高中物理 第一章 静电场 17 静电现象的应用学案 新人教版选修31doc.docx

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高中物理第一章静电场17静电现象的应用学案新人教版选修31doc

第7节　静电现象的应用

[研究学考·明确要求]

知识内容

静电现象的应用

考试要求

选考b

发展要求

1.了解静电平衡的概念。

2．知道处于静电平衡的导体电荷分布的特点。

3．知道静电平衡的导体表面是等势面，整个导体是等势体。

4．知道处于静电平衡的导体腔内场强为零。

5．了解尖端放电现象和避雷针的工作原理，了解金属壳的静电屏蔽作用及其应用。

6．应用尖端放电、静电屏蔽的相关知识解释简单的现象。

[基础梳理]

1．静电感应现象：

如图1所示，把一个不带电的金属导体ABCD放到场强为E0的电场中，导体内的自由电子受到库仑力的作用，将向着与电场相反的方向定向移动。

这样，在导体的AB面上将出现负电荷，在CD面上将出现正电荷。

这就是静电感应现象。

图1

2．静电平衡状态：

导体两面出现的正负电荷在导体内部产生与E0方向相反的电场E′，当这两个电场叠加使导体内部各点的合电场等于零时，导体内的自由电子不再发生定向移动，导体达到了静电平衡状态。

3．处于静电平衡状态下导体的特征

（1）处于静电平衡状态下的导体，内部场强处处为零。

（2）处于静电平衡状态的导体，其外部表面附近任何一点的场强方向必跟该点的表面垂直。

（3）处于静电平衡状态的整个导体是个等势体，它的表面是个等势面，地球是一个等势体。

[典例精析]

【例1】长为l的导体棒原来不带电，现将一带电荷量为＋q的点电荷放在距棒左端R处，如图2所示。

当棒达到静电平衡后，棒上的感应电荷在棒内中点处产生的电场强度大小等于________，方向________。

图2

解析　导体棒在点电荷＋q产生的电场中发生静电感应，左端表面出现负电荷，右端表面出现正电荷。

棒内任何一点都有两个电场，即外电场（＋q在该点形成的电场E0）和附加电场（棒上感应电荷在该点形成的电场E′）。

达到静电平衡时棒内的电场为0，即E′＝E0。

题中所求的即为E′，于是我们通过上述等式转化为求E0。

棒的中点到＋q的距离为r＝R＋

，于是E′＝E0＝

，E′和E0的方向相反，即方向向左。

答案　

　向左

静电平衡状态下的导体内部的电场强度处处为零，即感应电荷产生电场的电场强度与外电场的电场强度等大反向。

本题中感应电荷是面分布且电荷量未知，虽然不能用E＝

求解感应电荷的电场，却能用静电平衡的特点巧妙地求解。

[即学即练]

1．如图3所示，在原来不带电的金属细杆ab附近P处，放置一个正点电荷，达到静电平衡后（　　）

图3

A．a端的电势比b端的高

B．b端的电势比d点的低

C．a端的电势不一定比d点的低

D．杆内c处场强的方向由c指向b

解析　首先画出电场线如图所示，沿电场线方向电势降低，b端的电势比d点的低，选项B正确；金属杆ab在静电平衡后是一个等势体，a端电势等于b端电势，二者均比d点电势低，选项A、C均错误；静电平衡后的导体内部场强为零，选项D错误。

答案　B

[基础梳理]

静电平衡时，导体上的电荷分布有以下两个特点：

（1）导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的表面。

（2）在导体外表面，越尖锐的位置电荷的密度（单位面积的电荷量）越大，凹陷的位置几乎没有电荷。

[典例精析]

【例2】如图4所示，两个相同的空心金属球M和N，M带电荷量为－Q，N不带电（M、N相距很远，互不影响），旁边各放一个不带电的金属球P和R，当将带正电Q的小球分别放入M和N的空腔中时（　　）

图4

A．P、R上均有感应电荷

B．P、R上均没有感应电荷

C．P上有而R上没有感应电荷

D．P上没有而R上有感应电荷

解析　本题考查静电屏蔽问题。

当将带正电Q的小球放入M的空腔中时，由于静电感应，M的内表面带负电，而外表面带正电，其电荷量为Q，它与原来金属球M外表面所带的电荷－Q正好中和，使外表面不带电。

这实际上是M所带电荷－Q被吸引至内表面，所以金属球M外部不存在电场，不能使P产生静电感应，P上没有感应电荷。

当将带正电Q的小球放入原来不带电的N的空腔中时，由于静电感应，N内表面带负电荷，外表面带正电荷，N外部有电场，使R产生静电感应，故选项D正确。

答案　D

（1）导体表面电荷分布往往不均匀，只有球形的带电导体且没有外界电场的影响下才会均匀分布。

（2）对于孤立导体，表面各处的面电荷密度和该处表面的曲率有关。

一般而言，曲率大处，面电荷密度大。

[即学即练]

2．如图5所示，把一个带正电的小球放入原来不带电的金属空腔球壳内并与内壁接触，其结果是（　　）

图5

A．只有球壳外表面带正电

B．只有球壳内表面带正电

C．球壳的内、外表面都带正电

D．球壳的内表面带正电，外表面带负电

解析　小球与金属球壳接触，就成了一个导体，由于静电平衡导体的电荷只分布在外表面上，故小球和内壁都不带电，正电荷全部分布在球壳外表面。

答案　A

[基础梳理]

1．尖端放电

（1）尖端放电

中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子。

这些带电粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子。

那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷。

这种现象叫做尖端放电。

（2）生活实例

避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。

当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反的电荷。

通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，同时将云层中的大量电荷导入地下，达到避免雷击的目的。

现代避雷针往往具有很多组金属尖棒，做成蒲公英花的形状，以增强避雷效果。

2．静电屏蔽

（1）静电屏蔽

把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，由于壳内电场强度保持为零，所以外电场对壳内的仪器不会产生影响。

金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。

（2）静电屏蔽的应用和危害

①应用：

电子仪器和电子设备外面套有金属网罩，通信电缆外包一层铅皮等，可防止外电场的干扰；电力工人高压带电作业时，身着的用金属丝网制成的衣帽、手套、鞋子，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全工作。

②危害：

航天飞机、飞船返回地球大气层时，由于飞船与大气层的高速摩擦而产生高温，在飞船的周围形成一层等离子体，它对飞船产生静电屏蔽作用，导致地面控制中心与飞船的通信联系暂时中断，对航天员来说，这是一个危险较大的时间段。

[典例精析]

【例3】下列防雷措施可行的是（　　）

A．在大树下避雷雨

B．停留在山顶、山脊的凉亭等地方避雷雨

C．要快速骑摩托车、快骑自行车和在雨中狂奔

D．在空矿地带，最好关掉手机电源

解析　表面具有突出尖端的导体，在尖端的电荷分布密度很大，使得其周围电场很强，就可能使其周围的空气发生电离而引发尖端放电。

因此不要在大树下避雨；别停留在山顶、山脊的凉亭等地方；快速骑摩托车、快骑自行车和在雨中狂奔，身体的跨步越大，电压就越大，雷电也越容易伤人；在空旷地带使用手机通话，手机很有可能成为闪电的放电对象。

故C错，D对。

答案　D

夜间看到的高压电线周围笼罩着的一层绿色光晕（电晕）就是一种微弱的尖端放电现象。

尖端放电致使高压线及高压电极上的电荷丢失，因此，凡对地有高压的导体（或两个相互有高压的导体），其表面都应尽量光滑。

[即学即练]

3．避雷针能够避免建筑物被雷击的原因是（　　）

A．云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地

B．避雷针的尖端向云层放电，中和了云层中的电荷

C．云层与避雷针发生摩擦，避雷针上产生的电荷被导入大地

D．以上说法都不对

解析　带电荷的云层靠近避雷针时，在避雷针尖端感应出与云层相反的电荷，达到一定程度就向空中放电，中和云层中的电荷，从而避免建筑物遭受雷击，所以只有B正确。

答案　B

[典例精析]

【例4】将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内（不和球壁接触），另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，如图6所示，下列说法正确的有（　　）

图6

A．A往左偏离竖直方向，B往右偏离竖直方向

B．A的位置不变，B往右偏离竖直方向

C．A往左偏离竖直方向，B的位置不变

D．A和B的位置都不变

解析　带正电的小球A放在不带电的空心球C内，通过静电感应，空心球外壳带正电，内壁带负电。

因此，金属空心球C和带电小球B带异种电荷，所以B受C球的吸引往右偏离竖直方向。

而由于空心球C能屏蔽小球B所产生的外部电场，使小球A不受外电场的作用，所以A的位置不变。

答案　B

静电屏蔽有两种类型，当外壳不接地时，可以屏蔽外电场对壳内的影响，但不能屏蔽壳内电荷电场对壳外的影响。

当外壳接地时，能屏蔽壳内电荷电场对壳外的影响。

[即学即练]

4．具有一定厚度的空心金属球壳的球心位置处放一正电荷，图中的四个图画出了其空间电场的电场线情况，符合实际情况的是（　　）

解析　球壳处于正电荷的电场中，达到静电平衡，球壳为等势体，电场线不会穿过球壳，故D选项正确。

答案　D

1．人造飞船返回地球经过大气层时，返回舱表面附近形成一个温度高达几千摄氏度的高温区。

高温区内的气体和返回舱表面材料的分子被分解和电离，这时返回舱与外界的联系会中断，出现这种现象的原因是（　　）

A．返回舱受到的万有引力消失

B．返回舱为了安全而暂时关闭通信系统

C．返回舱周围高温气体被电离成等离子体，从而对飞船起屏蔽作用

D．返回舱表面温度太高，如同火球，使得航天员看不见外面，外面也看不见返回舱里面

解析　由于高温区内的气体和返回舱表面材料的分子被分解和电离，对返回舱起到静电屏蔽作用，所以返回舱与外界信号中断，故A、B、D错误，C正确。

答案　C

2．在点电荷－Q的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆平面与点电荷在同一平面内，则盘上感应电荷在盘中A点所激发的附加场强E′的方向在下图中正确的是（　　）

解析　感应电荷在盘中A点激发的附加场强E′应与－Q在A点产生的场强等大反向，故A正确。

答案　A

3．电工穿的高压作业服是用铜丝编织的，下列说法正确的是（　　）

A．铜丝编织的衣服不易拉破

B．电工被铜丝衣服所包裹，使体内电势为零

C．电工被铜丝衣服所包裹，使体内电场强度为零

D．铜丝电阻小，能对人体起到保护作用

解析　高压线路的检修人员在进行高压作业时，要穿上用金属丝制成的高压作业服，相当于把人体用金属网罩起来。

这样，外部电场就不会影响到人体，从而避免了感应电流对人体的伤害。

故选项C正确。

答案　C

4．如图7所示，把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正电荷形成的电场中，导体处于静电平衡时，下列说法正确的是（　　）

图7

A．A、B两点场强相等，且都不为零

B．A、B两点的场强不相等

C．感应电荷产生的附加场强大小是|EA|<|EB|

D．当电键K闭合时，电子从大地沿导线向导体移动

解析　枕形导体处于静电平衡状态，其内部的A、B两点场强都为零，A错，B错；由于A离正电荷较近，正电荷在A点产生的场强较大，故感应电荷在A点产生的附加场强也较大，C错；电键K闭合时，电子从大地沿导线向导体定向移动，以中和枕形导体上的正电荷，最后使它显示负电性，D对。

答案　D

1．处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零是因为（　　）

A．导体内部无电场

B．外电场不能进入导体内部

C．所有感应电荷在导体内部产生的合场强为零

D．外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为零

解析　由静电感应和电场的叠加原理知D选项正确。

答案　D

2．在医疗手术中，为防止麻醉剂乙醚爆炸，地砖要用导电材料制成，医生护士要穿由导电材料制成的鞋子和棉布外套，一切设备要良好接地，甚至病人身体也要良好接地，这样做是为了（　　）

A．消除静电B．除菌消毒C．应用静电D．防止静电

解析　穿棉布外套是为了防止摩擦起电，摩擦产生的静电积累多了会产生电火花，而乙醚为易挥发物品，遇到火花或热源便会爆炸，所以穿导电材料制成的鞋子且接地良好，可及时导走产生的电荷，消除静电。

答案　A

3．小强在加油站加油时，看到加油机上有如图1所示的图标，关于图标涉及的物理知识及其理解，下列说法正确的是（　　）

图1

A．制作这些图标的依据是静电屏蔽的原理

B．工作人员工作时间须穿绝缘性能良好的化纤服装

C．化纤手套与接触物容易摩擦起电存在安全隐患

D．用绝缘的塑料梳子梳头应该没有关系

解析　这些图标是防止静电的发生，A错误；化纤手套、化纤衣服与接触物容易摩擦起电存在安全隐患，B错误，C正确；用绝缘的塑料梳子梳头，摩擦起电，存在安全隐患，D错误。

答案　C

4．在一个导体球壳内放一个电荷量为＋Q的点电荷，用E表示球壳外任一点的场强，则（　　）

A．当＋Q在球壳中央时，E＝0

B．不论＋Q在球壳内何处，E一定为零

C．只有当＋Q在球心且球壳接地时，E＝0

D．只要球壳接地，不论＋Q在球壳内何处，E＝0

解析　＋Q在球壳内任何位置，只会影响球壳内的负电荷分布，球壳外部带正电荷会使外部场强不为零，所以A、B错误；球壳接地会使外部电荷导入大地，外部场强为零，故C错误，D正确。

答案　D

5．如图2所示，原来不带电的金属球，现沿球直径的延长线上放置一个点电荷，球内直径上有三点a、b、c，场强大小分别为Ea、Eb、Ec，三点场强相比（　　）

图2

A．Ea最大B．Eb最大C．Ec最大D．Ea＝Eb＝Ec

解析　金属球处于电场中达到静电平衡，内部场强处处为零，故D选项正确。

答案　D

6．如图3所示，空心导体上方有一靠近的带有正电的带电体。

当一个重力不计的正电荷以速度v水平飞入空心导体内时，电荷将做（　　）

图3

A．向上偏转的类平抛运动B．向下偏转的类平抛运动

C．匀速直线运动D．变速直线运动

解析　电荷如何运动，由电荷的受力决定，而电荷的重力不计，则只需考虑电荷是否受电场力。

根据电场中导体的特点，即可判断。

空心导体处在带正电的带电体附近，根据电场中导体的特点，空心导体起到了静电屏蔽的作用，使得内部电场强度为零，电荷不受电场力的作用，所以做匀速直线运动，选项C正确。

答案　C

7．如图4所示，带正电的导体球A置于原来不带电的空腔导体球B内，a、c分别为导体A、B内的点，b为导体A和B之间的一点，下列说法正确的是（　　）

图4

A．a、b、c三点的电势都相等

B．a点的场强为零，但电势最高

C．b点的场强为零，但电势大于零

D．a、b、c三点的场强都为零

解析　导体A、B各为一个等势体，其内的各点场强为零，即Ea＝Ec＝0，带正电的A在B的内、外表面各感应出负、正电荷，A外B内的空间电场线方向由A指向B，Eb≠0，故电势φa>φb>φc>0，所以B正确，A、C、D错误。

答案　B

8．（2018·台州教学质量检测）将一带电荷量为＋Q的小球放在不带电的金属球附近，所形成的电场线如图5所示，金属表面电势处处相等，a、b为电场中的两点，则以下说法错误的是（　　）

图5

A．a点的电场强度比b点大

B．a点的电势比b点的高

C．试探电荷－q在a点的电势能比b点的大

D．将试探电荷＋q从a点移动到b点的过程中，电场力做正功

解析　根据电场线越密集场强越大知，a点电场强度比b点大，A正确；a点离带正电小球更近，电势比b点的高，B正确；由电势能公式知试探电荷－q在a点的电势能比b点的小，C错误；将试探电荷＋q从a点移动到b点的过程中，电势能减小，电场力做正功，D正确。

答案　C

9．（2018·3月台州质量评估）如图6所示，在“中国达人秀”舞台上，16岁的卢驭龙上演了这样一幕表演：

他站在电压达几万伏的电极旁边，轻松地把玩着“闪电”，却安然无恙。

据了解，他身上穿着一件特别的衣服叫“高压屏蔽服”。

制成这种“高压屏蔽服”的材料可能是（　　）

图6

A．玻璃B．木屑

C．塑料片D．金属丝

解析　处于静电平衡的导体是个等势体，内部场强处处为0，金属导体才能屏蔽外电场，故选项D正确。

答案　D

10．（2018·浙江东阳中学模拟）如图7为静电除尘机理示意图，废气先经过一个机械过滤装置再进入静电除尘区，带负电的尘埃在电场力的作用下向集尘极迁移并沉积，以达到除尘目的，图中虚线为电场线（方向未标）。

不考虑尘埃在迁移过程中的相互作用和电量变化，则（　　）

图7

A．电场线方向由放电极指向集尘极

B．图中A点电势高于B点电势

C．尘埃在迁移过程中做匀变速运动

D．尘埃在迁移过程中电势能减小

解析　带负电的尘埃在电场力的作用下向集尘极迁移并沉积，故电场线应由集尘极指向放电极，A错误；由对称性知，图中A点与A点关于放电极中心对称的A′点电势相等，均低于B点电势，B错误；电场为非匀强电场，C错误；尘埃在迁移过程中向电场力的方向偏折，电场力做正功，电势能减小，D正确。

答案　D

11．带电荷量为Q的正电荷距一很大的接地金属板的距离为a，如图8所示。

试求金属板对点电荷的作用力。

图8

解析　由于接地金属板很大，因此点电荷Q发出的电场线会全部终止并垂直于金属板，可见板左侧的电场和相距2a的等量异种点电荷产生的电场完全一致，则可用求相距为2a的等量异种电荷间的相互作用力来“等效”代替求感应电荷对Q的作用力，如图所示。

故感应电荷对Q的作用力F＝k

＝k

，方向由＋Q垂直指向金属板。

答案　k

　方向由Q垂直指向金属板

12．如图9所示，一厚度不计的金属圆桶带电荷量为Q＝＋4×10－6C。

图9

（1）此时，金属圆桶内、外表面带电荷量分别为多少？

（2）如果用丝线在金属圆桶内悬挂一带电荷量q＝－2×10－6C的金属小球。

①求金属圆桶内、外表面带的电荷量；

②若让金属圆桶内金属小球与内表面接触一下，则金属圆桶内、外表面带电荷量分别为多少？

③若金属小球悬挂时，先用手接触一下金属圆桶外表面，然后再将小球从金属圆桶中取出，则金属圆桶内、外表面带电荷量又为多少？

解析　

（1）由静电平衡条件，净电荷分布在导体的外表面，可得金属圆桶内表面带电荷量为0，外表面带电荷量为＋4×10－6C。

（2）①带负电金属小球移入金属圆桶内后，由于静电感应，内壁感应出2×10－6C的正电荷，相当于负电荷将等量的正电荷吸引到内壁。

由电荷守恒定律可知，外表面还有2×10－6C的正电荷。

②当金属小球与金属圆桶内表面接触时，金属小球所带负电荷迅速与内表面正电荷中和，从而内表面不带电，外表面带2×10－6C的正电荷。

③若金属小球悬挂时，先用手接触一下金属圆桶外表面，外表面的正电荷被中和，内表面正电荷受金属小球负电荷束缚，保持不动。

此时再将金属小球从金属圆桶中取出，则由于导体在静电平衡时，净电荷只能分布在外表面，内表面2×10－6C的正电荷将在电场力作用下移到外表面。

故外表面带2×10－6C的正电荷，内表面带电荷量为0。

答案　

（1）0　4×10－6C

（2）①2×10－6C　2×10－6C　②0　2×10－6C

③0　2×10－6C