2024-2025版高中物理第一章靜電場7靜電現(xiàn)象的應用學案新人教版選修3-1

PAGE11-靜電現(xiàn)象的應用必備學問·自主學習一、靜電平衡狀態(tài)下導體的電場(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導體,內部的場強到處為0。(2)處于靜電平衡狀態(tài)的導體,外部表面旁邊任何一點的場強方向必與這點的表面垂直。(3)處于靜電平衡狀態(tài)的整個導體是個等勢體,導體的表面是個等勢面。二、導體上電荷的分布靜電平衡時,導體上的電荷分布有以下兩個特點:(1)導體內部沒有電荷,電荷只分布在導體的外表面。(2)在導體外表面,越尖銳的位置電荷的密度越大,凹陷的位置幾乎沒有電荷。三、尖端放電和靜電屏蔽1.空氣的電離:導體尖端的電荷密度很大,旁邊的場強很強,空氣中的帶電粒子猛烈運動,使空氣分子被撞“散”而使正負電荷分別的現(xiàn)象。2.尖端放電:導體尖端的強電場使旁邊的空氣電離,電離后的異種離子與尖端的電荷中和,相當于導體從尖端失去電荷的現(xiàn)象。3.靜電屏蔽:靜電平衡時,導體殼內空腔里的電場到處為0,外電場對殼內不會產(chǎn)生影響。(1)避雷針是利用尖端放電避開雷擊的一種設施。 (×)(2)高壓設備中導體的表面盡量光滑會削減電能的損失。 (√)(3)電工高壓帶電作業(yè)時,穿戴金屬絲網(wǎng)制成的衣、帽、手套、鞋子,無法對人體起到愛護作用。 (×)(4)安裝了防盜網(wǎng)的室內手機信號好,沒安防盜網(wǎng)的室內手機信號不好。 (×)(5)電學儀器和電子設備外面會有金屬罩,通信電纜外面包一層鉛皮,可以防止外電場的干擾。 (√)關鍵實力·合作學習學問點一靜電平衡1.靜電平衡的導體的電場強度:達到靜電平衡時,導體內部的場強到處為零。導體內部場強為零的本質是:感應電荷在導體內部形成的電場與外電場在內部任一處的電場強度的矢量和為零。2.對靜電平衡時導體上電荷的分布的理解(1)實心導體:導體內部無電荷,電荷只分布在導體外表面上。(2)空腔導體:空腔內無電荷時,電荷分布在外表面上(內表面無電荷);空腔內有電荷時,內表面因靜電感應出現(xiàn)等量的異號電荷,外表面有感應電荷。3.靜電平衡的導體的電勢:處于靜電平衡的導體是等勢體,表面是等勢面,所以導體表面的電場線應與導體表面垂直?！镜淅?多選)如圖所示,帶負電的點電荷旁有一接地大金屬板,A為金屬板內的一點,B為金屬板左側外表面上的一點,下列關于金屬板上感應電荷在A點和B點的場強方向推斷正確的是 ()A.感應電荷在A點的場強沿E1方向B.感應電荷在A點的場強沿E2方向C.感應電荷在B點的場強可能沿E3方向D.感應電荷在B點的場強可能沿E4方向【解析】選B、C。金屬板內部場強為0,點電荷在A點場強方向為E1,感應電荷的場強為E2,二者疊加后才能為0,故A錯誤,B正確。B點在金屬板外表面上,那么B點合場強方向應垂直金屬板向左,而點電荷引起的分場強指向負電荷,合場強分解,一個方向指向負電荷,一個方向則可能為題目所給的E3方向,故C正確,D錯誤。1.如圖所示,A、B兩點距離一處于靜電平衡狀態(tài)下的導體的兩端很近。場強EA∶EB=1∶10。有一電荷僅在電場力作用下第一次通過A運動至無限遠處,其次次通過B點運動至無限遠處,則當該電荷經(jīng)過A、B兩點時的加速度之比aA∶aB;這兩個過程中,電場力做功之比WA∶WB為 ()A.1∶101∶1 B.1∶101∶10C.10∶11∶1 D.無法確定【解析】選A。由于===,所以aA∶aB=1∶10。由于導體在靜電平衡時各處電勢相等,所以把電荷移到無限遠處,兩次電場力做的功相同,所以WA∶WB=1∶1。所以B、C、D錯誤,A正確,故選A。2.一金屬球,原來不帶電,現(xiàn)沿球直徑的延長線放置一勻稱帶電的細桿MN,如圖所示,金屬球上感應電荷產(chǎn)生的電場在球內直徑上a、b、c三點的場強大小分別為Ea、Eb、Ec,三者相比 ()A.Ea最大 B.Eb最大C.Ec最大 D.Ea=Eb=Ec【解析】選C。靜電平衡后,金屬球內的合場強到處為零,金屬球上感應電荷產(chǎn)生的附加電場與帶電的細桿MN產(chǎn)生的場強大小相等,方向相反,相互抵消。c點離帶電的細桿MN最近,帶電的細桿MN在c點產(chǎn)生的場強最大,則金屬球上感應電荷在c點產(chǎn)生的場強最大,即Ec最大。故選C?！炯庸逃柧殹?.如圖所示,一個帶負電的金屬球放在絕緣的支架上,處于靜電平衡狀態(tài),金屬球內部的場強大小為E1,若削減金屬球的帶電荷量,再次處于靜電平衡狀態(tài)后,金屬球內部的場強大小為E2,則 ()A.E2<E1 B.E2>E1C.E2=E1 D.無法確定【解析】選C。處于靜電平衡狀態(tài)的導體內部的場強到處為零,選項C正確。2.如圖所示,在兩個帶等量異種電荷的絕緣導體球之間,對稱地放著兩個相同的導體ab、cd,則:(1)當用導線將a、b連接起來時,導線中有無電流通過?若有,方向如何?(2)當用導線將a、c連接起來時,導線中有無電流通過?若有,方向如何?【解析】導體ab、cd處于靜電場中,已達到靜電平衡狀態(tài),ab、cd均各自為一個等勢體,但因ab靠近正電荷,cd靠近負電荷,所以導體ab的電勢要高于cd的電勢,我們也可以在正、負電荷之間畫一條由左向右的電場線,也易推斷導體ab的電勢比導體cd的電勢高。當用導線將a、c連接起來時,將會有電流從a流到c;當用導線將a、b連接起來時,無電流通過。答案:(1)無(2)有由a→c學問點二靜電屏蔽1.靜電屏蔽的實質靜電屏蔽的實質是利用了靜電感應現(xiàn)象,使金屬殼內感應電荷的電場和外加電場矢量和為零,似乎是金屬殼將外電場“擋”在外面,即所謂的屏蔽作用,其實是殼內兩種電場并存,矢量和為零。2.靜電屏蔽的兩種狀況導體外部電場不影響導體內部接地導體內部的電場不影響導體外部圖示實現(xiàn)過程因場源電荷產(chǎn)生的電場與導體球殼表面上感應電荷在空腔內的合場強為零,達到靜電平衡狀態(tài),起到屏蔽外電場的作用當空腔外部接地時,外表面的感應電荷因接地將傳給地球,外部電場消逝,起到屏蔽內電場的作用最終結論導體內空腔不受外界電荷影響接地導體空腔外部不受內部電荷影響本質利用了靜電感應與靜電平衡,所以做靜電屏蔽的材料只能是導體,不能是絕緣體法拉第籠是一個由金屬或者良導體形成的籠子?；\體與大地連通,高壓電源通過限流電阻將10萬伏直流高壓輸送給放電桿,當放電桿尖端距籠體10厘米時,出現(xiàn)放電火花。探討:(1)放電時,籠內的電場強度有什么特點?提示:籠內的電場強度為零。(2)放電時,籠內的電勢有什么特點?籠內的人為什么安穩(wěn)無恙?提示:籠內的電勢到處相等,人體沒有電流通過,所以人體是平安的。【典例】如圖為空腔球形導體(不帶電),現(xiàn)將一個帶正電的小金屬球A放入腔內,靜電平衡時,圖中a、b、c三點的場強E和電勢φ的關系是 ()A.Ea>Eb>Ec,φa>φb>φcB.Ea=Eb>Ec,φa=φb>φcC.Ea=Eb=Ec,φa=φb>φcD.Ea>Ec>Eb,φa>φb>φc【解析】選D。本題有許多同學認為Eb=0,所以φb=0,其實空腔球形導體處于靜電平衡后導體是等勢體,內外表面是等勢面,如圖所示,明顯Ea>Ec>Eb=0;再考慮到沿電場線方向電勢降低,可以得到φa>φb>φc,答案為D。處理靜電屏蔽問題的兩點留意(1)空腔可以屏蔽外界電場,接地的空腔可以屏蔽內部的電場作用,其本質都是因為激發(fā)電場與感應電場疊加的結果,分析中應分清是一部分電場作用,還是合電場作用的結果。(2)分析導體內部的自由電荷是如何移動的,如何建立起附加電場的,何處會出現(xiàn)感應電荷是解決問題的關鍵。1.如圖所示,A是帶正電的物體,B是金屬網(wǎng),C是原來不帶電的金箔驗電器,能使驗電器的金箔張開的是 ()【解析】選C。圖A、B中,由于金屬網(wǎng)的屏蔽作用,帶電體A對驗電器無作用,故A、B錯誤;圖C中,受帶電體A的作用,金屬網(wǎng)內外分別帶等量異種感應電荷,在驗電器處有電場,即能使驗電器的金箔張開,故C正確;圖D中由于金屬網(wǎng)接地,網(wǎng)罩外無電場,無法使驗電器的金箔張開,故D錯誤。故選C。2.(多選)如圖所示,將懸在絕緣細線上帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球殼B內(與內壁不接觸)。外加一個水平向右的場強為E的勻強電場,對于最終的結果,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的左端帶負電,A不偏左也不偏右【解析】選B、D。金屬空腔處于外電場中時,由于靜電感應的作用,金屬球殼的左端將感應出負電荷,右端將感應出正電荷,而金屬空腔內部完全不受外加電場的影響,故A不會偏轉,故A、C錯誤,B、D正確?！炯庸逃柧殹?.(多選)一個不帶電的空心金屬球,在它的球內放一個正電荷如圖所示,其電場分布正確的是 ()【解析】選C、D。空心金屬球內放一正電荷,由于靜電感應使金屬球外表面帶正電,球殼上達到靜電平衡,內部場強為零,當金屬球外表面接地時,對內電場具有屏蔽作用,故選項C、D正確。2.(多選)如圖所示,在絕緣板上放有一個不帶電的金箔驗電器A和一個帶正電荷的空腔導體B。下列試驗方法中能使驗電器箔片張開的是 ()A.取電棒C(帶絕緣柄的導體棒)先跟B的內壁接觸一下后再跟A接觸B.取電棒C先跟B的外壁接觸一下后再跟A接觸C.用絕緣導線把驗電器A跟取電棒C的導體部分相連,再把取電棒C與B的內壁接觸D.使驗電器A靠近B【解析】選B、C、D。A項中取電棒C先和B的內壁接觸后,由于B的內壁本身沒有電荷,所以再接觸A時驗電器箔片不張開;B項中可以使C帶電,從而使A帶電;C項中用絕緣導線事實上是將驗電器A和B連成了一個導體,A因接觸而帶電;D項中是感應起電。所以B、C、D項正確?！就卣估}】考查內容:靜電平衡的綜合應用【典例】(多選)如圖所示,水平放置的金屬板正上方有一固定的正點電荷Q,一表面絕緣的帶電的小球(可視為質點且不影響Q的電場),從左端以初速度v0滑上金屬板,沿光滑的上表面對右運動到右端,在該運動過程中 ()A.小球做勻速直線運動B.小球先做減速運動,后做加速運動C.小球的電勢能保持不變D.電場力對小球所做的功為零【解析】選A、C、D。水平放置的金屬板處于點電荷Q的電場中而達到靜電平衡狀態(tài),是一個等勢體,其表面處電場線到處與表面垂直,故帶電小球(表面絕緣,電量不變)在金屬板表面運動時,電場力不做功,小球的電勢能不變,小球做勻速直線運動,所以選項A、C、D正確。情境·模型·素養(yǎng)2024年,由于新冠病毒疫情影響,大家出門要戴口罩。醫(yī)用口罩的熔噴布經(jīng)過駐極處理,在保證常規(guī)濾材的物理碰撞阻隔作用的基礎上,增加了靜電吸附作用,吸附可簡化為如下過程:某根經(jīng)過駐極處理后的濾材纖維,其兩側分別帶有正負電荷,可吸附帶不同電荷的污染物顆粒,某帶負電的顆粒物在圖中A點時的速度方向如圖所示,在很短時間內被吸附到纖維旁邊的B點,忽視空氣的作用力。探究:(1)則在此過程中顆粒在A點和B點的機械能、電勢能如何改變?(2)顆粒在A點和B點的電勢哪點高,哪點低?【解析】(1)顆粒被吸附到B點,故顆粒帶負電,從A點到B點過程中,電場力做正功,電勢能減小,機械能增大;(2)電場線從正電荷動身,依據(jù)沿電場線方向電勢降低可知,A點電勢低于B點電勢。答案:見解析電業(yè)工人創(chuàng)建了具有世界先進水平的超高壓帶電作業(yè)法。利用“絕緣梯”使輸電線間的電勢差漸漸變小,直到最終使人體的電勢與輸電線電勢相等。探究:(1)人與輸電線電勢相等時,為什么沒有危急?(2)超高壓輸電線四周存在強電場,人靠近輸電線時,人體會有什么現(xiàn)象發(fā)生?(3)工人帶電作業(yè)時穿著由金屬絲和棉紗織成的均壓服,有什么作用?【解析】(1)人與輸電線電勢相等時,隨意兩點間的電勢差均為0,則電荷不會發(fā)生定向移動,因此不會對人產(chǎn)生危急;(2)人體靠近高壓輸電線四周的強電場時,由于靜電感應,人體內的自由電荷重新分布,瞬時間負電荷向電場方向的反方向運動,如圖所示形成了瞬時電流;(3)由于金屬絲和棉紗織成的均壓服可以起到靜電屏蔽的作用,從而使人體處于靜電平衡狀態(tài)。答案:見解析課堂檢測·素養(yǎng)達標1.在燃氣灶中安裝的電子點火器往往把放電電極做成針形,這種做法利用了靜電的 ()A.靜電屏蔽現(xiàn)象 B.尖端放電現(xiàn)象C.接觸起電現(xiàn)象 D.摩擦起電現(xiàn)象【解析】選B。靜電屏蔽是指利用金屬盒或金屬網(wǎng)罩屏蔽外部電場的現(xiàn)象,A錯誤;放電電極做成針形,更簡單累積電荷從而發(fā)生尖端放電現(xiàn)象,B正確;接觸起電現(xiàn)象是指不帶電的物體和帶電物體接觸而帶電的現(xiàn)象,C錯誤;摩擦起電現(xiàn)象指兩物體相互摩擦而帶電的現(xiàn)象,D錯誤;故選B。2.如圖所示,在原來不帶電的金屬細桿ab旁邊P處,放置一個正點電荷,達到靜電平衡后 ()A.a端的電勢比b端的高B.b端的電勢比d點的低C.a端的電勢不肯定比d點的低D.桿內c處場強的方向由c指向b【解題指南】解答本題應留意以下兩點:(1)靜電平衡時,導體內部電勢到處相等,導體外部的電勢凹凸可依據(jù)電場線推斷。(2)靜電平衡時,導體內部場強到處為零?！窘馕觥窟xB。首先畫出電場線(如圖所示),沿電場線方向電勢降低,b點電勢比d點低,B正確;金屬桿ab在靜電平衡后是一個等勢體,a點電勢等于b點電勢,也比d點低,選項A、C均錯誤;靜電平衡后的導體內部場強為零,選項D錯誤。3.(多選)如圖所示,在一電場強度為E的勻強電場中放一金屬空心導體,圖中a、b分別為金屬導體內部與空腔中的兩點,當達到靜電平衡狀態(tài)后,則有 ()A.a、b兩點的電場強度都為零B.a點電場強度為零,b點不為零C.a、b點的電勢相等D.a點電勢比b點電勢高【解析】選A、C。金屬空心導體放在勻強電場中,出現(xiàn)靜電感應現(xiàn)象,最終處于靜電平衡狀態(tài),導體內部的場強到處為零,所以a、b兩點的電場強度都為零,A正確,B錯誤;處于靜電平衡狀態(tài)的導體上,以及導體的內部的電勢到處相等,即為等勢體,則a點電勢等于b點電勢,C正確,D錯誤。故選A、C?！炯庸逃柧殹?多選)如圖所示,原來不帶電的金屬球殼內壁接地,將一帶正電的小球放入其中,但不與球殼接觸,則 ()A.球殼內壁帶負電B.球殼外壁帶正電C.球殼外壁不帶電D.若將接地線去掉再移去正電荷,球殼外壁帶負電【解析】選A、C、D。球殼內正電荷產(chǎn)生電場,使