【優(yōu)化方案】2021年高中物理人教版選修3-1導(dǎo)學(xué)案：第一章第7節(jié)靜電現(xiàn)象的應(yīng)用-

第七節(jié)靜電現(xiàn)象的應(yīng)用1.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.2.知道什么是靜電屏蔽及其有關(guān)應(yīng)用.3.知道導(dǎo)體上電荷的支配規(guī)律.,4.了解尖端放電現(xiàn)象.一、靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的電場1．靜電感應(yīng)現(xiàn)象放在電場中的導(dǎo)體其內(nèi)部自由電荷在電場力作用下定向移動，而使導(dǎo)體兩端毀滅等量異號電荷的現(xiàn)象．2．靜電平衡狀態(tài)導(dǎo)體中(包括表面)自由電子不再發(fā)生定向移動，我們就認(rèn)為導(dǎo)體達(dá)到了靜電平衡狀態(tài)．3．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)部的場強(qiáng)處處為零．(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)表面處的場強(qiáng)不為零，表面處的場強(qiáng)方向跟導(dǎo)體表面垂直．4．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)部沒有電荷，電荷只分布在外表面上．(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，凹陷的位置幾乎無電荷．[想一想]1.處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部場強(qiáng)為什么是零？導(dǎo)體表面的電場沿什么方向？提示：導(dǎo)體在電場中發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象，感應(yīng)電荷的電場與原電場疊加，使導(dǎo)體內(nèi)部各點(diǎn)的合電場為零.,導(dǎo)體表面電場方向與導(dǎo)體表面垂直.二、尖端放電、靜電屏蔽1．尖端放電(1)尖端放電：空氣被電離后所帶電荷與導(dǎo)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(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷的現(xiàn)象．(2)應(yīng)用和防止應(yīng)用：避雷針是利用尖端放電避開雷擊的一種設(shè)施．防止：高壓設(shè)備中導(dǎo)體的表面盡量光滑會削減電能的損失．2．靜電屏蔽(1)定義：當(dāng)金屬外殼達(dá)到靜電平衡時(shí)，內(nèi)部沒有電場，因而金屬的外殼會對其內(nèi)部起屏蔽作用，使它內(nèi)部不受外部電場影響的現(xiàn)象．(2)應(yīng)用：電子儀器和電子設(shè)備外面都有金屬殼，通信電纜外面包有一層金屬網(wǎng)，高壓線路的檢修人員要穿屏蔽服等，都是利用靜電屏蔽現(xiàn)象消退外電場的影響．[想一想]2.絕緣球殼能否起到屏蔽外電場的作用？提示：絕緣球殼中沒有自由電荷，當(dāng)放入外電場時(shí)，不會發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象，殼內(nèi)場強(qiáng)也不會為零.即不能起到屏蔽外電場的作用.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)毀滅感應(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)電荷的連續(xù)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)下導(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)部處處合場強(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，但電勢不愿定為零．(3)電場線與導(dǎo)體表面垂直．特殊提示：一個(gè)孤立的帶電體，在自身所帶電荷的電場中，處于靜電平衡狀態(tài)，具有靜電平衡的全部特點(diǎn)．AB是長為L的金屬桿，P1、P2是位于AB所在直線上的兩點(diǎn)，位置如圖所示，在P2點(diǎn)有一個(gè)帶電量為＋Q的點(diǎn)電荷，試求出金屬桿上的感應(yīng)電荷在P1點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)大小和方向．[思路探究]處于靜電平衡的導(dǎo)體，內(nèi)部場強(qiáng)是怎樣的？[解析]由于金屬桿處于靜電平衡狀態(tài)，P1點(diǎn)的合場強(qiáng)為零，因此金屬桿上的感應(yīng)電荷在P1點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)與點(diǎn)電荷＋Q在P1點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)大小相等、方向相反，從而得：E＝keq\f(Q,L2)，方向向右．[答案]keq\f(Q,L2)方向向右規(guī)律總結(jié)求處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體感應(yīng)電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)的方法是：利用感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場與外電場在導(dǎo)體內(nèi)部的合場強(qiáng)為零進(jìn)行分析．1.一金屬球，原來不帶電，現(xiàn)沿球直徑的延長線放置一均勻帶電的細(xì)桿MN，如圖所示．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，則()A．Ea最大 B．Eb最大C．Ec最大 D．Ea＝Eb＝Ec解析：選C.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)的場強(qiáng)都為零．靜電平衡在導(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在這三點(diǎn)的場強(qiáng)．由于c點(diǎn)離MN最近，故MN在c點(diǎn)的場強(qiáng)最大，感應(yīng)電荷在c點(diǎn)場強(qiáng)也最大．故選C.靜電平衡導(dǎo)體的電荷分布及分析方法1．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)體表面分布不均勻，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．2．電荷分布的分析方法(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．(2)“整體觀”法：當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)原來彼此絕緣的導(dǎo)體接觸或用導(dǎo)線連接時(shí)，就可把它們看做是一個(gè)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(shí)就是導(dǎo)體通過人體與大地構(gòu)成一個(gè)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(shí)，小球Q就不帶電．其實(shí)連接后就已成為一個(gè)整體，故小球通過導(dǎo)線得到了電荷，如圖乙所示．特殊提示：依據(jù)電場線和電勢凹凸，判定導(dǎo)體中電荷受力和移動方向，進(jìn)一步求解靜電平衡問題，有時(shí)會起到事半功倍之效．如圖所示，接地的金屬板右側(cè)有固定的點(diǎn)電荷＋Q，a、b點(diǎn)是金屬板右側(cè)表面的兩點(diǎn)，其中a到＋Q的距離較小．下列說法正確的是()A．由于靜電感應(yīng)，金屬板右側(cè)表面帶負(fù)電，左側(cè)表面帶正電B．由于靜電感應(yīng)，金屬板右側(cè)表面帶負(fù)電，左側(cè)表面不帶電C．整個(gè)導(dǎo)體，包括表面上的a、b點(diǎn)，是一個(gè)等勢體，且電勢等于零D．a(chǎn)、b兩點(diǎn)的電場強(qiáng)度不為零，且a、b兩點(diǎn)場強(qiáng)方向相同，但a點(diǎn)的場強(qiáng)比b點(diǎn)的場強(qiáng)要強(qiáng)(大)一些[思路探究]當(dāng)導(dǎo)體接地時(shí)，遠(yuǎn)端是否發(fā)生變化？[解析]金屬板若不接地，右側(cè)表面將有感應(yīng)的負(fù)電荷，左側(cè)表面將有感應(yīng)的等量正電荷；現(xiàn)金屬板接地，正電荷通過接地導(dǎo)線移向大地，靜電平衡時(shí)左側(cè)表面不帶電，整個(gè)金屬板的電勢都為零，所以選項(xiàng)A錯誤，選項(xiàng)B、C正確．金屬板接地時(shí)，右側(cè)表面上仍有感應(yīng)負(fù)電荷，而且a點(diǎn)四周的電荷面密度(單位表面積的電荷量)比b點(diǎn)四周的電荷面密度要大些，場強(qiáng)要強(qiáng)(大)些，電場線也密一些；整個(gè)金屬板是等勢體，右側(cè)表面是等勢面，電場線與等勢面垂直，可見a、b兩點(diǎn)的場強(qiáng)方向都垂直指向右側(cè)面，方向相同，所以選項(xiàng)D也正確．故選BCD.[答案]BCD借題發(fā)揮(1)人和大地都是導(dǎo)體，人和導(dǎo)體接觸或大地和導(dǎo)體接觸時(shí)，它們組成一個(gè)整體，作為一個(gè)新導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡，大地變?yōu)樾聦?dǎo)體的遠(yuǎn)端．(2)處于靜電平衡的導(dǎo)體，內(nèi)部場強(qiáng)為零，但電勢不愿定為零．2.一個(gè)帶絕緣底座的空心金屬球A帶有4×10－8C的正電荷，上端開有適當(dāng)小孔，有絕緣柄的金屬小球B帶有2×10－8C的負(fù)電荷，使B球和A球內(nèi)壁接觸，如圖所示，則A、B帶電荷量分別為()A．QA＝10－8C，QB＝10－8CB．QA＝2×10－8C，QB＝0C．QA＝0，QB＝2×10－8CD．QA＝4×10－8C，QB＝－2×10－8C解析：選B.A、B兩帶電小球接觸中和后凈電荷只分布在外表面上，故B項(xiàng)正確．故選B.靜電屏蔽現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)1．靜電屏蔽實(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，矢量和為零而已．2．兩種狀況(1)導(dǎo)體內(nèi)空腔不受外界影響，如圖甲所示：(2)接地導(dǎo)體空腔外部不受內(nèi)部電荷影響，如圖乙所示：3．實(shí)現(xiàn)過程(1)如圖甲，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)，對內(nèi)實(shí)現(xiàn)了屏蔽．(2)如圖乙，當(dāng)金屬殼接地時(shí)，外表面的感應(yīng)電荷傳給地球，外部電場消逝，對外起到屏蔽作用．因此，靜電屏蔽現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是靜電感應(yīng)現(xiàn)象和靜電平衡狀態(tài)．特殊提示：(1)分析靜電屏蔽問題時(shí)首先要分清外殼是否接地．(2)實(shí)際應(yīng)用中金屬外殼不必嚴(yán)格完全封閉，用金屬網(wǎng)罩代替金屬殼體也能起到屏蔽作用．(2022·天津一中高二檢測)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四周，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上確定有感應(yīng)電荷[思路探究]導(dǎo)體球M處于靜電平衡時(shí)，M外側(cè)是否有凈電荷？M外部是否有電場？[解析]若M接地，空心導(dǎo)體球M外沒有電場，N上無感應(yīng)電荷，A正確，若M不接地，且M原來不帶電，則空心球M外有電場，N上有感應(yīng)電荷，B錯誤，C正確．若M不接地，且M原來帶電，由于Q的放入，可能使空腔電荷集聚于內(nèi)表面，則N上可能有感應(yīng)電荷，也可能沒有感應(yīng)電荷，D錯誤．[答案]AC規(guī)律總結(jié)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)特殊留意分清是哪一部分電場，還是合電場作用的結(jié)果．3.(2022·福建三明一中高二檢測)如圖所示，將懸在絕緣細(xì)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(gè)水平向右的場強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場，對于最終的結(jié)果，下列推斷正確的是()A．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(fù)電，A不偏左也不偏右解析：選BD.導(dǎo)體空腔處于外電場中時(shí)，由于靜電感應(yīng)的作用，導(dǎo)體球殼的左端將感應(yīng)出負(fù)電荷，右端將感應(yīng)出正電荷，而導(dǎo)體空腔內(nèi)部完全不受外加電場的影響．故A不會偏轉(zhuǎn)，故A、C錯誤，B、D正確．故選BD.方法技巧——“等效替代”法在靜電感應(yīng)中的應(yīng)用等效替代法是科學(xué)爭辯中常用的思維方法之一，是物理學(xué)中處理問題的一個(gè)基本方法．等效替代法就是在保持某種效果不變的前提下，用簡潔的、生疏的、易于爭辯的物理模型或物理過程替代原來簡潔的、生疏的物理模型或物理過程，使問題的爭辯和處理過程變得簡潔、便利．[范例]帶電荷量為Q的正電荷距一很大的接地金屬板的距離為a，如圖所示．試求金屬板對點(diǎn)電荷的作用力．[解析]由于接地金屬板很大，因此點(diǎn)電荷Q發(fā)出的電場線會全部終止并垂直于金屬板，可見板左側(cè)的電場和相距2a的等量異種點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場完全全都，