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第一章静电场第7节静电现象的应用学习目标1．了解静电平衡的概念，掌握静电平衡的特征．2．了解静电平衡时带电导体上电荷的分布特点．3．了解尖端放电和静电屏蔽现象．填一填、做一做、记一记课前自主导学|基础知识·填一填|一、静电平衡状态1．静电感应：导体处于电场中，导体内自由电荷在电场力作用下1，导体两端感应出2电荷．2．静电平衡状态：导体在电场中发生3现象，内部没有电荷定向移动的状态．定向移动等量异种静电感应3．特征(1)处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为4．(2)处于静电平衡状态的导体是个5，表面是6面．(3)电场线7于导体的表面．零等势体等势垂直4．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，电荷分布在导体的8．(2)电荷在导体表面的分布不是9，越是尖锐的地方，电荷分布越10，附近场强越11．外表面均匀的密强二、尖端放电1．空气电离：电荷在导体表面尖锐位置分布12，导体尖端附近的电场很13，空气中的带电粒子在强电场的作用下剧烈运动，把气体分子“撞散”，使分子的正、负电荷14，即发生空气的电离．2．尖端放电：空气电离出的异种电荷与导体尖端携带的电荷15，相当于导体从尖端16电荷，即尖端放电．密集强分离中和失去3．应用和防止(1)应用：避雷针、静电除尘、静电复印、喷涂、植绒等．(2)防止：高压设备中的导体表面应该尽量光滑，可以避免尖端放电．三、静电屏蔽处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为17．因此，可以利用金属外壳或金属网封闭某一区域，使该区域不再受外界电场的影响，即静电屏蔽．零|基础小题·做一做|1．正误判断(1)静电平衡状态下的导体内部场强处处为零．()(2)处于静电平衡状态下的导体内部任意两点间的电势差为零，电势也为零．()(3)静电平衡时导体内的自由电子不再定向移动．()(4)避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地．()(5)用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，则验电器箔片能张开．()(6)飞机轮上装有拖地线，油罐车后面拖条铁链都是把静电导入大地．()√√√×××2.如图所示，将一个不带电的金属球A放在带正电的点电荷Q的左侧，当金属球达到静电平衡时，下列判断正确的是()A．金属球将产生出正电荷B．金属球左侧将出现负的净电荷C．点电荷Q在A的球心处产生的场强为零D．A的内部合场强处处为零解析：选D由于静电感应，金属球左侧带正电，右侧带负电，A、B错误；点电荷在球心产生的场强不为零，C错误；A的内部合场强处处为零，D正确．3.如图所示，当一个带电体靠近不带电导体时，由于导体内的自由电子受到静电力的作用，将向着与电场相反的方向定向移动，从而使导体两端出现等量异种电荷，这就是前面学习的静电感应现象．(1)这种定向移动是无休止的吗？(2)电荷的移动对导体内部的电场有何影响？(3)你能在图中画出等势面吗？提示：(1)这种定向移动不是无休止的，当达到静电平衡后，电子将不再定向移动．(2)当达到静电平衡后，导体内部的场强处处为零．(3)能，处于静电平衡的导体，本身就是一个等势体，所以其表面为等势面．|核心知识·记一记|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，其内部场强处处为零．3．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的影响，金属壳的这种作用叫静电屏蔽．析要点、研典例、重应用课堂互动探究★要点一静电平衡的理解|要点归纳|1．静电平衡的过程(1)电荷分布的变化情况：金属导体放到场强为E0的电场中，金属中的自由电荷在电场力作用下定向移动导致导体一侧聚集负电荷，而另一侧聚集正电荷．(2)合场强的变化情况：感应电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场，导致合场强减小．当感应电荷继续增加，合场强逐渐减小，合场强为零时，自由电荷的定向移动停止．2．对静电平衡的三点理解(1)静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果，达到静电平衡时，自由电荷不再发生定向移动．(2)金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的．(3)导体达到静电平衡后内部场强处处为零是指外电场E与导体两端的感应电荷产生的附加电场E′的合场强为零，E′＝－E.3．处于静电平衡时的导体上的电荷分布特点(1)净电荷只分布在导体表面，内部没有净电荷．(2)感应电荷分布于导体两端，电性相反，电量相等，近异远同，如图甲所示．(3)净电荷在导体表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集，如图乙所示．处于静电平衡的导体周围的电场、等势面分布情况：静电平衡的导体是等势体，导体尖端电荷集中，电荷电场线密集，等势面也密集．|例题展示|【例1】如图所示，验电器带有少量正电荷，将一带负电的小球从远处逐渐靠近验电器的金属球，此过程可能看到金属箔片张开的角度()A．不断增大B．先减小至零，后逐渐增大C．先增大，后减小D．先增大，后不变[解析]验电器带有少量正电荷，带负电的小球从远处逐渐靠近验电器的金属球时，根据异种电荷相互吸引的规律可知，金属箔所带电荷变少，金属箔的夹角减小，随小球的靠近，验电器金属球上的正电荷越来越多，金属箔上将开始带上负电荷，随着负电荷的增加，此时验电器金属箔的张角也开始变大，即金属箔的夹角增大，B选项正确．[答案]B【例2】在点电荷－Q的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆盘与点电荷在同一平面内，则盘上感应电荷在盘中A点所激发的附加场强E′的方向在图中正确的是()[解析]由于金属圆盘处于静电平衡状态，金属圆盘内各点合场强为零，所以感应电荷的场强与点电荷的场强等大反向．又因为点电荷的电场沿A点与点电荷的连线指向点电荷，所以感应电荷产生的电场方向沿A点与点电荷的连线向外，选项A正确．[答案]A[规律方法]感应电荷场强的求解思路(1)先求解外电场在该处场强的大小和方向．(2)再利用导体内部合场强处处为零和电场的叠加原理，求解感应电荷在该处的场强，此场强与外电场的场强大小相等，方向相反．|对点训练|1．对于处在静电平衡状态下的导体，以下说法中正确的是()A．导体内部既无正电荷，又无负电荷B．导体内部和外表面处的电场强度均为零C．导体处于静电平衡时，导体表面的电荷代数和为零D．导体内部电场为零是外加电场与感应电荷产生的电场叠加的结果解析：选D金属导体的内部电场强度处处为零，导体内部不再有电荷的定向移动，导体的内部没有多余的净电荷，但不能说导体内部既无正电荷，又无负电荷，故A错误；金属导体内部电场强度处处为零，电荷分布在外表面上，表面处的场强不等于0，故B错误；对于实心导体，导体内部无电荷；对于空腔导体，当空腔内有电荷时，内表面因静电感应出现等值异号的电荷，外表面增加感应电荷．因此导体处于静电平衡时，导体表面的电荷代数和不一定为零，故C错误；金属导体在点电荷附近，出现静电感应现象，导致电荷重新分布，因此在金属导体内部出现感应电荷的电场，正好与点电荷的电场叠加，内部电场强度处处为零，故D正确．2.如图所示，不带电的导体B在靠近带正电的导体A后，下列说法正确的是()A．若用导线将Q端接地，然后断开，再取走A，则导体B将带正电B．若用导线将P端接地，然后断开，再取走A，则导体B将带正电C．若用导线将Q端接地，然后断开，再取走A，则导体B将带负电D．若用导线将P端接地，然后断开，再取走A，则导体B将不带电解析：选C不带电的导体B在靠近带正电的导体A后，导体B中自由电子会向左端运动，左端聚集多余的电子而带负电，右端缺少电子而带正电，用导线将Q端或P端接地，右端的正电荷被中和，然后断开，再取走A，导体因此带负电，C选项正确．3．一金属球，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，如图所示．金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的电场强度分别为Ea、Eb、Ec，三者相比有()A．Ea最大B．Eb最大C．Ec最大D．Ea＝Eb＝Ec解析：选C处于静电平衡的导体内部电场强度处处为零，故a、b、c三点的电场强度都为零，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场强与MN在这一点产生的场强等大反向．比较a、b、c三点感应电场的电场强度，实质上是比较带电体MN在这三点的电场强度．由于c点离MN最近，故MN在c点的电场强度最大，感应电荷在c点的电场强度也最大，选项C正确．★要点二静电屏蔽|要点归纳|1．现象：如图所示，先使A带电，然后移近验电器B，由于静电感应，B的金属箔片张开；若把B置于金属网罩中，发现B的金属箔片并不张开．2．定义：具有空腔的金属导体在静电平衡状态下，不仅导体内部场强为零，腔内场强也为零，因而置于腔内的物体不受外界电场的影响，这种作用叫静电屏蔽．3．两种典型的静电屏蔽现象(1)外屏蔽：如图所示，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线流入大地．外界对壳内无法影响，内部带电体对外界的影响也随之而消除，所以这种屏蔽叫做全屏蔽．4．静电屏蔽的应用和防止(1)应用：为了防止外界信号的干扰，静电屏蔽被广泛地应用于科学技术工作中．许多电子仪器外面都套着金属罩；通讯电缆外面包着一层铅皮；高压带电作业人员穿金属网衣；又如电话线从高压线下经过，为了防止高压线对电话线的影响，在高压线与电话线之间装一金属网等，这些都是用来防止外界电场干扰的屏蔽措施．(2)防止：静电屏蔽也可带来不利的影响．如通讯工具在钢筋结构建筑中接收信号较弱；宇宙飞船返回地球大气层时，与大气层的高速摩擦，在飞船周围形成一层等离子体，对飞船产生静电屏蔽作用，导致飞船和地面控制中心的通信联络暂时中断．|例题展示|【例3】如图所示，两个相同的空心金属球壳M和N，M带电荷量为－Q，N不带电(M、N相距很远，互不影响)，旁边各放一个不带电的金属球P和R，当将带正电Q的小球分别放入M和N的空腔中时()A．P、R上均出现感应电荷B．P、R上均没有感应电荷C．P上有而R上没有感应电荷D．P上没有而R上有感应电荷[解析]当将带正电Q的小球放入M的空腔中时，由于静电感应，M的内表面带负电，而外表面带正电，其电荷量为Q，它与原来金属球M外表面所带的电荷－Q正好中和，使外表面不带电．这实际上是M所带电荷－Q被吸引至内表面，所以金属球M外部不存在电场，不能使P产生静电感应，P上没有感应电荷．当将带正电Q的小球放入原来不带电的N的空腔中时，由于静电感应，N内表面带负电荷，外表面带正电荷，N外部有电场，使R产生静电感应，使左端带负电，右端带正电，故选项D正确．[答案]D[易错警示](1)研究静电屏蔽问题时，应首先判断金属壳是否接地．(2)若金属壳不接地，金属壳内部空间不受壳外部电场的影响．(3)若金属壳接地，壳内部电场对壳外空间没有影响．|对点训练|4.(多选)如图所示，电力工作人员在几百万伏的高压线上进行带电作业，电工全身穿戴带电作业用的屏蔽服，屏蔽服是用导电金属材料与纺织纤维混纺交织成布后再做成的服装，下列说法正确的是()A．采用金属材料编织的衣服目的是使衣服不易拉破B．采用金属材料编织的衣服目的是利用静电屏蔽C．电工穿上屏蔽服后，使体内场强为零D．电工穿上屏蔽服后，使体内电势为零解析：选BC屏蔽服的作用是在穿用后，使处于高压电场中的人体外表面各部位形成一个等电位屏蔽面，从而防护人体免受高压电场及电磁波的危害．等电位说明电势相等而不是等于0，等电势时电势差为0.具有空腔的金属导体在静电平衡状态下，腔内场强处处为0，选项B、C正确，选项A、D错误．5．(多选)如图，四组静电实验中，能使左边的验电器的金箔张开的是()解析：选AC处于静电平衡状态下的导