高二選修3-1靜電現(xiàn)象的應用講義.doc

1、 教學目標1、 知道什么是靜電感應現(xiàn)象、靜電平衡狀態(tài)2、 理解處于靜電平衡狀態(tài)導體的特征3、理解尖端放電現(xiàn)象和靜電屏蔽2、 重難點1、處于靜電平衡狀態(tài)導體的特征3、 知識點梳理1、 靜電感應現(xiàn)象 如圖1-7-1甲所示，將一不帶電的金屬導體ABCD放到場強為E0的電場中，導體內(nèi)的自由電子在電場力的作用下逆著電場線定向移動，使導體的一側(cè)聚集負電荷，而導體另一側(cè)卻聚集等量的正電荷，這種現(xiàn)象就是靜電感應現(xiàn)象。2、靜電平衡狀態(tài)(1)定義如圖1-7-1乙所示，金屬導體中自由電子受到導體周圍電場的電場力作用后向左移動，在右側(cè)出現(xiàn)多余的正電荷，導體兩側(cè)正、負電荷在導體內(nèi)部產(chǎn)生與原電場反向的電場.因與原來的電場反向，疊加的結(jié)果是使原場強逐漸減弱，直至導體內(nèi)部各點的合場強等于零為止，于是導體內(nèi)的自由電子不再發(fā)生定向移動，我們就說導體達到了靜電平衡狀態(tài)，如圖1-7-1丙所示.(2)條件:導體內(nèi)部各點的合場強為零. (3)靜電平衡狀態(tài)下導體的特征處于靜電平衡狀態(tài)的導體，內(nèi)部的電場處處為零.處于靜電平衡狀態(tài)的導體，其外部表面附近任何一點的場強方向必跟該點的表面垂直. 處于靜電平衡狀態(tài)的整個導體是個等勢體，它的表面是個等勢面.【說明】處于靜電平衡狀態(tài)的導體內(nèi)部場強處處為零，指的是外加電場和附加電場的合場強為零，其效果相互抵消.金屬導體建立靜電平衡狀態(tài)的時間是短暫的，通常不超過10-9s。所以靜電場中的導體都可以看做處于靜電平衡狀態(tài). 達到靜電平衡狀態(tài)后，自由電子沒有定向移動而不是說導體內(nèi)部的電荷不動，內(nèi)部的電子仍在做無規(guī)則的運動. 應該注意靜電感應與感應起電的區(qū)別和聯(lián)系，感應起電是運用靜電感應現(xiàn)象使物體帶電的一種方法，而靜電感應則是電場中導體兩端暫時出現(xiàn)等量相反電荷的現(xiàn)象. (4)靜電平衡時，導體上的電荷分布有以下兩個特點: 導體內(nèi)部沒有電荷，電荷只分布在導體的外表面.這是因為，假如導體內(nèi)部有電荷，導體內(nèi)部的場強就不可能為零，自由電荷就會發(fā)生定向移動，導體也就沒有處于靜電平衡狀態(tài). 在導體外表面，越尖銳的位置電荷的密度(單位面積的電荷量)越大，凹陷的位置幾乎沒有電荷.3、 尖端放電(1)空氣的電離導體尖端的電荷密度很大，附近的電場很強，空氣中殘留的帶電粒子在強電場的作用下發(fā)生劇烈的運動，把空氣中的氣體分子撞“散”，也就是使分子的正負電荷分離，這個現(xiàn)象叫做空氣的電離.(2)尖端放電定義:中性分子電離后變成帶負電的自由電子和失去電子而帶正電的離子.這些帶電粒子在強電場的作用下加速，撞擊空氣中的分子，使它們進一步電離，產(chǎn)生更多的帶電粒子.那些所帶電荷與導體尖端的電荷符號相反的粒子，由于被吸收而奔向尖端，與尖端上的電荷中和，這相當于導體從尖端失去電荷.這個現(xiàn)象叫做尖端放電.應用與防止a.應用:避雷針就是利用尖端放電避免雷擊的一種設施.當帶電的雷雨云接近建筑物時，由于靜電感應，避雷針的金屬棒出現(xiàn)與云層相反的電荷.通過尖端放電，這些電荷不斷向大氣釋放，中和空氣中的電荷，達到避免雷擊的目的.b.防止:尖端放電會導致高壓設備上電能的損失，所以高壓設備中導體的表面應該盡量光滑.4、 靜電屏蔽(1)空腔導體(包括金屬網(wǎng)罩或金屬包皮)內(nèi)部不受殼外部電場的影響，可以簡單的記為:(網(wǎng))外不影響(網(wǎng))內(nèi).如果事先用金屬網(wǎng)罩把驗電器罩住，如圖1-7-2所示，驗電器的箔片就不張開，即使把驗電器和金屬網(wǎng)罩連接起來，箔片也不張開.這表明金屬網(wǎng)罩能把外電場擋住，使罩內(nèi)不受外電場的影響，即金屬殼內(nèi)部空間不受殼外部電場的影響.(2)接地的封閉空腔導體殼內(nèi)部電場對殼外空間沒有影響，可以簡單的記為:(網(wǎng))接觸地，(網(wǎng))內(nèi)不影響(網(wǎng))外.如一封閉的導體殼內(nèi)部空間某點有一點電荷+q，由于靜電感應，導體殼內(nèi)外表面感應出等量的異種電荷，其電場線如圖1-7-3甲所示.當把導體殼接地后，+q在殼內(nèi)的電場對殼外空間就沒有影響了，如圖1-7-3乙所示.5、解決靜電平衡問題的方法(1)解決靜電平衡問題可根據(jù)靜電平衡狀態(tài)下導體的特征即導體內(nèi)部場強為零、導體是等勢體、導體表面是等勢面、導體表面場強方向垂直于導體表面、導體所帶電荷分布在導體外表面等進行分析.(2)靜電平衡狀態(tài)下導體帶電的分析方法:在處理具體問題時，往往感到不能靈活運用，可以用“遠近觀”及“整體觀”的觀點來處理這類問題.“遠近觀”是指:處于靜電平衡狀態(tài)的導體，離場源電荷較近和較遠的兩端感應出等量的異種電荷，而導體的中間部分因感應電荷較少，可認為無感應電荷產(chǎn)生，如圖1-7-4甲所示?！罢w觀”是指:當兩個或多個原來彼此絕緣的導體接觸或用導線連接時，就可把它們看作是一個大導體，再用“遠近觀”判斷它們的帶電情況，如有些問題所提到的“用手觸摸某導體”其實就是導體通過人體與大地構(gòu)成一個大導體.不要認為導體內(nèi)部沒有電荷，用導線連接帶電體內(nèi)部時，小球口就不帶電.其實連接后就已成為一個整體，故小球通過導線得到了電荷，如圖1-7-4乙所示.【注意】依據(jù)電場線和電勢高低，判定導體中電荷受力和移動方向，進一步求靜電平衡問題，有時會起到事半功倍之效.(3)等值代換法求感應電荷的電場等值代換法是根據(jù)兩個量之間具有的數(shù)值上的相等關系，通過計算一個量的數(shù)值從而間接求出另一個量的解題方法.等值代換法是解答物理題的重要方法之一像求物體給接觸面的正壓力往往借助于牛頓第三定律求這一力的反作用力，就是采用了等值代換法.求感應電荷的電場，要用到靜電平衡狀態(tài)的特點導體內(nèi)部場強處處為零.(導體內(nèi)的任一點，外部電場在該點的場強與導體上感應電荷的電場在該點的場強的矢量和為零，即E感=-E外)6、靜電的應用與防止(1)靜電的應用在生產(chǎn)和生活中，靜電的應用十分廣泛.如:激光打印、靜電噴涂、靜電除塵、靜電處理種子、靜電處理水、靜電放電產(chǎn)生臭氧、靜電植絨、靜電復印、噴墨打印、靜電凈化空氣、靜電提高噴灑農(nóng)藥的效果、靜電選礦等.(2)靜電的危害與防止靜電的危害靜電是一種常見現(xiàn)象，它會給人們帶來麻煩，甚至造成危害.如在印刷廠里，紙張之間摩擦帶電，會使紙張粘在一起，難以分開，給印刷帶來麻煩;在印染廠里，棉紗、毛線、人造纖維上的靜電會吸引空氣中的塵埃，使印染質(zhì)量下降;靜電對現(xiàn)代高精密度、高靈敏度的電子設備頗有影響.帶靜電很多的人，會妨礙電子計算機的正常運行，會因火花放電擊穿電子儀器的某些器件等.靜電的最大危害是，放電火花會點燃某些易燃物質(zhì)，引起爆炸，專門用來裝汽油、柴油等液體燃料的卡車，在灌油和運輸過程中，燃油與油罐摩擦、撞擊產(chǎn)生的靜電，如果沒有及時引走，一旦電荷積累過多，達到相當高的電壓(可達上千伏)，就會產(chǎn)生火花放電而引起爆炸.雷電將使建筑物和動植物以及人受到致命的傷害，引起火災;醫(yī)院手術臺上，靜電火花會引起麻醉劑爆炸;煤礦里，靜電火花會引起瓦斯爆炸;航天工業(yè)里，靜電放電會干擾航天器的運行，甚至會造成火箭和衛(wèi)星的發(fā)射失敗;在石化工業(yè)，因靜電引起的事故屢見不鮮.防止靜電危害的方法防止靜電危害的基本方法是，盡快把靜電引走，避免越積越多.油罐車的尾部裝一條拖在地上的鐵鏈，靠它把靜電導人大地;飛機的機輪上通常裝有搭地線，也有用導電橡膠做機輪輪胎的，著陸時把機身的靜電引入大地;在地毯中夾雜0.050.07 mm的不銹鋼絲導電纖維，對消除靜電能起到很好的效果，濕度增大時，電荷隨時放出，可以避免靜電積累;工廠里保持一定的濕度，可以消除靜電危害.潮濕的天氣不容易做好靜電實驗，也是這個道理.4、 典型例題【例題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桿MN，如圖1-7-5所示，金屬球上感應電荷產(chǎn)生的電場在球內(nèi)直徑上a 、b、c三點的場強大小分別為Ea 、Eb 、Ec，三者相比，則( C ).A. Ea 最大 B. Eb 最大 C. Ec最大 D. Ea =Eb=Ec【解析】處于靜電平衡的導體內(nèi)部場強處處為零，故a,b,c三點的場強都為零.靜電平衡的導體內(nèi)部場強為零是感應電荷產(chǎn)生的電場與外電場疊加的結(jié)果，所以感應電荷在球內(nèi)某點產(chǎn)生的電場的場強與MN在這一點形成的電場的場強等大反向.比較a ,b,c三點感應電場的場強，實質(zhì)上是比較帶電體MN在這三點的場強.由于c點離MN最近，故MN在c點的場強最大，感應電荷在c點場強也最大.正確答案為C項.【點評】本題在高考中，考生錯選D項者達半數(shù)以上，這些考生不理解靜電平衡的導體內(nèi)部的電場強度為零是空間中所有電荷在導體內(nèi)任一點產(chǎn)生的電場強度的矢量和為零.本題要求考生對靜電平衡、電場強度的疊加等規(guī)律有較深入的理解，并能結(jié)合實際問題進行合乎邏輯的分析和推理.【例題2】長為的導體棒原來不帶電，現(xiàn)將一帶電荷量為+q的點電荷放在距棒左端R處，如圖1-7-6所示.當棒達到靜電平衡后，棒上感應電荷在棒內(nèi)中點尸處產(chǎn)生的場強大小等于 ，方向為 .【解析】導體棒在點電荷+q的電場中發(fā)生靜電感應，左端出現(xiàn)負電荷，右端出現(xiàn)正電荷，棒中任何一點都有兩個電場，即外電場+q在該點形成的電場E0，附加電場棒上感應電荷在該點形成的電場廠，達到靜電平衡時E = E0，題中所求的即為E，于是我們通過上述等式轉(zhuǎn)化為求E0 .棒的中點距離+q為:r=R +/2，于是:E和E0方向相反，方向向左.同理，我們還能求棒中其他點的附加電場的場強.【答案】 向左 【點評】感應電荷是面分布，且電荷量未知，所以不能直接由來求，只能利用靜電平衡的性質(zhì)來求.【例題3】如圖1-7-7所示，A,B為兩個帶等量異號電荷的金屬球，將兩根不帶電的金屬棒C、D放在兩球之間，則下列敘述正確的是( ). A. C棒的電勢一定高于D棒的電勢B.若用導線將C棒的x端與D端的y端連接起來的瞬間，將有從y流向x的電子流C.若將B球接地，B所帶的負電荷全部流人大地D.若將B球接地，B所帶的負電荷還將保留一部分【解析】由圖1-7-8所示的電場線方向可知A, B, C, D的電勢高低為.當用導線將C棒的x端與D棒的y端連接的瞬間，將有自由電子從電勢低的D棒流向電勢高的C棒，這時C與D已通過導線連接為一個導體了，靜電平衡后，它們的電勢相等，C的x端仍帶負電，D的y端仍帶正電，而C的右端及D的左端均不帶電，即右端的正電荷與D左端的負電荷中和掉了.當將B球接地時，一部分自由電子從低于大地電勢的B球上流向大地，而一部分電子受到D棒端正電荷的吸引而保留在靠近端的近端處，如果把帶正電的A球移走，接地的B球上的負電荷才全部流入大地.【答案 A,B,D【點評】處于靜電平衡狀態(tài)導體的特點:(1)導體內(nèi)部的電場強度處處為零，電場線在導體的內(nèi)部中斷.(2)導體是一個等勢體，表面是一個等勢面.(3)導體表面上任意一點的場強方向跟該點的表面垂直.(4)導體所帶的凈電荷全部分布在導體的外表面上，【例題】如圖所示，兩個相同的空心金屬球M和N, M帶Q電荷，N不帶電(M,N相距很遠，互不影響)旁邊各放一個不帶電的金屬球P和R，當將帶正電口的小球分別放入M和N的空腔中時().A. P、R上均出現(xiàn)感應電荷B. P、R上均沒有感應電荷C. P上有，而R上沒有感應電荷D. P上沒有，而R上有感應電荷【解析】當將帶正電Q的小球放入M的空腔中時，對M產(chǎn)生靜電感應使M的內(nèi)表面帶負電，而外表面帶正電，其電荷量為Q，它與原來金屬球M外表面所帶的一令正好中和，使外表面不帶電，實際上是M所帶Q被吸引至內(nèi)表面，所以金屬球M外部不存在電場，不能對產(chǎn)生靜電感應，上沒有感應電荷.當將帶正電Q的小球放入原來不帶電的N的空腔中時，對N產(chǎn)生靜電感應，使N內(nèi)表面帶負電荷,N外表面帶正電荷,N外部有電場，對R產(chǎn)生靜電感應，使左端帶負電，右端帶正電.選項D正確.【答案】D【點評】我們要理解靜電感應的本質(zhì)，關鍵是要正確理解電場的疊加，要有清晰的物理情景.【例題】 如圖1-7-10所示為一空腔球形導體(不帶電)，現(xiàn)將一個帶正電荷的小金屬球A放人空腔中，當靜電平衡時，圖中a、b、c三點的場強E和電勢的關系是( ). A . B . C . D .【解析】空腔球形導體在正電荷A的電場中感應的結(jié)果如圖1-7-11所示，從電場線的疏密可確定a點場強大于c點場強，而b點場強為零，故，而沿著電場線電勢降低，故,D選項正確.【答案】D5、 課堂練習1、帶電荷量為Q的正點電荷距一很大的接地金屬板的距離為a，如圖1-7-12所示，試求金屬板對點電荷的作用力.【解析】由于接地金屬板很大，因此點電荷P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的等量異種點電荷產(chǎn)生的電場完全一致.則可用求相距為2a的等量異種電荷間的相互作用力來“等效”代替求感應電荷對Q的作用力，如圖1-7-13所示，故感應電荷對Q的作用力方向由+Q垂直指向金屬板. 【點評】等效替代法的正確熟練運用是解答此題的關鍵.2、 如圖1-7-14所示為靜電除塵示意圖，在M、N兩點間加高壓電源時，金屬管內(nèi)空氣電離，電離的電子在電場力的作用下運動，遇到煙氣中的煤粉，使煤粉帶負電荷，因而煤粉被吸附到管壁上，排出的煙就清潔了.就此示意圖，下列說法正確的是 ( AC ). A.N接電源的正極 B. M接電源的正極 C.電場強度D.電場強度【解析】電子附在煤粉上，使煤粉帶上負電荷，煤粉若能吸附在管壁上，說明管壁帶正電荷，N接電源正極.將金屬棒與金屬管壁看作電容器，則其內(nèi)電場線分布情況如圖1 -7-14所示.由圖可知金屬棒附近的M點處電場線較密，而靠近金屬管壁的N點處電場線較疏，故M處場強比N處場強大，即6、 課后作業(yè)1如圖71所示，不帶電的導體B在靠近帶正電的導體A后，P端及Q端分別感應出負電荷和正電荷，則以下說法正確的是()A若用導線將Q端接地，然后斷開，再取走A，則導體B將帶負電B若用導線將Q端接地，然后斷開，再取走A，則導體B將帶正電C若用導線將Q端接地，然后斷開，再取走A，則導體B將不帶電D若用導線將P端接地，然后斷開，再取走A，則導體B將帶正電解析：用導線將Q接地后，導體B與地球構(gòu)成一個大導體，其距A較近的為P端，仍帶感應負電荷；其距A較遠處，不再是Q端，而是地球，將感應出正電荷；而Q端成為大導體的中間部分將不會有感應電荷。所以，導體B將帶負電荷。答案：A2在下列措施中，哪些能將產(chǎn)生的靜電導走()A飛機輪子上搭地線B印染車間保持濕度C復印圖片D電工鉗柄裝有絕緣套解析：飛機在飛行中與空氣摩擦時，飛機外表面聚集了大量靜電荷，降落時會對地面人員帶來危害及火災隱患，因此飛機降落時要及時導走機身聚集的靜電，采取的措施是在輪胎上安裝地線或用導電橡膠制造輪胎；在印染工作車間也同樣容易產(chǎn)生靜電，靜電給車間帶來火災隱患，為防止火災發(fā)生，其中安全措施之一就是保持車間濕度，從而通過濕潤的空氣及時導走靜電；在復印圖片環(huán)節(jié)中，剛好需要應用靜電，在電工鉗柄裝有絕緣套是防止導電，保障電工的安全。答案：A、B3圖72中接地金屬球A的半徑為R，球外點電荷的電荷量為Q，到球心的距離為r。該點電荷的電場在球心處產(chǎn)生的感應電場的場強大小等于()圖7-2AkkBkkC0 Dk解析：由內(nèi)部合場強為零可知，感應電荷產(chǎn)生的場強與Q在該點產(chǎn)生的場強等大反向，故E。答案：D4如圖73所示，帶電體Q靠近一個接地空腔導體，空腔里面無電荷。在靜電平衡后，下列物理量中等于零的是()A導體腔內(nèi)任意點的場強B導體腔內(nèi)任意點的電勢C導體外表面的電荷量D導體空腔內(nèi)表面的電荷量解析：靜電平衡狀態(tài)下的導體內(nèi)部場強處處為零，且內(nèi)表面不帶電，故選項A、D正確。由于導體接地，故整個導體的電勢為零，選項B正確。導體外表面受帶電體Q的影響，所帶電荷量不為零，故選項C不正確。答案：A、B、D5.如圖74所示，在真空中把一個導體向帶負電荷的小球慢慢靠近(不接觸)，下列說法正確的有()AB端的感應電荷越來越多圖7-4B導體內(nèi)的電場強度越來越大C導體的感應電荷在M點產(chǎn)生的場強恒大于在N點產(chǎn)生的場強D導體的感應電荷在M、N兩點產(chǎn)生的場強相等解析：注意這是討論靜電感應帶電體與導體慢慢靠近的過程，要注意電荷的動態(tài)運動，由場強疊加的原理可知B端感應電荷越來越多，A對；導體內(nèi)場強為零，B錯；因M點距離P較近，原場強大，感應電荷的場強與原場強疊加為零，所以感應電荷在M點產(chǎn)生的場強大于在N點產(chǎn)生的場強。答案：A、C圖7-56.如圖75所示，為一空腔球形導體(不帶電)，現(xiàn)將一個帶正電的小金屬球A放入腔中，當靜電平衡時，圖中a、b、c三點的場強E和電勢的關系是()AEaEbEc，abcBEaEbEc，abcCEaEbEc，abcDEaEcEb，abc解析：畫出導體空腔內(nèi)外的電場線分布，可以看出Eb0，但b0，EaEcEb，由內(nèi)向外電勢依次降低，abc。答案：D7如圖76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(nèi)(與內(nèi)壁不接觸)。外加一個水平向右的場強為E的勻強電場，對于最后的結(jié)果，下列判斷正確的是()AB的右端帶正電，A向左偏BB的右端帶正電，A不偏左也不偏右圖7-6CB的左端帶正電，A向右偏DB的左端帶負電，A不偏左也不偏右解析：導體空腔處于外電場中時，由于靜電感應的作用，導體球殼的左端將感應出負電荷，右端將感應出正電荷，而導體空腔內(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。答案：B、D8如圖77所示，帶正電的導體球A置于原來不帶電的空腔導體球B內(nèi)，a、c分別為導體A、B內(nèi)的點，b為導體A和B之間的一點，下列說法正確的是()Aa、b、c三點的電勢都相等Ba點的場強為零，但電勢最高圖7-7Cb點的場強為零，但電勢大于零Da、b、c三點的場強都為零解析：導體A、B各為一個等勢面，其內(nèi)的各點場強為零，即EaEc0，帶正電的A在B的內(nèi)、外表面各感應出負、正電荷，A外B內(nèi)的空間電場線方向由A指向B，Eb0，故電勢abc0，所以A錯，B對，C、D錯。答案：B9在一個導體球殼內(nèi)放一個電量為Q的點電荷，用Ep表示球殼外任一點的場強，則()A當Q在球殼中央時，Ep0B不論Q在球殼內(nèi)何處，Ep一定為零C只有當Q在球心且球殼接地時，Ep0D只要球殼接地，不論Q在球殼內(nèi)何處，Ep0解析：Q在球殼內(nèi)任何位置，只會影響球殼內(nèi)的負電荷分布；球殼外部帶正電荷會使外部場強不為零，所以A、B錯。而球殼接地會使外部電荷導入大地，所以外部場強才會為零，故C也錯，選D。答案：D10.如圖78所示，一導體球A帶有正電荷，當只有它存在時，它在空間P點產(chǎn)生的電場強度的大小為EA。在A球球心與P點連線上有一帶負電的點電荷B，當只有它存在時，它在空間P點產(chǎn)生的電場強度大小為EB。當A、B同時