板左側(cè)外表面上一點，下列對金屬板上的感應(yīng)電荷分別在A點和B點產(chǎn)生的場強(qiáng)方向的推斷正確的是()A．感應(yīng)電荷在A點的場強(qiáng)沿E1方向B．感應(yīng)電荷在A點的場強(qiáng)沿E2方向C．感應(yīng)電荷在B點的場強(qiáng)可能沿E3方向D．感應(yīng)電荷在B點的場強(qiáng)可能沿E4方向BC[金屬板內(nèi)的電場強(qiáng)度到處為0，則感應(yīng)電荷的電場與點電荷的電場等大反向，即感應(yīng)電荷在A點的場強(qiáng)沿E2方向，選項A錯誤，選項B正確；金屬板表面的電場強(qiáng)度垂直于金屬板表面對外，即感應(yīng)電荷的電場與點電荷的電場的合場強(qiáng)垂直金屬板向左，則感應(yīng)電荷在B點的場強(qiáng)可能沿E3方向，選項C正確，選項D錯誤。][老師備選3]如圖所示，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球中心，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()A．A球帶負(fù)電荷，B球帶正電荷B．A球帶負(fù)電荷，B球不帶電C．A、B兩球都帶負(fù)電荷D．A、B兩球都帶正電荷B[首先帶正電荷的小球C從A球開口處放入A球中心。依據(jù)靜電感應(yīng)現(xiàn)象可知，A球內(nèi)表面帶負(fù)電荷，外表面帶正電荷。用手接觸A相當(dāng)于把A接地，由大地傳導(dǎo)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?qū)ν馄痨o電屏蔽作用，A球內(nèi)的電場不影響外部。用手接觸B時，無電荷移動，