2024-2025學(xué)年高中物理第一章靜電場7靜電的應(yīng)用及危害教案教科版選修3-1

PAGE9-7靜電的應(yīng)用及危害1．靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的電場(1)靜電平衡狀態(tài)：導(dǎo)體中(包括表面)自由電子不再發(fā)生移動，我們就認(rèn)為導(dǎo)體達(dá)到了靜電平衡狀態(tài)．(2)靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特點(diǎn)：①處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部電場強(qiáng)度到處為零．②處于靜電平衡狀態(tài)的整個(gè)導(dǎo)體是一個(gè)等勢體，它的表面是一個(gè)等勢面．③表面處的電場強(qiáng)度不為零，表面處的電場強(qiáng)度方向跟導(dǎo)體表面垂直．2．導(dǎo)體上電荷的分布(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部沒有凈電荷，凈電荷只分布在導(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(單位面積上的電荷量)越大，凹陷的位置幾乎沒有電荷．3．尖端放電(1)電離：使空氣分子中的正負(fù)電荷分別，這種現(xiàn)象叫做空氣的電離．(2)尖端放電：導(dǎo)體尖端的電荷密度很大，旁邊的電場很強(qiáng)，使四周中性空氣分子電離，變成帶電離子，這些帶電離子在強(qiáng)電場的作用下加速，會使更多的空氣分子電離，產(chǎn)生大量的正負(fù)離子，與導(dǎo)體尖端的電荷符號相反的離子被吸引到尖端，跟尖端上的電荷中和，這相當(dāng)于尖端失去電荷，這種現(xiàn)象叫做尖端放電．(3)應(yīng)用與防止：應(yīng)用：避雷針；防止：高壓輸電設(shè)備的表面盡量做得光滑，避開放電．4．靜電屏蔽導(dǎo)體處于靜電平衡時(shí)，內(nèi)部電場強(qiáng)度到處為零，表現(xiàn)為電中性，若導(dǎo)體是空腔的，空腔部分的電場強(qiáng)度也到處為零，無論導(dǎo)體外部的電場是什么樣的，電場都不會深化到導(dǎo)體內(nèi)部，金屬殼的這種作用叫做靜電屏蔽．飛機(jī)在云層與云層之間飛行或起飛、著陸時(shí)都有可能遭受雷擊．但是當(dāng)飛機(jī)遭受雷擊時(shí)，電流可以從雷電云達(dá)到飛機(jī)頭部，縱向流過機(jī)身外殼，最終從機(jī)尾凌空打到地上或從其中一機(jī)翼打過另一機(jī)翼，橫向流過機(jī)身．但不管怎樣，閃電都只會沿著飛機(jī)外殼流過，而不會進(jìn)入機(jī)內(nèi)對乘客造成損害，你知道這是為什么嗎？提示：飛機(jī)外殼是金屬材料的，它會在雷擊時(shí)形成靜電屏蔽，愛護(hù)飛機(jī)內(nèi)的乘客．考點(diǎn)一對靜電平衡的理解1．靜電平衡實(shí)質(zhì)(1)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＝0.2．靜電平衡狀態(tài)的特點(diǎn)(1)處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體的特點(diǎn)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(gè)導(dǎo)體是一個(gè)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(diǎn)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．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．【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)電荷放在距導(dǎo)體棒左端R處，如圖所示，當(dāng)導(dǎo)體棒達(dá)到靜電平衡后，棒上感應(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________．解答本題時(shí)應(yīng)把握以下兩點(diǎn)：(1)導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度是點(diǎn)電荷形成的電場與感應(yīng)電荷形成的電場的矢量和．(2)感應(yīng)電荷的電場強(qiáng)度與點(diǎn)電荷q的電場強(qiáng)度等大反向．【答案】eq\f(kq,R＋\f(L,2)2)向左【解析】導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部合電場強(qiáng)度為零，這是點(diǎn)電荷q所形成的電場與棒兩端出現(xiàn)的感應(yīng)電荷所形成的附加電場在棒中疊加的結(jié)果，即E合＝E1＋E2＝0.因此可通過計(jì)算點(diǎn)電荷＋q產(chǎn)生的電場E1，來確定感應(yīng)電荷所形成的電場E2的大小和方向．點(diǎn)電荷＋q在棒中點(diǎn)處產(chǎn)生的電場強(qiáng)度由公式E＝keq\f(Q,r2)，得E1＝keq\f(q,R＋\f(L,2)2)，方向向右．由該點(diǎn)合電場強(qiáng)度為零知，感應(yīng)電荷在棒中點(diǎn)處產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小，E2＝E1＝keq\f(q,R＋\f(L,2)2)，方向向左．總結(jié)提能依據(jù)場源電荷和感應(yīng)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部電場的合電場強(qiáng)度為零的特點(diǎn)，可知在導(dǎo)體內(nèi)部的同一點(diǎn)，感應(yīng)電荷電場的電場強(qiáng)度與場源電荷電場的電場強(qiáng)度大小相等，方向相反．因此，可將求解感應(yīng)電荷電場在導(dǎo)體內(nèi)部的電場強(qiáng)度問題，轉(zhuǎn)換為求解場源電荷電場的電場強(qiáng)度的問題．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(A)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．考點(diǎn)二靜電屏蔽的兩種狀況1．導(dǎo)體外部的電場不影響導(dǎo)體內(nèi)部靜電屏蔽的本質(zhì)是靜電感應(yīng)，導(dǎo)體外面的電場不影響導(dǎo)體內(nèi)部，是因?yàn)橥怆妶雠c導(dǎo)體表面的感應(yīng)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部任一點(diǎn)的場強(qiáng)疊加后合場強(qiáng)為零．如下圖：把驗(yàn)電器靠近帶電體，箔片會張開，如圖(甲)，但假如把驗(yàn)電器置于金屬網(wǎng)罩內(nèi)，再靠近帶電體，箔片不再張開，如圖(乙)，說明網(wǎng)罩內(nèi)不受外電場的影響．2．接地導(dǎo)體的內(nèi)部電場不影響導(dǎo)體外部接地導(dǎo)體的內(nèi)部電場不影響導(dǎo)體外部，是因?yàn)閷?dǎo)體外部的感應(yīng)電荷都被排斥入地，在只有施感電荷和內(nèi)壁感應(yīng)出的異種電荷的狀況下，兩部分電荷在導(dǎo)體外部任何一點(diǎn)的場強(qiáng)疊加后合場強(qiáng)為零．如下圖：假如一封閉的導(dǎo)體球殼內(nèi)部空間有一點(diǎn)電荷＋q.由于靜電感應(yīng)，導(dǎo)體球殼內(nèi)外表面感應(yīng)出等量的異種電荷，其電場線分布如圖(甲)所示；當(dāng)把導(dǎo)體球殼接地后，＋q在殼內(nèi)的電場對外部空間就沒有影響了，此時(shí)的電場線分布如圖(乙)所示．【例2】(多選)如圖所示，一個(gè)不帶電的導(dǎo)體球N，置于空心導(dǎo)體球M旁邊，現(xiàn)將另一個(gè)帶電荷量為Q的金屬球放于空腔導(dǎo)體M內(nèi)，則()A．若M接地，N上無感應(yīng)電荷B．若M不接地，且M原來不帶電，N上無感應(yīng)電荷C．若M不接地，且M原來不帶電，N上有感應(yīng)電荷D．若M不接地，且M原來帶電，N上肯定有感應(yīng)電荷M接地，起到屏蔽外部的作用，只有M內(nèi)有電場，N上當(dāng)然就沒有感應(yīng)電荷；若M不帶電，也不接地，在M內(nèi)外都有發(fā)散電場．【答案】AC【解析】(1)若M接地，分析N上帶電狀況eq\x(\a\al(金屬球,Q帶電))→eq\x(\a\al(M內(nèi)表面帶相,反電性電荷，M,外表面不帶電))→eq\x(\a\al(N上無,感應(yīng)電荷))(2)若M不接地①M(fèi)原來不帶電，分析N上帶電狀況eq\x(\a\al(金屬球,Q帶電))→eq\x(\a\al(M內(nèi)表面帶相反電性,電荷，M外表面帶與內(nèi),表面相反電性的電荷))→eq\x(\a\al(N上,有感,應(yīng)電荷))②M原來帶電，分析N上帶電狀況總結(jié)提能不接地的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，其本質(zhì)都是由于激發(fā)電場與感應(yīng)電場疊加的結(jié)果，分析中應(yīng)特殊留意分清場源電荷產(chǎn)生的電場，感應(yīng)電場以及疊加后的合電場．；如圖所示，兩個(gè)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)(D)A．P、R上均出現(xiàn)感應(yīng)電荷B．P、R上均沒有感應(yīng)電荷C．P上有，而R上沒有感應(yīng)電荷D．P上沒有，而R上有感應(yīng)電荷解析：當(dāng)將帶正電Q的小球放入M的空腔中時(shí)，對M產(chǎn)生靜電感應(yīng)使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－Q正好中和，使外表面不帶電，事實(shí)上是M所帶－Q被吸引至內(nèi)表面，所以金屬球M外部不存在電場，不能對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)，對N產(chǎn)生靜電感應(yīng)，使N內(nèi)表面帶負(fù)電荷，N外表面帶正電荷，N外部有電場，對R產(chǎn)生靜電感應(yīng)，使左端帶負(fù)電，右端帶正電．選項(xiàng)D正確.1．如圖所示是模擬避雷針作用的試驗(yàn)裝置，則(A)A．A放電 B．B放電C．A、B一起放電 D．A、B之間放電解析：如題圖所示，A為尖頭、B為圓頭．當(dāng)金屬板M、N接在高壓電源上，因末端越尖越簡單放電，故A簡單放電，故選A.2．(多選)在下列措施中，能將產(chǎn)生的靜電盡快導(dǎo)走的是(AB)A．飛機(jī)輪子上搭地線 B．印染車間保持濕度C．復(fù)印圖片 D．電工鉗柄裝有絕緣套解析：飛機(jī)在飛行中與空氣摩擦?xí)r，飛機(jī)外表面聚集了大量靜電荷，著陸時(shí)會對地面人員帶來危害及火災(zāi)隱患，因此飛機(jī)著陸時(shí)要剛好導(dǎo)走機(jī)身聚集的靜電，實(shí)行的措施是在輪胎上安裝地線或用導(dǎo)電橡膠制造輪胎；在印染工作車間也同樣簡單產(chǎn)生靜電，靜電會給車間帶來火災(zāi)隱患，為防止火災(zāi)發(fā)生，其中平安措施之一就是使車間保持濕度，從而通過潮濕的空氣剛好導(dǎo)走靜電；在復(fù)印圖片環(huán)節(jié)中，剛好須要應(yīng)用靜電；電工鉗柄裝有絕緣套是防止導(dǎo)電，愛護(hù)電工的平安．3．如圖所示，小莉同學(xué)站在絕緣木板上將一只手搭在了一個(gè)大的帶電金屬球上，出現(xiàn)了“怒發(fā)沖冠”的現(xiàn)象．下列說法正確的是(C)A．這種現(xiàn)象是靜電感應(yīng)造成的B．將另一只手也搭在帶電球上，則這種現(xiàn)象消逝C．小莉的電勢與帶電球的電勢相等D．金屬球內(nèi)部的電場強(qiáng)度比頭發(fā)旁邊的電場強(qiáng)度大解析：人體也是導(dǎo)體，與金屬球接觸時(shí)帶電，頭發(fā)末梢?guī)N電荷，相互排斥，故頭發(fā)豎起，若另一只手也搭上去，現(xiàn)象不會消逝，A、B錯(cuò)誤；金屬球和人體可看成一個(gè)大導(dǎo)體，為等勢體，故C正確；金屬球內(nèi)部場強(qiáng)到處為零，小于頭發(fā)旁邊的電場強(qiáng)度，D錯(cuò)誤．4．在一些存在大量易燃?xì)怏w的工廠或試驗(yàn)室里，工作人員要穿一種特制的鞋，這種鞋的導(dǎo)電性能很好．這樣做的緣由是(A)A．能夠?qū)㈦姾蓪?dǎo)入大地，避開電荷在人體上的積累，以免產(chǎn)生火花放電引起火災(zāi)B．能夠?qū)㈦姾蓪?dǎo)入大地，避開電荷在易燃?xì)怏w上積累，以免產(chǎn)生火花放電引起火災(zāi)C．能夠?qū)⒋蟮刂须姾蓪?dǎo)入人體，以使在人體上積累足夠多的電荷D．能夠?qū)⒋蟮刂须姾蓪?dǎo)入易燃?xì)怏w，以使在易燃?xì)怏w上積累足夠多的電荷解析：在一些工廠或試驗(yàn)室里，存在大量易燃?xì)怏w，工作人員要穿一種特制的鞋，這種鞋的導(dǎo)電性能很好，能夠?qū)㈦姾蓪?dǎo)入大地，避開電荷在人體上的積累，以免產(chǎn)生火花放電，引起火災(zāi)．故正確答案為A.5．一個(gè)帶有絕緣座的空心金屬球殼