第一章7 静电现象的应用高中物理选修31学案Word文档下载推荐.docx
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知识点4 静电屏蔽
1．定义
当金属外壳达到静电平衡时，内部__没有__电场，因而金属的外壳会对其__内部__起保护作用，使它__内部__不受__外部电场__影响的现象。
2．应用
电学仪器外面有__金属壳__，野外高压线上方还有__两条导线__与大地相连，都是利用静电屏蔽现象消除外电场的影响。
思考辨析
『判一判』
（1）静电平衡时，导体内的自由电子不再运动。
（ ×
）
（2）静电平衡时，导体内部场强为零。
（ √ ）
（3）静电平衡时，导体电势为零。
（4）静电平衡时，导体内部表现为电中性。
电荷都分布在外表面，导体内部没有净电荷。
（5）一个孤立的带电体，在自身所带电荷的电场中，处于静电平衡状态，不具有静电平衡的特点。
『选一选』
（多选）夏季，在雷云形成的过程中，由于摩擦起电一些云层带正电，另一些云层带负电，它们对大地的静电感应使地面产生异种电荷。
当云层与云层间或云层与地面间的“电势差”达到几万伏以上时，空气被击穿，暴发电闪雷鸣。
假如在户外我们遭遇雷电，下列防雷措施可行的是（ CD ）
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．不要快速开摩托、快骑自行车和在雨中狂奔
D．在空旷地带，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；
快速开摩托、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。
『想一想』
你知道家用电视机、收音机外壳的制作材料为何一般是塑料，而不用金属的主要原因吗？
若用金属制作家用电视机、收音机外壳，用电器的金属外壳就形成静电屏蔽，电磁信号就难以被电视机、收音机这类电磁波接收器接收，电视机、收音机就不能正常工作。
探究一 对静电平衡及其特点的理解
S
1
如图所示，当一个带电体靠近不带电导体时，由于导体内的自由电子受到静电力的作用，将向着与电场相反的方向定向移动，从而使导体两端出现等量异种电荷，这就是前面学习的静电感应现象。
（1）这种定向移动是无休止的吗？
（2）电荷的移动对导体内部的电场有影响吗？
（3）你能在图中画出等势面吗？
提示：
（1）不是
（2）有 （3）能（图略）
G
1．静电平衡实质
（1）在达到静电平衡的过程中，外电场引起导体内自由电荷的定向移动使导体两侧出现感应电荷，感应电荷的电场和外电场方向相反，使合场强减小，随着感应电荷的继续增加，合场强逐渐减小，直至合场强为零，自由电荷的定向移动停止。
（2）静电平衡的条件：
导体内部的合场强为零，即E合＝0。
2.
：
3．静电平衡导体的电荷分布特点
①内外表面分布不同，电荷都分布在外表面，导体内部没有净电荷。
②感应电荷分布于导体两端，电性相反，电量相等，远同近异，如图甲所示：
③净电荷在导体表面分布不均匀，导体表面尖锐处电荷分布密集，平滑处电荷分布稀疏，凹陷处几乎没有电荷，如图乙所示：
特别提醒：
（1）一个孤立的带电体，在自身所带电荷的电场中，处于静电平衡状态，具有静电平衡的所有特点。
（2）人与大地都是导体，在人摸（触）导体的过程中，带电体、人、大地组成一个新导体，达到静电平衡状态。
D
典例1 （多选）如图所示，接地的金属板右侧有固定的点电荷＋Q，a、b两点是金属板右侧表面上的两点，其中a到＋Q的距离较小，下列说法正确的是（ BCD ）
A．由于静电感应，金属板右侧表面带负电，左侧表面带正电
B．由于静电感应，金属板右侧表面带负电，左侧表面不带电
C．整个导体，包括表面上的a、b两点，是一个等势体，且电势等于零
D．a、b两点的电场强度不为零，且a、b两点场强方向相同
解题指导：
正确理解处于静电平衡状态的导体的特点是处理此类问题的关键。
金属板左侧接地，金属板与地球形成了一个导体，金属板相当于近端，而地球相当于远端，根据感应电荷“近异远同”的分布特点，A错，B对；
由处于静电平衡状态导体的特点可知，a、b两点电势相等，接地后电势等于零，C对；
金属板是一个等势体，电场线垂直于金属板表面向左，所以a、b两点的场强方向相同，D对。
〔对点训练1〕 （多选）如图所示，在水平放置的光滑接地金属板中点的正上方，有带正电的点电荷Q，一表面绝缘带正电的金属球（可视为质点，且不影响原电场）自左以速度v0开始在金属板上向右运动，在运动过程中（ BC ）
A．小球做先减速后加速运动B．小球做匀速直线运动
C．点电荷Q对小球的库仑力不做功D．电场力对小球先做正功后做负功
金属板在Q的电场中达到静电平衡时，金属板是一个等势体，表面是一个等势面，表面的电场线与表面垂直，小球所受电场力与金属板表面垂直，在金属板上向右运动的过程中，电场力方向与位移方向垂直，对小球不做功，根据动能定理得知，小球的动能不变，速度不变，所以小球做匀速直线运动，故选BC。
探究二 对静电屏蔽的理解
2
飞机在云层与云层之间飞行或起飞、着陆时都有可能遭遇雷击。
但是当飞机遭遇雷击时，电流可以从雷电云达到飞机头部，纵向流过机身外壳，最后从机尾凌空打到地上或从其中一机翼打过另一机翼，横向流过机身，但不管怎样，闪电都只会沿着飞机外壳流过，而不会进入机内对乘客造成伤害，你知道这是为什么吗？
飞机外壳是金属材料的，它会在雷击时形成静电屏蔽，保护飞机内的乘客。
1．静电屏蔽的实质
静电屏蔽实质是利用了静电感应现象，使金属壳内的感应电荷的电场和外加电场矢量和为零，好像是金属壳将外电场“挡”在外面，即所谓的屏蔽作用，其实是壳内两种电场并存，矢量和为零而已。
2．静电屏蔽的两种情况
（1）金属壳内部不受外部影响
如图：
把验电器靠近带电体，箔片会张开，但如果把验电器置于金属网罩内，再靠近带电体，箔片不再张开，说明网罩内不受外电场的影响。
（2）接地的封闭导体壳，内部电场对外部没有影响
如一封闭的导体壳内部空间某点有一点电荷＋q。
由于静电感应，导体壳内外表面感应出等量的异种电荷。
其电场线如图甲所示，当把导体壳接地后，＋q在壳内的电场对壳外空间就没有影响了，如图乙所示。
（1）接地的空腔导体，腔外电场对腔内空间不产生影响，腔内电场对腔外空间也不产生影响，即内外互不影响。
（2）空腔导体不接地，腔外电场对腔内空间不产生影响，腔内电场对腔外空间产生影响。
典例2 （多选）下图中P是一个带电体，N是一个不带电的金属空腔，在哪些情况下，放在绝缘板上的小纸屑（图中S）不会被吸引（ AD ）
不接地的空腔物体可以屏蔽外界电场，接地的空腔物体可以屏蔽内部的电场，其本质都是由于外界电场与感应电场叠加的结果，分析中应特别注意分清原电荷产生的电场、感应电场以及叠加后的合电场。
小纸屑是绝缘体，当处于电场中时，虽不会像导体一样出现电荷的定向移动，但内部的极性分子也会在电场力的作用下移动，使异种电荷一端更靠近施感电荷，因而也会受到施感电荷的吸引力。
A中由于静电屏蔽，P的电场影响不到导体N
的内部，即N内部无电场，所以S不会被吸引，A正确。
B中N没有接地，P的电场会影响到N的外部，即S处有电场，S会被吸引。
C中P和S都处于导体N的外部，S处有电场，会被吸引。
D中N被接地，内部电场不影响导体外部，即S处无电场，不会被吸引，D正确。
〔对点训练2〕 （多选）如图所示，电力工作人员在几百万伏的高压线上进行带电作业，电工全身穿戴带电作业用的屏蔽服，屏蔽服是用导电金属材料与纺织纤维混纺交织成布后再做成的服装，下列说法正确的是（ BC ）
A．采用金属材料编织的衣服目的是使衣服不易拉破
B．采用金属材料编织的衣服目的是利用静电屏蔽
C．电工穿上屏蔽服后，体内场强为零
D．电工穿上屏蔽服后，体内电势为零
屏蔽服的作用是在穿用后，使处于高压电场中的人体外表面各部位形成一个等势屏蔽面，从而防护人体免受高压电场及电磁波的危害；
等势面说明电势相等而不是等于0，而电场中的导体内的电场强度为0，所以BC正确，AD错误。
静电的应用与防止
静电应用依据的物理原理几乎都是让带电的物质粒子在电场力的作用下，奔向并吸附到电极上。
（2）危害：
静电由于吸附尘埃会给印刷、合成纤维等工业生产带来危害。
静电对高精密仪器有干扰甚至毁坏作用。
静电的最大危害是有可能因静电火花点燃某些易燃物质而引起爆炸。
（3）防止：
最简单而又最可靠的办法是用导线把设备接地，这样可以把电荷引入大地，避免静电积累。
油罐车尾部拖的铁链就是一根接地线。
调节空气的湿度也是防止静电危害的有效方法。
案例 （多选）（2019·
浙江省杭州市高二上学期期末）关于静电现象的防止与应用，下列说法中正确的是（ ABD ）
A．在自助加油站给汽车加油时，应禁止梳头或穿脱衣服
B．高压输电线上方的两条导线与大地相连，可以把高压输电线屏蔽起来，免遭雷击
C．处于静电平衡状态的导体上的感应电荷在其内部形成的电场强度为零
D．避雷针的作用是通过尖端放电，中和大气中的电荷，降低云层与大地的电势差
在自助加油站给汽车加油时，应禁止梳头或穿脱衣服，避免梳头或穿脱衣服产生的静电火花，引起火灾，故A正确；
高压输电线上方的两条导线与大地相连，起到屏蔽作用，避免输电线路雷击事故的发生，故B正确；
处于静电平衡状态的导体上的感应电荷在其内部形成的电场与原电场的电场大小相等，方向相反，不等于零，故C错误；
雷电是云层与大地之间或云层之间的放电现象，避雷针的作用是通过尖端放电，中和大气中的电荷，降低云层与大地的电势差，故D正确。
1．（2019·
山东省潍坊市五县（市）区高二上学期联考）每到夏季，我国各地纷纷进入雨季，雷雨等强对流天气频繁发生。
当我们遇到雷雨天气时，一定要注意避防雷电。
下列说法错误的是（ C ）
A．不宜使用无防雷措施的电器或防雷措施不足的电器及水龙头
B．不要接触天线、金属门窗、建筑物外墙，远离带电设备
C．固定电话和手提电话均可正常使用
D．在旷野，应远离树木和电线杆
表面具有突出尖端的导体，在尖端处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。
固定电话和手提电话的天线处有尖端，易引发尖端放电造成人体伤害，故不能使用。
2．（2019·
四川省三台中学实验中学高二上学期检测）小强在加油站加油时，看到加油机上有如图所示的图标，关于图标的含义，下列说法正确的是（ C ）
A．工作人员工作时间须穿纯棉服装
B．用绝缘的塑料梳子梳头应该没有关系
C．化纤手套与接触物容易摩擦起电存在安全隐患
D．制作这些图标的依据是静电屏蔽原理
加油站中由于静电会引起汽油的燃烧发生危险，故应避免一些引起静电的行为。
工作人员在工作时应避免产生静电，可以穿纯棉衣服，但不是必需的；
故A错误；
用塑料梳子梳头时会产生静电，会引起静电，故B错误；
化纤手套与接触物容易摩擦起电，故会引起静电，从而引起油料燃烧的危险；
故C正确；
这些图标都是为了减少静电的产生；
不是静电屏蔽；
故D错误。
3．（多选）（2019·
浙江鲁迅中学期中考试）如图所示，放在绝缘台上的金属网罩B内放有一个不带电的验电器C，若把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则（ AD ）
A．在B的外表面出现感应电荷
B．在B的内表面出现正电荷
C．验电器的金属箔片将张开
D．B的左右两侧电势相等
静电平衡时，B的左端出现负电荷，右端出现正电荷，选项A正确；
处于静电平衡状态的导体净电荷只能分布在外表面上，选项B错误；
由于静电屏蔽，金属网罩内电场强度为零，故C上无感应电荷，验电器的金属箔片不会张开，选项C错误；
由静电屏蔽特点知，导体是等势体，导体表面是等势面，所以选项D正确。
[练案7]
基础夯实
一、选择题（1～4题为单选题，5、6题为多选题）
1．静电喷涂利用了电荷之间的相互作用，其喷涂原理如图所示，则下列说法正确的是（ A ）
A．涂料微粒一定带正电
B．涂料微粒一定带负电
C．涂料微粒可能带正电，也可能带负电
D．喷嘴与工件之间的电场为匀强电场
根据电荷间的相互作用特点结合题目中现象图分析。
静电喷涂的原理就是让带电的涂料微粒在强电场的作用下被吸附到工件上，而达到喷涂的目的，喷嘴与工件之间的电场是非匀强电场，选项D错误；
由题图知，待喷涂工件带负电，所以涂料微料应带正电，选项A正确，B、C错误。
2．具有一定厚度的空心金属球壳的球心位置处放一正电荷，下列四幅图画出了其空间电场的电场线情况，符合实际情况的是（ D ）
球壳处于正电荷的电场中，达到静电平衡，球壳为等势体，球壳的内外表面之间的导体内部场强处处为零，故D选项正确。
3．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P点所激发的附加场强E′的方向在图中正确的是（ A ）
由于金属圆盘处于静电平衡状态，金属圆盘内各点合场强为零，所以感应电荷的场强与点电荷的场强等大反向。
又因为点电荷的电场沿P点与点电荷的连线指向点电荷，所以感应电荷产生的电场方向沿P点与点电荷的连线向外。
选项A正确。
4．一个带有绝缘底座的空心金属球壳A上均匀带有4×
10－8C的正电荷，有绝缘柄的金属小球B上带有2×
10－8C的负电荷，使B球与球壳A内壁接触。
如图所示，则A、B带电荷量分别为（ B ）
A．QA＝1×
10－8C，QB＝1×
10－8C
B．QA＝2×
10－8C，QB＝0
C．QA＝0，QB＝2×
D．QA＝4×
10－8C，QB＝－2×
由于A、B带异种电荷，接触以后，要先中和掉一部分电荷，中和以后可以把A、B看作一个整体，对于这个整体来说，由于静电平衡它的内壁和B球将无净电荷的分布。
所以QA＝2×
10－8C，QB＝0。
5．如图所示，用起电机使金属鸟笼带电，站在金属架上的鸟安然无恙，且不带电，其原因是（ BC ）
A．鸟的脚爪与金属架绝缘
B．鸟与笼电势相同，无电势差
C．鸟笼内部场强为零，电荷分布在笼的外表面
D．起电机使笼带电，笼的电势不会很高
由于金属鸟笼的静电屏蔽作用，使得鸟笼内部场强为零，电荷分布在笼的外表面，C正确；
处于静电平衡状态的鸟笼是一个等势体，其上各点电势都相等，故B正确；
鸟的脚爪与金属架不是绝缘的，A错误；
起电机使鸟笼带电，电势可以达到很高，D错误。
6．随着人们生活水平的提高，各种家用电器日益走入我们的居家生活，而家用电器所产生的静电荷会被人体吸收并积存起来，加之居室内墙壁和地板多属绝缘体，空气干燥，因此更容易受到静电干扰。
由于老年人的皮肤相对年轻人干燥以及老年人心血管系统的老化、抗干扰能力减弱等因素，因此老年人更容易受静电的影响。
心血管系统本来就有各种病变的老年人，静电更会使病情加重。
过高的静电还常常使人焦躁不安、头痛、胸闷、呼吸困难、咳嗽。
我们平时生活中就应当采取措施，有效防止静电，下列可行的是（ ABD ）
A．室内要勤拖地、勤洒些水
B．要勤洗澡、勤换衣服
C．选择柔软、光滑的化纤类衣物
D．尽量避免使用化纤地毯和塑料为表面材料的家具
室内要保持一定的湿度，室内要勤拖地、勤洒些水；
要勤洗澡、勤换衣服，以消除人体表面积聚的静电荷。
对于老年人，应选择柔软、光滑的棉纺织衣物，尽量不穿化纤类衣物，以使静电的危害减少到最低限度；
尽量避免使用化纤地毯和以塑料为表面材料的家具，以防止摩擦起电。
二、非选择题
7．如图所示，一导体AB放在一负电荷的电场中，导体AB与大地是绝缘的，当导体处于静电平衡时，
（1）比较A端和B端电势的高低。
（2）比较A点和B点场强大小。
（3）比较A、B端外表面场强大小。
（4）若A端接地，AB导体带什么电？
（5）若把A端和B端用导线连接，A、B端电荷中和吗？
答案：
（1）AB导体处于静电平衡状态，是等势体，φA＝φB。
（2）A点和B点场强均为零，EA＝EB＝0。
（3）利用电场线分布可知A端分布密，E′A>
E′B。
（4）AB导体处于负电荷的电场中，其电势低于大地的零电势，负电荷要从AB流向大地，则导体带正电，与A、B哪端接地无关。
（5）A端和B端等势，电荷不沿导体移动，电荷不会中和。
能力提升
一、选择题（1～3题为单选题，4、5题为多选题）
1．某农村小塑料场的高频热合机产生的电磁波频率和电视信号频率接近，由于该村尚未接通有线电视信号，空中的信号常常受到干扰，在电视荧屏上出现网状条纹，影响正常收看。
为了使电视机不受干扰，可采取的办法是（ D ）
A．将电视机用一金属笼子罩起来
B．将电视机用一金属笼子罩起来，并将金属笼子接地
C．将高频热合机用一金属笼子罩起来
D．将高频热合机用一金属笼子罩起来，并将金属笼子接地
为了使电视机能接收电磁波信号，但又不接收高频热合机产生的电磁波，应将高频热合机产生的电磁波信号屏蔽，而接地金属笼子具有屏蔽内电场的作用，故选项D正确。
2．一个匀强电场的电场线分布如图甲所示，把一个空心导体引入到该匀强电场后的电场线分布如图乙所示。
在电场中有A、B、C、D四个点，下面说法正确的是（ B ）
A．φA＝φB B．φB＝φC
C．EA＝EBD．EB＝EC
由于空心导体为等势体，所以φB＝φC，选项A错B对；
由于A、B、C三处的电场线的疏密程度不同，所以电场强度也不相同，选项C、D错。
3．如图所示是模拟避雷针作用的实验装置，则有关放电的论述正确的是（ A ）
A．A放电 B．B放电
C．A、B一起放电D．A、B之间放电
由题图知，A为尖头、B为圆头。
当金属板M、N接在高压电源上时，因末端越尖越容易放电，故A容易放电，选项A正确。
4．低碳环保是我们追求的生活方式。
如图所示，是一个用来研究静电除尘的实验装置，处于强电场中的空气分子会被电离为电子和正离子，将铝板与手摇起电机的正极相连，缝被针与手摇起电机的负极相连，在铝板和缝被针中间放置点燃的蚊香。
转动手摇起电机，蚊香产生的烟雾会被电极吸附，停止转动手摇起电机，蚊香的烟雾又会被电极吸附，停止转动手摇起电机，蚊香的烟雾又会袅袅上升。
关于这个现象，下列说法中正确的是（ BD ）
A．烟尘因为带正电而被吸附到缝被针上
B．同一烟尘颗粒在被吸附过程中离铝板越近速度越大
C．同一烟尘颗粒在被吸附过程中离铝板越近速度越小
D．同一烟尘颗粒在被吸附过程中如果带电荷量不变，离铝板越近则加速度越小
中性空气分子在强电场中被电离成电子和带正电的离子，烟尘颗粒吸附电子后带上负电，在电场力作用下向铝板做加速运动。
故B对，A、C错；
因铝板与缝被针间的电场线形状相当于横向放置的锥形体，离铝板越近，电场线越稀疏，场强越小，烟尘颗粒受电场力越小，加速度越小。
故D对。
5．如图所示，四组静电实验中，能使左边的验电器的金箔张开的是（ AC ）
处于静电平衡状态下的导体所带的电荷都分布在导体的外表面，用导线连接之后，左边的金箔也是外表面，故A、C正确，B错误。
D选项中由于静电屏蔽的作用，验电器不受外电场的影响，故金箔是闭合的。
6．在开口的绝缘金属壳A的内部有一带正电的小球Q，球壳外用绝缘线吊有一带负电的小球B，如图所示，在下列三种情况中，B球受到A的作用力吗？
若受A的作用，是吸引力还是排斥力？
（1）Q不跟A接触，如图①所示。
（2）Q跟A接触，如图②所示。
（3）Q不跟A接触，但A接地，如图③所示。
（1）B球受到A的吸引力而向右偏
（2）B球受到A的吸引力而向右偏 （3）B球不受A的作用力
（1）如图①所示，Q不跟A接触，A的内、外表面分别感应出等量的负、正电荷，故B受到引力向右偏移。
（2）如图②所示，Q跟A接触后组成一个新的等势体，A的外表面带正电，对B产生引力，使之右偏。
（3）如图③所示，Q不跟A接触，但A接地，A与大地组成一个等势体，A的外部场强为零，B不受电场力作用。
7．（2019·
北京市昌平区高二上学期期末）如图所示，一个原来不带电的半径为r的金属球放在绝缘支架上，其水平左侧放置一个电荷量为＋Q的点电荷，点电荷到金属球左端的距离为2r。
（1）分析在金属球上感应电荷的分布情况；
（2）求点电荷＋Q在金属球球心O点处产生的场强大小E0；
（3）求金属球上感应电荷在球心O点处产生的场强大小E＇，并说明方向。
（1）左侧感应出负电荷，右侧感应出正电荷
（2）k
（3）k
，方向向左
（1）在金属球的左侧感应出负电荷，右侧感应出正电荷。
（2）设在O放置一检验电荷q，＋Q与q间的库仑力为
F＝k
由场强定义E＝
得：
E0＝k
（3）由于静电平衡后，O点的合场强为0，所以感应电荷在O点处产生的场强E＇与E0等大反向。
E′＝E0＝k
，方向向左。
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