物理人教版（浙江版）選修31學(xué)案第一章靜電場(chǎng)7

7靜電現(xiàn)象的應(yīng)用知識(shí)內(nèi)容靜電現(xiàn)象的應(yīng)用考試要求必考加試b課時(shí)要求1.知道什么是靜電平衡狀態(tài)，能說(shuō)出靜電平衡產(chǎn)生的條件.2.掌握靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體特點(diǎn).3.了解尖端放電、靜電屏蔽現(xiàn)象及其應(yīng)用.一、靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體[導(dǎo)學(xué)探究]如圖1所示，不帶電的金屬導(dǎo)體放到電場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子將發(fā)生定向移動(dòng)，使導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量異號(hào)電荷．請(qǐng)思考下列問(wèn)題：圖1(1)自由電子定向移動(dòng)的原因是什么？定向移動(dòng)的方向如何？(2)自由電子能否一直定向移動(dòng)？為什么？答案(1)自由電子受外加電場(chǎng)的電場(chǎng)力作用而移動(dòng)，向著與電場(chǎng)相反的方向定向移動(dòng)．(2)不能．感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)與外加電場(chǎng)反向，阻礙電子的定向移動(dòng)，當(dāng)這兩個(gè)電場(chǎng)大小相等時(shí)，電子的定向移動(dòng)終止．[知識(shí)梳理]1．靜電平衡狀態(tài)：導(dǎo)體在電場(chǎng)中發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)，感應(yīng)電荷的電場(chǎng)與原電場(chǎng)疊加，使導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)減弱，直至為零，導(dǎo)體內(nèi)部自由電子不再發(fā)生定向移動(dòng)的狀態(tài)．2．處于靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特征(1)內(nèi)部的電場(chǎng)處處為零．(2)外部表面附近任何一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)方向必定與這點(diǎn)的表面垂直．(3)整個(gè)導(dǎo)體是個(gè)等勢(shì)體，它的表面是個(gè)等勢(shì)面．3．靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體上的電荷分布特點(diǎn)(1)導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的表面．(2)在導(dǎo)體外表面，越尖銳的位置電荷的密度(單位面積的電荷量)越大，凹陷的位置幾乎沒(méi)有電荷．[即學(xué)即用]判斷下列說(shuō)法的正誤．(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部任意兩點(diǎn)間的電勢(shì)差為零．(√)(2)靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零，導(dǎo)體的電勢(shì)也為零．(×)(3)因?yàn)橥怆妶?chǎng)和所有感應(yīng)電荷的電場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)部疊加的合電場(chǎng)為0，所以處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)處處為0.(√)(4)靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再運(yùn)動(dòng)．(×)二、尖端放電靜電屏蔽[導(dǎo)學(xué)探究](1)避雷針是利用尖端放電保護(hù)建筑物的一種設(shè)施，其原理是什么？(2)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零，若導(dǎo)體是空心的，則空心部分的場(chǎng)強(qiáng)怎樣？靜電屏蔽是怎樣起到屏蔽作用的？答案(1)導(dǎo)體尖端的電荷密度很大，附近的電場(chǎng)很強(qiáng)，空氣中殘留的帶電粒子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)生劇烈的運(yùn)動(dòng)，把空氣中的氣體分子撞“散”，也就是使分子中的正、負(fù)電荷分離，這個(gè)現(xiàn)象叫做空氣的電離．中性的分子電離后變成帶負(fù)電的自由電子和失去電子而帶正電的離子．這些帶電粒子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下加速，撞擊空氣中的分子，使它們進(jìn)一步電離，產(chǎn)生更多的帶電粒子．那些所帶電荷與導(dǎo)體尖端的電荷符號(hào)相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，與尖端上的電荷中和，這相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷．(2)空心部分場(chǎng)強(qiáng)為零．靜電屏蔽是利用“處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零”，即使內(nèi)部有自由電子，受到的電場(chǎng)力也為0，自由電子不發(fā)生定向移動(dòng)．[知識(shí)梳理]1．空氣的電離：導(dǎo)體尖端電荷密度很大，電場(chǎng)很強(qiáng)，帶電粒子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)生劇烈的運(yùn)動(dòng)撞擊空氣分子，從而使空氣分子的正負(fù)電荷分離的現(xiàn)象．2．尖端放電：所帶電荷與導(dǎo)體尖端的電荷符號(hào)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．3．靜電屏蔽：金屬殼或金屬網(wǎng)的空腔內(nèi)不受外界電場(chǎng)的影響，殼(網(wǎng))內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度保持為0，外電場(chǎng)對(duì)殼(網(wǎng))內(nèi)的儀器不會(huì)產(chǎn)生影響，金屬殼(網(wǎng))的這種作用叫做靜電屏蔽．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免雷擊的一種設(shè)施．②防止：高壓設(shè)備中導(dǎo)體的表面盡量光滑會(huì)減少電能的損失．(2)靜電屏蔽的應(yīng)用：電學(xué)儀器外面有金屬殼、野外高壓線上方還有兩條導(dǎo)線與大地相連．[即學(xué)即用]判斷下列說(shuō)法的正誤．(1)避雷針能避免建筑物被雷擊是因?yàn)樵茖又袔У碾姾杀槐芾揍樛ㄟ^(guò)導(dǎo)線導(dǎo)入大地．(×)(2)用金屬網(wǎng)把驗(yàn)電器罩起來(lái)，再使帶電金屬球靠近驗(yàn)電器，則驗(yàn)電器箔片能張開(kāi)．(×)(3)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．(√)(4)電工穿的高壓作業(yè)服是用銅絲編織的，目的是銅絲衣服有屏蔽作用，使體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)為零．(√)一、靜電平衡的理解及應(yīng)用1．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零的本質(zhì)是外電場(chǎng)E0和感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)E′的合場(chǎng)強(qiáng)為0，即E0＝－E′.2．孤立的帶電導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)，內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為0的本質(zhì)是分布在導(dǎo)體外表面的電荷在導(dǎo)體內(nèi)部的合場(chǎng)強(qiáng)為0.3．處于靜電平衡的導(dǎo)體是等勢(shì)體，表面是等勢(shì)面，所以導(dǎo)體表面的電場(chǎng)線應(yīng)與導(dǎo)體表面垂直．例1處于靜電平衡中的導(dǎo)體，內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零的原因是()A．此時(shí)導(dǎo)體處于不帶電的狀態(tài)B．所有感應(yīng)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的合場(chǎng)強(qiáng)為零C．外電場(chǎng)和所有感應(yīng)電荷的電場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)部疊加的合場(chǎng)強(qiáng)為零D．以上解釋都不正確答案C解析導(dǎo)體在電荷q的電場(chǎng)中處于靜電平衡狀態(tài)時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)部任意一點(diǎn)，感應(yīng)電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)與電荷q產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)大小相等，方向相反，此時(shí)導(dǎo)體的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為0，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面，且整個(gè)導(dǎo)體是一個(gè)等勢(shì)體，故A、B、D錯(cuò)誤，C正確．二、靜電平衡導(dǎo)體的電荷分布靜電平衡導(dǎo)體的電荷分布特點(diǎn)：(1)凈電荷只分布在導(dǎo)體表面，內(nèi)部沒(méi)有凈電荷．(2)感應(yīng)電荷分布于導(dǎo)體兩端，電性相反，電荷量相等，近異遠(yuǎn)同，如圖2甲所示．(3)凈電荷在導(dǎo)體表面的分布不均勻，一般越是尖銳的地方電荷的分布越密集，如圖乙所示．甲乙圖2例2如圖3所示，把一個(gè)帶正電的小球放入原來(lái)不帶電的金屬空腔球殼內(nèi)并接觸，其結(jié)果可能是()圖3A．只有球殼外表面帶正電B．球殼的內(nèi)表面帶負(fù)電，外表面帶正電C．球殼的內(nèi)、外表面都帶正電D．球殼的內(nèi)表面帶正電，外表面帶負(fù)電答案A解析小球與球殼接觸構(gòu)成一個(gè)新導(dǎo)體，它的電荷量都分布在新導(dǎo)體的外表面，即只有球殼外表面帶正電，A對(duì)，B、C、D錯(cuò)．針對(duì)訓(xùn)練1如圖4所示，在絕緣板上放有一個(gè)不帶電的金箔驗(yàn)電器A和一個(gè)帶正電荷的空腔導(dǎo)體B.下列實(shí)驗(yàn)方法中不能使驗(yàn)電器箔片張開(kāi)的是()圖4A．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(yàn)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(yàn)電器A靠近B答案A解析A項(xiàng)中取電棒先和B的內(nèi)壁接觸后，由于B的內(nèi)壁本身沒(méi)有電荷，所以再接觸A時(shí)驗(yàn)電器箔片不張開(kāi)；B項(xiàng)中可以使C球帶電，從而使A帶電；C項(xiàng)中用絕緣導(dǎo)線實(shí)際上是將驗(yàn)電器A和B連成了一個(gè)導(dǎo)體，A因接觸而帶電；D項(xiàng)中是感應(yīng)起電．故選項(xiàng)A不能使驗(yàn)電器箔片張開(kāi)．三、靜電屏蔽的理解及應(yīng)用例3如圖5所示，把原來(lái)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發(fā)生接觸，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)后，則()圖5A．B的空腔內(nèi)電場(chǎng)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)電答案D解析因?yàn)榻饘贇さ耐獗砻娼拥?，所以外表面無(wú)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(duì)，B、C錯(cuò)；B的空腔內(nèi)有帶正電的小球A產(chǎn)生的電場(chǎng)和金屬殼內(nèi)表面感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，由電場(chǎng)疊加知，電場(chǎng)線的方向由A指向B，所以空腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度不為零，A錯(cuò)．靜電屏蔽的兩種情況屏蔽外電場(chǎng)屏蔽內(nèi)電場(chǎng)圖示實(shí)現(xiàn)過(guò)程因場(chǎng)源電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)與導(dǎo)體球殼表面上感應(yīng)電荷在空腔內(nèi)的合場(chǎng)強(qiáng)為零，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)，起到屏蔽外電場(chǎng)的作用當(dāng)空腔外部接地時(shí)，外表面的感應(yīng)電荷因接地將傳給地球，外部電場(chǎng)消失，起到屏蔽內(nèi)電場(chǎng)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)與靜電平衡針對(duì)訓(xùn)練2如圖6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(chǎng)強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)，對(duì)于最后的結(jié)果，下列判斷正確的是()圖6A．B的右端帶正電，A向左偏B．B的右端帶正電，A向右偏C．B的左端帶正電，A向右偏D．B的左端帶負(fù)電，A不偏左也不偏右答案D解析導(dǎo)體空腔處于外電場(chǎng)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(chǎng)的影響，故A不會(huì)偏轉(zhuǎn)，故A、B、C錯(cuò)誤，D正確．故選D.1．請(qǐng)用學(xué)過(guò)的電學(xué)知識(shí)判斷下列說(shuō)法正確的是()A．電工穿絕緣衣比穿金屬衣安全B．制作汽油桶的材料用金屬比用塑料好C．小鳥(niǎo)停在單根高壓輸電線上會(huì)被電死D．打雷時(shí)，待在汽車?yán)锉却谀疚堇镆ｋU(xiǎn)答案B解析電工穿絕緣衣容易產(chǎn)生大量的靜電，反而比較危險(xiǎn)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤．塑料油桶會(huì)因摩擦而帶電，因?yàn)樗芰鲜墙^緣材料，不能把電導(dǎo)走，所以塑料油桶內(nèi)易產(chǎn)生火花導(dǎo)致塑料油桶爆炸，選項(xiàng)B正確．小鳥(niǎo)停在單根高壓輸電線上時(shí)，加在小鳥(niǎo)兩腿間的電壓非常小，小鳥(niǎo)不會(huì)被電死，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．打雷時(shí)，待在汽車?yán)?，汽車的金屬外殼起到靜電屏蔽的作用，而木屋沒(méi)有靜電屏蔽作用，所以待在汽車?yán)锉却谀疚堇镆踩?，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．故選B.2．如圖7所示，兩個(gè)相同的空心金屬球M和N，M帶電荷量為－Q，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)()圖7A．P、R上均有感應(yīng)電荷B．P、R上均沒(méi)有感應(yīng)電荷C．P上有而R上沒(méi)有感應(yīng)電荷D．P上沒(méi)有而R上有感應(yīng)電荷答案D解析當(dāng)將帶正電Q的小球放入M的空腔中時(shí)，由于靜電感應(yīng)，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(lái)金屬球M外表面所帶的電荷－Q正好中和，使外表面不帶電．這實(shí)際上是M所帶電荷－Q被吸引至內(nèi)表面，所以金屬球M外部不存在電場(chǎng)，不能使P產(chǎn)生靜電感應(yīng)，P上沒(méi)有感應(yīng)電荷．當(dāng)將帶正電Q的小球放入原來(lái)不帶電的N的空腔中時(shí)，由于靜電感應(yīng)，N內(nèi)表面帶負(fù)電荷，外表面帶正電荷，N外部有電場(chǎng)，使R產(chǎn)生靜電感應(yīng)，故選項(xiàng)D正確．一、選擇題(每小題列出的四個(gè)備選項(xiàng)中，只有一個(gè)是符合題目要求的)1．當(dāng)導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)方向的特征是()A．外電場(chǎng)E0消失B．感應(yīng)電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)E′為零C．導(dǎo)體內(nèi)部的合電場(chǎng)E為零D．導(dǎo)體表面和內(nèi)部的合電場(chǎng)均為零答案C解析靜電平衡的導(dǎo)體感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)與原場(chǎng)強(qiáng)大小相等、方向相反，合電場(chǎng)為零．2．(2016·浙江湖州期末)在超高壓帶電作業(yè)中，電工所穿的高壓工作服內(nèi)有編織的銅絲，則下列說(shuō)法正確的是()A．銅絲編織的衣服不易拉破B．銅絲電阻小，對(duì)人體起到保護(hù)作用C．電工被銅絲衣服所包裹，使衣服內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)為零D．電工被銅絲衣服所包裹，使衣服內(nèi)電勢(shì)為零答案C解析電工穿的衣服包含銅絲，能起到靜電屏蔽的作用，使衣服內(nèi)合場(chǎng)強(qiáng)為零．3．在一個(gè)導(dǎo)體球殼內(nèi)放一個(gè)電荷量為＋Q的點(diǎn)電荷，用E表示球殼外任一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，則()A．當(dāng)＋Q在球殼中央時(shí)，E＝0B．不論＋Q在球殼內(nèi)何處，E一定為零C．只有當(dāng)＋Q在球心且球殼接地時(shí)，E＝0D．只要球殼接地，不論＋Q在球殼內(nèi)何處，E＝0答案D解析＋Q在球殼內(nèi)任何位置，只會(huì)影響球殼內(nèi)的負(fù)電荷分布，球殼外部帶正電荷會(huì)使外部場(chǎng)強(qiáng)不為零，所以A、B錯(cuò)；球殼接地會(huì)使外部電荷導(dǎo)入大地，外部場(chǎng)強(qiáng)為零，故C錯(cuò)，D對(duì)．4．在點(diǎn)電荷－Q的電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)E′的方向在下圖中正確的是()答案A解析感應(yīng)電荷在盤中A點(diǎn)激發(fā)的附加場(chǎng)強(qiáng)E′應(yīng)與－Q在A點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)等大反向，故A正確．5．如圖1所示，帶電體Q靠近一個(gè)接地空腔正方體導(dǎo)體，空腔里面無(wú)電荷，達(dá)到靜電平衡后，下列物理量中不等于零的是()圖1A．導(dǎo)體空腔內(nèi)任意點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng) B．導(dǎo)體空腔內(nèi)任意點(diǎn)的電勢(shì)C．導(dǎo)體外表面的電荷量 D．導(dǎo)體空腔內(nèi)表面的電荷量答案C解析靜電平衡后導(dǎo)體空腔內(nèi)任意點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為0；電荷分布在導(dǎo)體外表面，空腔內(nèi)表面的電荷量為0；導(dǎo)體為等勢(shì)體，接地后電勢(shì)為0.6.如圖2所示為一空腔球形導(dǎo)體(不帶電)，現(xiàn)在將一個(gè)帶正電的小金屬球A放入空腔中，當(dāng)靜電平衡時(shí)，圖中a、b、c三點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)E和電勢(shì)φ的關(guān)系是()圖2A．Ea>Eb>Ec，φa>φb>φc B．Ea＝Eb>Ec，φa＝φb>φcC．Ea＝Eb＝Ec，φa＝φb＝φc D．Ea>Ec>Eb，φa>φb>φc答案D解析畫出空腔導(dǎo)體內(nèi)外的電場(chǎng)線分布如圖所示，可以看出Eb＝0，但φb＞0，由內(nèi)向外，電勢(shì)依次降低，φa＞φb＞φc；由電場(chǎng)線疏密可看出Ea＞Ec＞Eb.7.如圖3所示，驗(yàn)電器A不帶電，驗(yàn)電器B的上面安裝有幾乎封閉的金屬筒C，并且B的金屬箔片是張開(kāi)的，現(xiàn)手持一個(gè)帶絕緣棒的金屬小球D，使D接觸C的內(nèi)壁，再移出與A的金屬小球接觸，無(wú)論操作多少次，都不能使A帶電，這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了()圖3A．C是不帶電的 B．C的內(nèi)部是不帶電的C．C是帶電的 D．C的表面是不帶電的答案B8.如圖4所示，A為空心金屬球，B為金屬球，A、B原來(lái)不帶電，將另一帶正電荷的小球C從A球開(kāi)口處放入A球中央，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()圖4A．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兩球都帶正電荷答案B9．一帶有絕緣底座的空心金屬球殼A帶有4×10－8C的正電荷，有絕緣柄的金屬小球B帶有2×10－8C的負(fù)電荷，使B球與球殼A內(nèi)壁接觸，如圖5所示，則A、B帶電荷量分別為()圖5A．QA＝1×10－8C，QB＝1×10－8CB．QA＝2×10－8C，QB＝0C．QA＝0，QB＝2×10－8CD．QA＝4×10－8C，QB＝－2×10－8C答案B解析B與A接觸后