物理選修31人教全程導(dǎo)學(xué)筆記第一章靜電場7靜電現(xiàn)象的應(yīng)用

7靜電現(xiàn)象的應(yīng)用知識內(nèi)容靜電現(xiàn)象的應(yīng)用考試要求必考加試b課時要求1.知道什么是靜電平衡狀態(tài)，能說出靜電平衡產(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)下導(dǎo)體的電場和電荷分布1．靜電平衡狀態(tài)：導(dǎo)體中(包括表面上)沒有電荷定向移動的狀態(tài)．2．靜電平衡狀態(tài)的特征：(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部的電場處處為0.(2)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，外部表面附近任何一點(diǎn)的場強(qiáng)方向必跟該點(diǎn)的表面垂直．(3)處于靜電平衡狀態(tài)的整個導(dǎo)體是個等勢體，導(dǎo)體的表面為等勢面．3．導(dǎo)體上電荷的分布：(1)導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，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，凹陷的位置幾乎沒有電荷．二、尖端放電和靜電屏蔽1．空氣的電離：導(dǎo)體尖端電荷密度很大，附近的電場很強(qiáng)，空氣中殘留的帶電粒子在強(qiáng)電場的作用下發(fā)生劇烈的運(yùn)動，把空氣中的氣體分子撞“散”，也就是使分子中的正負(fù)電荷分離的現(xiàn)象．2．尖端放電：所帶電荷與導(dǎo)體尖端的電荷符號相反的粒子，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．尖端放電的應(yīng)用與防止：(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減少電能的損失．3．靜電屏蔽：金屬殼或金屬網(wǎng)的空腔內(nèi)不受外界電場的影響，殼(網(wǎng))內(nèi)電場強(qiáng)度保持為0，外電場對殼(網(wǎng))內(nèi)的儀器不會產(chǎn)生影響，金屬殼(網(wǎng))的這種作用叫做靜電屏蔽．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)間的電勢差為零．(√)(2)處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部電場強(qiáng)度處處為0.(√)(3)靜電平衡時，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子處于靜止?fàn)顟B(tài)．(×)(4)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^導(dǎo)線導(dǎo)入大地．(×)(5)用金屬網(wǎng)把驗(yàn)電器罩起來，再使帶電金屬球靠近驗(yàn)電器(金屬球在金屬網(wǎng)罩外)，則驗(yàn)電器箔片能張開．(×)(6)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)場強(qiáng)為零．(√)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)體放到電場中，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子將發(fā)生定向移動，使導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量異號電荷．請思考下列問題：圖1(1)自由電子定向移動的原因是什么？定向移動的方向如何？(2)自由電子能否一直定向移動？為什么？答案(1)自由電子受外加電場的電場力作用而移動，向著與電場相反的方向定向移動．(2)不能．感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場與外加電場反向，阻礙電子的定向移動，當(dāng)這兩個電場大小相等時，電子的定向移動終止．[知識深化]1．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零的本質(zhì)是外電場E0和感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場E′的合場強(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)部的合場強(qiáng)為0.3．處于靜電平衡的導(dǎo)體是等勢體，表面是等勢面，所以導(dǎo)體表面的電場線應(yīng)與導(dǎo)體表面垂直．

例1處于靜電平衡中的導(dǎo)體，內(nèi)部場強(qiáng)處處為零的原因是()A．此時導(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)生的合場強(qiáng)為零C．外電場和所有感應(yīng)電荷的電場在導(dǎo)體內(nèi)部疊加的合場強(qiáng)為零D．以上解釋都不正確答案C解析導(dǎo)體在電荷q的電場中處于靜電平衡狀態(tài)時，在導(dǎo)體內(nèi)部任意一點(diǎn)，感應(yīng)電荷產(chǎn)生的附加電場的場強(qiáng)與電荷q產(chǎn)生的場強(qiáng)大小相等，方向相反，此時導(dǎo)體的內(nèi)部場強(qiáng)處處為0，電荷只分布在導(dǎo)體的表面，且整個導(dǎo)體是一個等勢體，故A、B、D錯誤，C正確．二、導(dǎo)體上電荷的分布靜電平衡時，導(dǎo)體上的電荷分布有：(1)凈電荷只分布在導(dǎo)體表面，內(nèi)部沒有凈電荷．(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，把一個帶正電的小球放入原來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，B、C、D錯．

針對訓(xùn)練1如圖4所示，在絕緣板上放有一個不帶電的金箔驗(yàn)電器A和一個帶正電荷的空腔導(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．用帶絕緣皮的導(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)壁本身沒有電荷，所以再接觸A時驗(yàn)電器箔片不張開；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．三、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)部場強(qiáng)處處為零，若導(dǎo)體是空心的，則空心部分的場強(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，附近的電場很強(qiáng)，空氣中殘留的帶電粒子在強(qiáng)電場的作用下發(fā)生劇烈的運(yùn)動，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)部場強(qiáng)處處為零”，即使內(nèi)部有自由電子，受到的電場力也為0，自由電子不發(fā)生定向移動．[知識深化]1．靜電屏蔽的實(shí)質(zhì)靜電屏蔽的實(shí)質(zhì)是利用了靜電感應(yīng)現(xiàn)象，使金屬殼內(nèi)感應(yīng)電荷的電場和外加電場矢量和為零，好像是金屬殼將外電場“擋”在外面，即所謂的屏蔽作用，其實(shí)是殼內(nèi)兩種電場并存，矢量和為零．2．靜電屏蔽的兩種情況導(dǎo)體外部電場不影響導(dǎo)體內(nèi)部接地導(dǎo)體內(nèi)部的電場不影響導(dǎo)體外部圖示實(shí)現(xiàn)過程因場源電荷產(chǎn)生的電場與導(dǎo)體球殼表面上感應(yīng)電荷在空腔內(nèi)的合場強(qiáng)為零，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)，起到屏蔽外電場的作用當(dāng)空腔外部接地時，外表面的感應(yīng)電荷因接地將傳給地球，外部電場消失，起到屏蔽內(nèi)電場的作用最終結(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，所以做靜電屏蔽的材料只能是導(dǎo)體，不能是絕緣體例3如圖5所示，把原來不帶電的金屬殼B的外表面接地，將一帶正電的小球A從小孔中放入金屬殼內(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，B、C錯；B的空腔內(nèi)有帶正電的小球A產(chǎn)生的電場和金屬殼內(nèi)表面感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場，由電場疊加知，電場線的方向由A指向B，所以空腔內(nèi)電場強(qiáng)度不為零，A錯．

針對訓(xùn)練2(多選)如圖6所示，放在絕緣臺上的金屬網(wǎng)罩B內(nèi)放有一個不帶電的驗(yàn)電器C，如把一帶有正電荷的絕緣體A移近金屬網(wǎng)罩，則()圖6A．在B的內(nèi)表面帶正電荷B．在B的右側(cè)外表面帶正電荷C．驗(yàn)電器C的金屬箔片將張開D．B的左右兩側(cè)電勢相等答案BD解析靜電平衡時，電荷分布于導(dǎo)體的外表面上，所以選項(xiàng)A錯誤；由于產(chǎn)生靜電感應(yīng)，使B金屬網(wǎng)罩的左側(cè)外表面感應(yīng)出負(fù)電荷，所以B的右側(cè)外表面感應(yīng)出正電荷，選項(xiàng)B正確；由于靜電屏蔽，金屬網(wǎng)罩內(nèi)電場強(qiáng)度為零，故C上無感應(yīng)電荷，驗(yàn)電器的金屬箔片不會張開，選項(xiàng)C錯誤；由靜電屏蔽特點(diǎn)知，導(dǎo)體是等勢體，導(dǎo)體表面是等勢面，所以選項(xiàng)D正確．1．(靜電屏蔽)請用學(xué)過的電學(xué)知識判斷下列說法正確的是()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．小鳥停在單根高壓輸電線上會被電死D．打雷時，待在汽車?yán)锉却谀疚堇镆ｋU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，選項(xiàng)A錯誤；塑料油桶會因摩擦而帶電，因?yàn)樗芰鲜墙^緣材料，不能把電荷導(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；小鳥停在單根高壓輸電線上時，加在小鳥兩腿間的電壓非常小，小鳥不會被電死，選項(xiàng)C錯誤；打雷時，待在汽車?yán)铮嚨慕饘偻鈿て鸬届o電屏蔽的作用，而木屋沒有靜電屏蔽作用，所以待在汽車?yán)锉却谀疚堇镆踩?，選項(xiàng)D錯誤．故選B.2．(靜電平衡的理解)在點(diǎn)電荷－Q的電場中，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)的附加場強(qiáng)E′應(yīng)與－Q在A點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)等大反向，故A正確．3．(導(dǎo)體的電荷分布)金屬球殼(開口很小)原來帶有電荷，而驗(yàn)電器原來不帶電，如圖7所示，現(xiàn)將金屬球殼內(nèi)表面與驗(yàn)電器的金屬小球用細(xì)導(dǎo)線相連，驗(yàn)電器的金屬箔片將()圖7A．不會張開 B．一定會張開C．先張開，后閉合 D．可能會張開答案B解析金屬球殼上的凈電荷僅分布在外表面，細(xì)導(dǎo)線將球殼內(nèi)壁與驗(yàn)電器連接后，驗(yàn)電器看做是金屬球殼的外部．4．(靜電屏蔽)如圖8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)．外加一個水平向右的場強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場，對于最后的結(jié)果，下列判斷正確的是()圖8A．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)體空腔處于外電場中時，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的影響，故A不會偏轉(zhuǎn)，故A、B、C錯誤，D正確．故選D.一、選擇題考點(diǎn)一靜電平衡1．當(dāng)導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡時，場強(qiáng)方向的特征是()A．外電場E0消失B．感應(yīng)電荷產(chǎn)生的附加電場E′為零C．導(dǎo)體內(nèi)部的合電場E為零D．導(dǎo)體表面和內(nèi)部的合電場均為零答案C2．在一個導(dǎo)體球殼內(nèi)放一個電荷量為＋Q的點(diǎn)電荷，用E表示球殼外任一點(diǎn)的場強(qiáng)，則()A．當(dāng)＋Q在球殼中央時，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，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，只會影響球殼內(nèi)的負(fù)電荷分布，球殼外部帶正電荷會使外部場強(qiáng)不為零，所以A、B錯；球殼接地會使外部電荷導(dǎo)入大地，外部場強(qiáng)為零，故C錯，D對．3.如圖1所示為一空腔球形導(dǎo)體(不帶電)，現(xiàn)在將一個帶正電的小金屬球A放入空腔中，當(dāng)靜電平衡時，圖中a、b、c三點(diǎn)的場強(qiáng)E和電勢φ的關(guān)系是()圖1A．Ea>Eb>Ec，φa>φb>φcB．Ea＝Eb>Ec，φa＝φb>φcC．Ea＝Eb＝Ec，φa＝φb＝φcD．Ea>Ec>Eb，φa>φb>φc答案D解析畫出空腔導(dǎo)體內(nèi)外的電場線分布如圖所示，可以看出Eb＝0，由內(nèi)向外，電勢依次降低，φa＞φb＞φc；由電場線疏密可看出Ea＞Ec＞Eb.考點(diǎn)二導(dǎo)體的電荷分布4.如圖2所示，帶電體Q靠近一個接地空腔正方體導(dǎo)體，空腔里面無電荷，達(dá)到靜電平衡后，下列物理量中不等于零的是()圖2A．導(dǎo)體空腔內(nèi)任意點(diǎn)的場強(qiáng)B．導(dǎo)體空腔內(nèi)任意點(diǎn)的電勢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)的場強(qiáng)為0；電荷分布在導(dǎo)體左側(cè)外表面，空腔內(nèi)表面的電荷量為0；導(dǎo)體為等勢體，接地后電勢為0，故選C.5．一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3所示，則A、B帶電荷量分別為()圖3A．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，負(fù)電荷全部跑到外表面，內(nèi)壁電荷量為零，故B帶電荷量為零，A帶電荷量為正、負(fù)電荷電荷量之和，即QA＝2×10－8C，故選B.6．如圖所示，四組靜電實(shí)驗(yàn)中，能使左邊的驗(yàn)電器的金屬箔片張開的是()答案A解析處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體所帶的電荷都分布在導(dǎo)體的外表面，故A正確，B錯誤；C、D選項(xiàng)中由于靜電屏蔽的作用，驗(yàn)電器不受外電場的影響，故金屬箔片是閉合的．考點(diǎn)三靜電屏蔽7．(2017·湖州市期末)如圖4所示，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，這樣做的目的是()圖4A．銅絲編織的衣服不易拉破B．銅絲電阻小，對人體起到保護(hù)作用C．電工被銅絲衣服所包裹，使衣服內(nèi)場強(qiáng)為零D．電工被銅絲衣服所包裹，使衣服內(nèi)電勢為零答案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)合場強(qiáng)為零，故C正確．8.如圖5所示，A為空心金屬球，B為金屬球，A、B原來不帶電，將另一帶正電荷的小球C從A球開口處放入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