江蘇省江陰市山觀高級(jí)中學(xué)高中物理 第一章 靜電場(chǎng) 1.7 靜電現(xiàn)象的應(yīng)用學(xué)案（無答案）新人教版選修3-1

1、第七節(jié) 靜電現(xiàn)象的應(yīng)用 【教學(xué)三維目標(biāo)】1知道靜電感應(yīng)產(chǎn)生的原因，理解什么是靜電平衡狀態(tài)2理解靜電平衡時(shí)，凈電荷只分布在導(dǎo)體表面且內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零3知道靜電屏蔽及其應(yīng)用【重點(diǎn)難點(diǎn)】靜電平衡狀態(tài)電場(chǎng)中導(dǎo)體的特點(diǎn)【教學(xué)方法】推理歸納法、問題解決法、實(shí)驗(yàn)法【教具準(zhǔn)備】驗(yàn)電器、法拉第圓筒、有絕緣柄的金屬球一個(gè)、金屬網(wǎng)罩、收音機(jī)、感應(yīng)起電機(jī)、導(dǎo)線若干【教學(xué)過程】(一)復(fù)習(xí)提問1、什么是靜電感應(yīng)現(xiàn)象？2、靜電感應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是什么？3、在靜電感應(yīng)時(shí)用手摸一下導(dǎo)體，再移走源電荷，則導(dǎo)體帶什么電？+若將導(dǎo)體接地則情況如何？左端接地呢？(二)新課教學(xué)一、電場(chǎng)中的導(dǎo)體1、金屬導(dǎo)體的特征：由做熱振動(dòng)的正離子和做無規(guī)則

2、熱運(yùn)動(dòng)的自由電子組成2、 靜電感應(yīng)現(xiàn)象+問題：在源電荷的電場(chǎng)中引入金屬導(dǎo)體后會(huì)對(duì)空間各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)有影響嗎？是什么作用使金屬內(nèi)的電子定向移動(dòng)的？此移動(dòng)一直進(jìn)行嗎？金屬導(dǎo)體內(nèi)部有電場(chǎng)嗎？答：使空間電場(chǎng)重新分布源電荷的電場(chǎng)使導(dǎo)體內(nèi)部自由電子定向移動(dòng)靜電平衡狀態(tài)3、 靜電平衡：（1）定義：發(fā)生靜電感應(yīng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子受到電場(chǎng)力作用而定向移動(dòng)，使導(dǎo)體中的正負(fù)電荷重新分布，這時(shí)感應(yīng)的正負(fù)電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小等于外電場(chǎng)，方向相反，使得導(dǎo)體中的合場(chǎng)強(qiáng)為零。導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷不再定向移動(dòng)的狀態(tài)，叫做靜電平衡狀態(tài)。注意：應(yīng)當(dāng)注意的是外電場(chǎng)既可以是勻強(qiáng)電場(chǎng)也可以是點(diǎn)電荷的電場(chǎng)。如果是點(diǎn)電荷的電場(chǎng)，要注意不同

3、點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)往往不同，所以感應(yīng)電場(chǎng)的不同點(diǎn)也就往往不同。金屬導(dǎo)體建立靜電平衡狀態(tài)的時(shí)間是短暫的。（2）條件： =0。(3)特點(diǎn)：內(nèi)部的電場(chǎng)處處為零。即 =0。導(dǎo)體表面任何一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)方向都跟表面垂直，即電場(chǎng)線與導(dǎo)體表面垂直；帶電導(dǎo)體的靜電荷只能分布在外導(dǎo)體表面上，且表面的電荷分布與表面彎曲半徑有關(guān)，尖端部分電荷密度大，該處的場(chǎng)強(qiáng)也大；理論證明：中性導(dǎo)體帶電后，由于同種電荷相互排斥，凈電荷只能分布在表面反證法：若內(nèi)部有自由電荷，則內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)不為0，導(dǎo)體就不是處于靜電平衡狀態(tài)+導(dǎo)體是一個(gè)等勢(shì)體，表面是一個(gè)等勢(shì)面二、靜電屏蔽1、定義：靜電感應(yīng)可使金屬網(wǎng)罩或金屬內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)為零，遮擋住了外界電場(chǎng)對(duì)它們的影響，這種

4、現(xiàn)象叫靜電屏蔽。2、靜電屏蔽包括兩種情況（1）殼內(nèi)空間的場(chǎng)殼內(nèi)空間無帶電體的情況：不論殼外帶電體情況如何，殼內(nèi)空間各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)必然為零。殼內(nèi)空間有帶電體的情況：這時(shí)殼內(nèi)空間將因殼內(nèi)帶電體的存在而出現(xiàn)電場(chǎng)。殼的內(nèi)壁也會(huì)出現(xiàn)電荷分布，但是可以證明：這一電場(chǎng)只由殼內(nèi)帶電體及殼的內(nèi)壁形狀決定而與殼外情況無關(guān)。也就是說，殼外電荷對(duì)殼內(nèi)電場(chǎng)仍無影響。（2）殼外空間的場(chǎng)殼外空間無帶電體的情況：直觀解釋：殼外壁的感生電荷全部沿接地線流入大地（負(fù)），因此它們?cè)跉ね饧ぐl(fā)的場(chǎng)強(qiáng)不復(fù)存在。殼外空間有帶電體的情況：綜上述：封閉導(dǎo)體殼（不論接地與否）內(nèi)部電場(chǎng)不受殼外電荷的影響，接地封閉導(dǎo)體殼外部分電場(chǎng)不受殼內(nèi)電荷的影響。記憶

5、方法：1、（網(wǎng)）外不影響（網(wǎng)）內(nèi)；2、（網(wǎng)）接地，（網(wǎng)）內(nèi)不影響（網(wǎng)）外。注意：靜電屏蔽不是金屬網(wǎng)罩把電場(chǎng)擋住，而是金屬網(wǎng)罩感應(yīng)電荷的電場(chǎng)與原電場(chǎng)疊加，合場(chǎng)強(qiáng)為零。三、尖端放電導(dǎo)體尖端的電荷特別密集，尖端附近的電場(chǎng)特別強(qiáng)，就會(huì)發(fā)生尖端放電 強(qiáng)電場(chǎng)作用下，物體尖銳部分發(fā)生的一種放電現(xiàn)象稱為尖端放電,他屬于一種電暈放電。他的原理是物體尖銳處曲率大，電力線密集，因而電勢(shì)梯度大，致使其附近部分氣體被擊穿而發(fā)生放電。如果物體尖端在暗處或放電特別強(qiáng)烈，這時(shí)往往可以看到它周圍有淺藍(lán)色的光暈 .通常情況下，空氣是不導(dǎo)電的，但是如果電場(chǎng)特別強(qiáng)，空氣分子中的正負(fù)電荷受到方向相反的強(qiáng)電場(chǎng)力，有可能被“撕”開，這個(gè)現(xiàn)

6、象叫做空氣的電離。由于電離后的空氣中有了可以自由移動(dòng)的電荷，空氣就可以導(dǎo)電了，空氣電離后產(chǎn)生的負(fù)電荷就是負(fù)離子，失去原子的電荷帶正電，叫做正離子。（對(duì)孤立導(dǎo)體）導(dǎo)體表面有電荷堆積時(shí)，電荷密度與導(dǎo)體表面的形狀有關(guān)。在凹的部位電荷密度接近零，在平緩的部位小，在尖的部位最大。當(dāng)電荷密度達(dá)到一定的量值后，電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)很大，以至于把空氣擊穿（電離），空氣中的與導(dǎo)體帶電相反的離子會(huì)與導(dǎo)體的電荷中和，出現(xiàn)放電火花，并能聽到放電聲。如高壓線有輪廓的地方，就會(huì)出現(xiàn)尖端放電。由于接到電源上，它一邊放電，一邊不停的提供放電需要的電荷，這種放電會(huì)持續(xù)下去。避雷針是另外一個(gè)好的例子。高大建筑物上安裝避雷針，當(dāng)帶電云

7、層靠近建筑物時(shí)，建筑物會(huì)感應(yīng)上與云層相反的電荷，這些電荷會(huì)聚集到避雷針的尖端，達(dá)到一定的值后便開始放電，這樣不停的將建筑物上的電荷中和掉，永遠(yuǎn)達(dá)不到會(huì)使建筑物遭到損壞的強(qiáng)烈放電所需要的電荷。雷電的實(shí)質(zhì)是2個(gè)帶電體間的強(qiáng)烈的放電，在放電的過程中有巨大的能量放出。建筑物的另外一端與大地相連，與云層相同的電荷就流入大地。顯然，要是避雷針起作用，必須保證尖端的尖銳和接地通路的良好，一個(gè)接地通路損壞的避雷針將使建筑物遭受更大的損失?？茖W(xué)原理在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，物體表面曲率大的地方(如尖銳、細(xì)小物的頂端)，等電位面密，電場(chǎng)強(qiáng)度劇增，致使它附近的空氣被電離而產(chǎn)生氣體放電，此現(xiàn)象稱電暈放電。尖端放電為電暈放電的一

8、種，專指尖端附近空氣電離而產(chǎn)生氣體放電的現(xiàn)象。故要觀察尖端放電的現(xiàn)象，除了要有足夠高的電壓外，還必須有適當(dāng)?shù)男螤钆浜?，才容易做到。尖端效?yīng)的產(chǎn)生特點(diǎn)1.在導(dǎo)體的帶電量及其周圍環(huán)境相同情況下,導(dǎo)體尖端越尖,尖端效應(yīng)越明顯。這是因?yàn)榧舛嗽郊?曲率越小,面電荷密度越高,其附近場(chǎng)強(qiáng)也就越強(qiáng)。在同一導(dǎo)體上，與曲率小的部位相比，曲率大的部位就是尖端。因此,設(shè)備的邊.棱.角相對(duì)于平滑表面,管道的噴嘴相對(duì)于管線，細(xì)導(dǎo)線相對(duì)于粗導(dǎo)線,人的手指相對(duì)于背部等等,前者都可認(rèn)為是尖端,都容易產(chǎn)生尖端效應(yīng)。而且,即使帶電體沒有尖端，而與之相鄰近的接地導(dǎo)體具有尖端，它們之間也會(huì)產(chǎn)生尖端效應(yīng)。此時(shí),由于靜電感應(yīng),在接地體的尖

9、端處會(huì)感應(yīng)出異性電荷,并容易與帶電體之間發(fā)生放電。 2.尖端放電的形式主要有電暈放電和火花放電兩種。在導(dǎo)體帶電量較小而尖端又較尖時(shí),尖端放電多為電暈型放電。這種放電只在尖端附近局部區(qū)域內(nèi)進(jìn)行,使這部分區(qū)域的空氣電離,并伴有微弱的熒光和嘶嘶聲。因放電能量較小,這種放電一般不會(huì)成為易燃易爆物品的引火源,但可引起其它危害。在導(dǎo)體帶電量較大電位較高時(shí),尖端放電多為火花型放電。這種放電伴有強(qiáng)烈的發(fā)光和破壞聲響,其電離區(qū)域由尖端擴(kuò)展至接地體(或放電體),在兩者之間形成放電通道。由于這種放電的能量較大,所以其引燃引爆及引起人體電擊的危險(xiǎn)性較大。 3.火花型尖端放電隨兩極間距的減小而更易發(fā)生。這可由擊穿電壓隨

10、極間距離的減小而下降來說明。 4.尖端放電的發(fā)生還與周圍環(huán)境情況有關(guān)。環(huán)境溫度越高越容易放電。因?yàn)闇囟仍礁撸娮雍碗x子的動(dòng)能越大,就更容易發(fā)生電離。另外,環(huán)境濕度越低越容易放電。圍為濕度高時(shí)空氣中水分子增多,電子與水分子碰撞機(jī)會(huì)增多,碰后形成活動(dòng)能力很差的負(fù)離子,使碰撞能量減弱。再者，氣壓越低越容易放電。因?yàn)闅鈮涸降蜌怏w分子間距越大,電子或離子的平均自由程越大,加速時(shí)間越長(zhǎng),動(dòng)能越大,更容易發(fā)生碰撞電離。尖端效應(yīng)的危害1.引起火災(zāi)爆炸。如上所述,由于火花型尖端放電的放電能量較大,因此很容易引起易燃易爆混合物的燃燒和爆炸,造成重大人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。2.妨礙生產(chǎn),損壞設(shè)備?；鸹ㄐ图半姇炐图舛朔烹?/p>

11、都會(huì)對(duì)生產(chǎn)過程造成不同程度的妨礙，乃至損壞設(shè)備。3.靜電尖端放電也可造成人體電擊。尖端放電的應(yīng)用一般的電子打火裝置，避雷針，還有工業(yè)煙囪除塵的裝置都是運(yùn)用了尖端放電的原理。高大建筑物上都會(huì)安裝避雷針，當(dāng)帶電云層靠近建筑物時(shí)，建筑物會(huì)感應(yīng)上與云層相反的電荷，這些電荷會(huì)聚集到避雷針的尖端，達(dá)到一定的值后便開始放電，這樣不停的將建筑物上的電荷中和掉，永遠(yuǎn)達(dá)不到會(huì)使建筑物遭到損壞的強(qiáng)烈放電所需要的電荷。雷電的實(shí)質(zhì)是2個(gè)帶電體間的強(qiáng)烈的放電，在放電的過程中有巨大的能量放出。建筑物的另外一端與大地相連，與云層相同的電荷就流入大地。顯然，要是避雷針起作用，必須保證尖端的尖銳和接地通路的良好，一個(gè)接地通路損壞

12、的避雷針將使建筑物遭受更大的損失。四、靜電應(yīng)用1、靜電除塵器：靜電除塵是利用靜電場(chǎng)的作用, 使氣體中懸浮的塵粒帶電而被吸附，并將塵粒從煙氣中分離出來而將其去除。2、靜電分離機(jī)(提純工業(yè)原料)3、靜電感應(yīng)卸料器4、靜電復(fù)印、印刷技術(shù)：利用光電導(dǎo)敏感材料在曝光時(shí)按影像發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移而存留靜電潛影，經(jīng)一定的干法顯影、影像轉(zhuǎn)印和定影而得到復(fù)制件。5、靜電噴涂：利用靜電吸附作用將聚合物涂料微粒涂敷在接地金屬物體上，然后將其送入烘爐以形成厚度均勻的涂層。6、靜電紡紗：在紡紗過程中利用靜電場(chǎng)對(duì)纖維的作用力，使纖維得到伸直、排列和凝聚，并在自由端須條加拈時(shí)起到平衡的作用，使紡紗能連續(xù)進(jìn)行。7、靜電植絨：利用靜電

13、場(chǎng)作用力使絨毛極化并沿電場(chǎng)方向排列，同時(shí)被吸著在涂有粘合劑的基底上成為絨毛制品。8、靜電在高技術(shù)領(lǐng)域也得到一些應(yīng)用，主要有：靜電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)屬電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的一種，與化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同，所用的能源與工質(zhì)分開。靜電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是比沖高、壽命長(zhǎng)（可起動(dòng)上萬次，累計(jì)工作上萬小時(shí)），但推力很小，適用于航天器的姿態(tài)控制、位置保持和星際航行等。靜電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工質(zhì)（如汞、銫、氫等）從貯存箱經(jīng)過電離室電離成離子，在引出電極的靜電場(chǎng)力作用下加速形成射束。離子射束與中和器發(fā)射的電子耦合形成中性的高速束流，噴射而產(chǎn)生推力。推力通常在（0.525）10-5牛之間，比沖達(dá) 850020000秒。靜電軸承利用電場(chǎng)力使軸

14、懸浮的滑動(dòng)軸承。用電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力共同懸浮的是組合式軸承。因靜電軸承需要很高的電場(chǎng)強(qiáng)度，其應(yīng)用受到限制，只在少數(shù)特殊儀表中使用。靜電陀螺儀又稱電浮陀螺。是陀螺傳感器的一種。在金屬球形空心轉(zhuǎn)子的周圍裝有均勻分布的高壓電極,對(duì)轉(zhuǎn)子形成靜電場(chǎng),用靜電力支承高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。這種方式屬于球形支承，轉(zhuǎn)子不僅能繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也能繞垂直于自轉(zhuǎn)軸的任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)，故屬自由轉(zhuǎn)子陀螺儀類型。靜電場(chǎng)僅有吸力，轉(zhuǎn)子離電極越近吸力就越大，這就使轉(zhuǎn)子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。用一套支承電路改變轉(zhuǎn)子所受的力，可使轉(zhuǎn)子保持在中心位置。靜電陀螺儀采用非接觸支承，不存在摩擦，所以精度很高,其漂移率低達(dá)10-310-5度/時(shí)，是高精度慣性導(dǎo)航

15、系統(tǒng)的重要元件。但它不能承受較大的沖擊和振動(dòng)。其另一缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜，成本較高。靜電透鏡是電子透鏡中的一種。在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型的若干個(gè)導(dǎo)體電極上分別加上一定的直流電壓所形成的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱靜電場(chǎng)。例如，由等半徑或不等半徑的雙圓筒電極構(gòu)成的浸沒透鏡;由等半徑或不等半徑的3個(gè)圓筒或3個(gè)光闌構(gòu)成的單電位透鏡,以及由陰極、調(diào)制極和陽(yáng)極構(gòu)成的陰極透鏡。五、例題解析例1、如圖所示，一個(gè)不帶電的金屬棒放在一個(gè)電量為+Q的點(diǎn)電荷附近，點(diǎn)電荷到金屬棒O點(diǎn)的距離為R ，金屬棒長(zhǎng)為2r則以下錯(cuò)誤的是（ B ）R+QOA、點(diǎn)電荷在球心產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)仍為B、點(diǎn)電荷在球心產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)變?yōu)镃、金屬棒上感應(yīng)電荷在O點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)大小為，方向由O點(diǎn)指向點(diǎn)電荷D、金屬棒上感應(yīng)電荷在棒內(nèi)各點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)各不相同例2、如圖所示，在兩個(gè)固定電荷+q和-q之間放入兩個(gè)原來不帶電的導(dǎo)體，1、2、3、4為導(dǎo)體上的四個(gè)點(diǎn)，在達(dá)到靜電平衡后，各點(diǎn)的電勢(shì)分別是1、2、3、4,則 （ ）A.43,21 B.4=32=1C.4321 D.4=32=1例3、如圖所示，將懸在細(xì)線上的帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球C內(nèi)（不和球壁接觸）另有一個(gè)懸掛在細(xì)線上的帶負(fù)電的小球B向C靠近，于是