吉林省长春五中高中物理 第一章 第7节《静电现象的应用》课件(选修3-1)

第一章理解教材新知把握热点考向应用创新演练第7节知识点一知识点二考向一考向二1.静电平衡状态是指处在电场中的导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。2.处于静电平衡状态的导体是一个等势体，其表面是等势面，其内部电场强度处处为零。3.尖端放电现象是导体尖端失去电荷的现象。4.金属壳达到静电平衡时，其内部不受外部电场影响，金属壳的这种作用叫静电屏蔽。［自学教材］1.静电平衡状态导体中(包括表面)不再发生定向移动，我们就认为导体达到了静电平衡状态。2.静电平衡状态下导体的特点(1)处于静电平衡状态的导体，内部处处为零。(2)处于静电平衡状态的整个导体是一个，它的表面是一个等势面。(3)表面处的电场强度不为零，表面处的电场强度方向跟导体表面。自由电子电场等势体垂直3.导体上电荷的分布(1)处于静电平衡状态的导体，内部没有电荷，电荷只分布在导体的。(2)在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积上的电荷量)，凹陷的位置电荷。外表面越大几乎没有[重点诠释]1.对处于静电平衡状态下的导体内部电场强度特点的理解(1)处在电场中的导体，导体中大量的自由电子会在电场力的作用下发生定向移动，在导体的两端出现等量异种电荷，称为感应电荷。感应电荷会在导体内部激发附加电场，该电场会阻碍自由电子的定向移动，只要外加电场还大于附加电场，定向移动就会继续进行，导体两端的感应电荷就会进一步增加，附加电场就会进一步增强，阻碍自由电子的定向移动的力度会进一步加大，当外加电场与附加电场等大时，自由电子受力平衡，定向移动结束。导体处于静电平衡状态，此时，外加电场与附加电场矢量和为零，即导体内部的电场强度处处为零。(2)静电平衡时，导体内部表现为电中性，若不是这样，导体内部某一区域表现出某种电性，它激发的电场就会使自由电子定向移动，直到这一区域表现为电中性为止。2.静电平衡状态下导体的电荷分布特点(1)内、外表面分布不同，电荷都分布在外表面，导体内部没有净电荷。(2)在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度越大，凹陷的位置几乎没有电荷。(3)“远近端”电荷的电性相反，电荷量相等。①如图1－7－1甲所示，处于静电平衡状态的导体，离场源电荷较近和较远的两端将感应出等量的异种电荷，即“远同近异”。图1－7－1②如图1－7－1乙所示，当把两个或多个原来彼此绝缘的导体接触或用导线连接时，就可把它们看做是一个大导体，有些问题中所提到的“用手触摸某导体”其实就是导体通过人体与大地构成一个大导体。[特别提醒](1)一个孤立的带电体，在自身所带电荷的电场中，处于静电平衡状态，具有静电平衡的所有特点。人与大地都是导体，在人摸(触)导体的过程中，带电体、人、大地组成一个新导体，地球往往是新导体的远端。(2)净电荷是指导体内未被中和抵消的剩余电荷，感应电荷是指由于静电感应而使导体两端出现的等量异种电荷。1.如图1－7－2所示，在真空中把一绝缘导体AB向带负电的小球P缓慢地靠近(不相接触)时，下列说法中正确的是()图1－7－2A.B端的感应电荷越来越多B.导体内部电场强度越来越大C.导体的感应电荷在M点产生的电场强度大于在N点产生的电场强度D.导体的感应电荷在M、N两点产生的电场强度相等解析：绝缘导体移近带负电的小球P时，导体中的自由电子受到带负电小球P产生的电场的作用力变大，使自由电子不断地向B端移动，AB两端的感应电荷不断增多，故选项A正确。由于导体AB是缓慢移动，导体处于静电平衡是在很短的时间内完成的，缓慢移动过程中的各个状态，带负电小球P产生的电场和导体AB上感应电荷的电场叠加的结果均会使导体内部各处的合电场强度总等于零，故选项B错误。M点距小球P的距离比N点要近，由E＝kQr2可知，带负电小球P在M点产生的电场强度大于在N点产生的电场强度。而导体内部的合电场强度处处为零，那么导体上的感应电荷在M点产生的附加电场的电场强度就大于在N点产生的附加电场的电场强度，故选项C正确，D错误。答案：AC1.尖端放电现象(1)空气的电离：空气中残留的带电粒子在的作用下发生剧烈的运动，把空气中的气体分子撞“散”，也就是使分子中的正、负电荷的现象。(2)尖端放电：那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷，相当于导体从尖端电荷，这个现象叫做尖端放电。[自学教材]强电场分离中和失去(3)应用与防止：①应用：避雷针是利用避免雷击的一种设施。②防止：高压设备中导体的会减少电能的损失。2.静电屏蔽(1)定义：把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，由于壳内电场强度，外电场对壳内的仪器也不会产生影响，金属壳的这种作用叫做静电。(2)应用：电学仪器外面有金属壳，野外高压线上方还有两条导线与大地相连，都是利用静电屏蔽现象清除外电场的影响。尖端放电表面光滑保持为零屏蔽[重点诠释]两种典型的静电屏蔽现象(1)外屏蔽：如图1－7－3所示，若空腔导体内有带电体，在静电平衡时，它的内表面将产生等量异号的感应电荷。如果外壳不接地，则外表面会产生与内部带电体等量而同号的感应电荷，此时感应电荷的电场将对外界产图1－7－3生影响，这时空腔导体只能对外电场屏蔽，却不能屏蔽内部带电体对外界的影响，所以叫外屏蔽。(2)全屏蔽：如图1－7－4所示，如果外壳接地，即使内部有带电体存在，这时内表面感应的电荷与带电体所带的电荷的代数和为零，而外表面产生的感应电荷通过接地流入大地。外界对壳内无法影响，内部带电图1－7－4体对外界的影响也随之而消除，所以这种屏蔽叫做全屏蔽。[特别提醒](1)分析静电屏蔽问题时首先要分清外壳是否接地。(2)实际应用中金属外壳不必严格完全封闭，用金属网罩代替金属壳体也能起到屏蔽作用。2.如图1－7－5所示，放在绝缘台上的金属网罩B内放有一个不带电的验电器C，如把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则()图1－7－5A.在B的内表面带正电荷，φB＝φC＝0B.在B的右侧外表面带正电荷C.验电器的金属箔片将张开，φBφCD.φB＝φC，B的左右两侧电势相等解析：静电平衡时，电荷分布于导体的外表面上，所以A选项错；由于A电荷产生静电感应，使B金属网的左侧外表面感应出负电荷，所以B的右侧外表面感应出正电荷，B选项正确；由于静电屏蔽，金属网罩内电场强度为零，故C上无感应电荷，验电器的金属箔片不会张开，C错；由静电屏蔽特点知，导体是等势体，导体表面是等势面，所以D正确。答案：BD[例1]长为L的导体棒原来不带电，现将一带电荷量为＋q的点电荷放在距导体棒左端R处，如图1－7－6所示，当导体棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在棒内中点处产生的电场强度大小等于，方向。图1－7－6[审题指导]解答本题时应把握以下两点：(1)导体内的电场强度是点电荷形成的电场与感应电荷形成的电场的矢量和。(2)感应电荷的电场强度与点电荷q的电场强度等大反向。[解析]导体处于静电平衡状态时，导体内部合电场强度为零，这是点电荷q所形成的电场与棒两端出现的感应电荷所形成的附加电场在棒中叠加的结果，即E合＝E1＋E2＝0。因此可通过计算点电荷＋q产生的电场E1，来确定感应电荷所形成的电场E2的大小和方向。点电荷＋q在棒中点处产生的电场强度由公式E＝kQr2，得E1＝kqR＋L22，方向向右。由该点合电场强度为零知，感应电荷在棒中点处产生的电场强度大小，E2＝E1＝kqR＋L22，方向向左。[答案]kqR＋L22向左根据场源电荷和感应电荷在导体内部电场的合电场强度为零的特点，可知在导体内部的同一点，感应电荷电场的电场强度与场电荷电场的电场强度大小相等，方向相反。因此，可将求解感应电荷电场在导体内部的电场强度问题，转换为求解场电荷电场的电场强度的问题。1.一金属球，原来不带电，现沿球的直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN，如图1－7－7所示，金属球上感应电荷产生的电场图1－7－7在球内直径上a、b、c三点的场强大小分别为Ea、Eb、Ec，三者相比，则()A.Ea最大B.Eb最大C.Ec最大D.Ea＝Eb＝Ec解析：处于静电平衡的导体内部场强处处为零，故a、b、c三点的场强都为零。静电平衡的导体内部电场强度为零是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果，所以感应电荷在球内某点产生的电场的场强与细杆MN在这一点形成的电场的场强等大反向。比较a、b、c三点感应电场的场强，实质上是比较细杆MN在这三点的场强。由于点c离细杆MN最近，故细杆MN在c点的电场强度最大，感应电荷在c点电场强度也最大。答案：C[例2]如图1－7－8所示，一个不带电的导体球N，置于空心导体球M附近，现将另一个带电荷量为Q的金属球放于空腔导体M内，则()A.若M接地，N上无感应电荷图1－7－8B.若M不接地，且M原来不带电，N上无感应电荷C.若M不接地，且M原来不带电，N上有感应电荷D.若M不接地，且M原来带电，N上一定有感应电荷[思路点拨]M接地，起到屏蔽外部的作用，只有M内有电场，N上当然就没有感应电荷；若M不带电，也不接地，在M内外都有发散电场。[解析](1)若M接地，分析N上带电情况(2)若M不接地①M原来不带电，分析N上带电情况②M原来带电，分析N上带电情况[答案]AC不接地的空腔可以屏蔽外界电场，接地的空腔可以屏蔽内部的电场，其本质都是由于激发电场与感应电场叠加的结果，分析中应特别注意分清原电荷产生的电场，感应电场以及叠加后的合电场。2.如图1－7－9所示，原来不带电的金属球壳内壁接地，将一带正电的小球放入其中，但不与球壳接触，则()A.球壳内壁带负电图1－7－9B.球壳外壁带正电C.球壳外壁不带电D.若将接地线去掉再移出正电荷，球壳外壁带负电解析：球壳内正电荷产生电场，使球壳处于静电平衡状态，在球壳的内表面出现等量异种电荷，球壳的外表面出现等量同种电荷，当球壳接地时，不论球壳内表面接地还是外表面接地，待稳定后球壳的电势必定为零。球壳的外表面无感应电荷，球壳外也没有静电场，这就是接地金属球壳的静电屏蔽作用，故A、C选项正确；若将接地线去掉再移出壳内小球时，壳内表面的负电荷就会分布到球壳的外表面上，内壁不再带电，故D选项正确。答案：ACD点击此图片进入“应用创新演练”（含课时）