1819 第1章 7 静电现象的应用.docx

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1819第1章7静电现象的应用

7　静电现象的应用

学习目标

知识脉络（教师独具）

1.了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体的特性．（重点）

2．了解静电平衡时带电导体上电荷的分布特点．（难点）

3．了解尖端放电和静电屏蔽现象.

[自主预习·探新知]

[知识梳理]

一、静电平衡状态下导体的电场和电荷分布

1．静电感应现象：

处于电场中的导体，由于电场力的作用，电荷出现重新分布的现象．

2．静电平衡状态：

导体中（包括表面上）没有电荷定向移动的状态．

3．静电平衡状态的特征

（1）处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零．

（2）处于静电平衡状态的导体，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，导体的表面为等势面．

4．导体上电荷的分布

（1）导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面．

（2）在导体表面，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．

二、尖端放电和静电屏蔽

1．电离：

导体尖端的电荷密度很大，附近的场强很强，空气中的带电粒子剧烈运动，使空气分子被撞“散”而使正、负电荷分离的现象．

2．尖端放电：

导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异种离子与尖端的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象．

3．静电屏蔽：

静电平衡时，导体壳内空腔里的电场处处为零，外电场对壳内不会产生影响．

4．尖端放电和静电屏蔽的应用、防止

（1）尖端放电

①应用：

避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施．

②防止：

高压设备中导体的表面尽量光滑，减少电能的损失．

（2）静电屏蔽的应用

①电学仪器和电子设备外面会有金属罩，通讯电缆外面包一层铅皮，可以防止外电场的干扰．

②电工高压带电作业时，穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋子，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全作业．

[基础自测]

1．思考判断

（1）处于静电平衡状态的导体内部任意两点间的电势差为零．（√）

（2）静电平衡状态下的导体内部场强处处为零，导体的电势也为零．

（×）

（3）避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地．（×）

（4）用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，则验电器箔片能张开．（×）

（5）飞机轮上装有拖地线，油罐车后面拖条铁链都是把静电导入大地．

（√）

2．在手术时，为防止麻醉剂乙醚爆炸，地砖要用导电材料制成，医生和护士要穿由导电材料制成的鞋子和外套、一切设备要良好接地，甚至病人身体也要良好接地．这是为了（　　）

A．杀菌消毒　　　　　　　B．消除静电

C．利用静电D．防止漏电

B　[在可燃气体环境（如乙醚）中产生的静电，容易引起爆炸，应设法把产生的静电消除掉（如导入大地），因此选项B正确．]

3．（多选）关于静电感应和静电平衡，以下说法正确的是（　　）

【导学号：

55282067】

A．静电感应是由于导体内的自由电子受静电力作用的结果

B．导体内的自由电子都不运动称为静电平衡

C．处于静电平衡状态时，导体所占空间各处场强均为零

D．处于静电平衡状态时，导体内部将没有多余的“净”电荷

AD　[静电平衡是由于导体内的自由电子受静电力的作用而发生定向移动，最后达到稳定的状态，选项A正确；达到静电平衡后，自由电子不再定向移动，但是仍然做无规则的热运动，选项B错误；导体处于静电平衡时，电荷只分布在导体外表面上，导体内部没有多余的“净”电荷，选项D正确；导体处于静电平衡时，导体内部的场强为零，但导体表面的场强不为零，选项C错误．]

[合作探究·攻重难]

对静电平衡的理解

1．静电平衡状态的实质

由于静电感应，在导体两侧出现等量异种感应电荷，感应电荷在导体内部形成与电场E0反向的电场E′，在导体内任一点E′＝－E0，使得合电场强度E内＝0.

2．对孤立带电导体的理解

对一孤立带电导体，可视为导体处于自己所带电荷的电场中，达到静电平衡时，也有两个基本特点：

一是导体内部的场强处处为零，二是导体所带电荷只能分布在导体的外表面上．这种情况下导体内部场强为零的本质是：

导体表面所带全部电荷在内部任意一处产生的电场强度的矢量和为零．

3．对静电平衡时导体上电荷的分布的理解

（1）实心导体：

导体内部无电荷，电荷只分布在导体外表面上．

（2）空腔导体：

空腔内无电荷时，电荷分布在外表面上（内表面无电荷）；空腔内有电荷时，内表面因静电感应出现等量的异号电荷，外表面有感应电荷．

　AB是长为L的金属杆，P1、P2是位于AB所在直线上的两点，位置如图171所示，在P2点有一个带电荷量为＋Q的点电荷，试求出金属杆上的感应电荷在P1点产生的场强大小和方向．

图171

【解析】　由于金属杆处于静电平衡状态，P1点的合场强为零，因此金属杆上的感应电荷在P1点产生的场强与点电荷＋Q在P1点产生的场强大小相等、方向相反，从而得：

E＝k

，方向向右．

【答案】　k

　方向向右

感应电荷场强的求解思路

（1）求解外电场在该处场强的大小和方向．

（2）利用导体内部合场强处处为零和电场的叠加原理，求解感应电荷在该处的场强，此场强与外电场的场强大小相等，方向相反．

[针对训练]

1．在点电荷－Q形成的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆盘所在平面与点电荷在同一平面内，则能正确表示圆盘上感应电荷在圆盘中A点所激发的附加场强E′的方向的是（　　）

A　[由于圆盘处于静电平衡状态，感应电荷在圆盘中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，选项A正确．]

静电平衡导体的电荷分布及分析方法

1.“远近观”法：

处于静电平衡状态的导体，离场源电荷较近和较远的两端感应出等量的异种电荷，而导体的中间部分因感应电荷较少，可认为无感应电荷产生，如图172甲所示．

甲　　　　　　　　乙

图172

2．“整体观”法：

当两个或多个原来彼此绝缘的导体接触或用导线连接时，就可把它们看做是一个大导体，再用“远近观”判断它们的带电情况，如有些问题所提到的“用手触摸某导体”，其实就是导体通过人体与大地构成一个大导体．不要认为导体内部没有电荷，用导线连接带电体内部时，小球Q就不带电，其实它们连接后就已成为一个整体，故小球通过导线得到了电荷，如图172乙所示．

　（多选）如图173所示，在绝缘板上放有一个不带电的金箔验电器A和一个带正电荷的空腔导体B.下列实验方法中能使验电器箔片张开的是（　　）

图173

A．用取电棒C（带绝缘柄的导体棒）先跟B的内壁接触一下后再跟A接触

B．用取电棒C先跟B的外壁接触一下后再跟A接触

C．用绝缘导线把验电器A跟取电棒C的导体部分相连，再把取电棒C与B的内壁接触

D．使验电器A靠近B

【解析】　A项中取电棒先和B的内壁接触后，由于B的内壁本身没有电荷，所以再接触A时验电器箔片不张开；B项中可以使C球带电，从而使A带电；C项中用绝缘导线实际上是将验电器A和B连成了一个导体，A因接触而带电；D项中是感应起电；所以B、C、D项正确．

【答案】　BCD

[针对训练]

2.一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10－8C的正电荷，上端开有适当小孔，有绝缘柄的金属小球B带有2×10－8C的负电荷，使B球和A球内壁接触，如图174所示，则A、B带电荷量分别为（　　）

图174

A．QA＝10－8C，QB＝10－8C

B．QA＝2×10－8C，QB＝0

C．QA＝0，QB＝2×10－8C

D．QA＝4×10－8C，QB＝－2×10－8C

B　[A、B接触中和后净电荷只分布在空心金属球A的外表面上，故B项正确．]

对静电屏蔽的理解

1.静电屏蔽的实质

静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象，使金属壳内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．

2．静电屏蔽的两种情况

导体外部电场不影响导体内部

接地导体内部的电场不影响导体外部

图示

实现

过程

因场源电荷产生的电场与导体球壳表面上感应电荷在空腔内的合场强为零，达到静电平衡状态，起到屏蔽外电场的作用

当空腔外部接地时，外表面的感应电荷因接地将传给地球，外部电场消失，起到屏蔽内电场的作用

最终

结论

导体内空腔不受外界电荷影响

接地导体空腔外部不受内部电荷影响

本质

静电感应与静电平衡，所以做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体

　如图175所示，把原来不带电的金属壳B的外表面接地，将一带正电的小球A从小孔中放入球壳内，但不与B接触，达到静电平衡后，则（　　）

图175

A．B的空腔内电场强度为零

B．B不带电

C．B的外表面带正电

D．B的内表面带负电

【解析】　因为金属壳的外表面接地，所以外表面没有感应电荷，只有内表面有感应电荷分布，且由于A带正电，则B的内表面带负电，D对，B、C错；B的空腔内有带正电的小球A产生的电场和金属壳内表面感应电荷产生的电场，所以空腔内电场强度不为零，A错．

【答案】　D

处理静电屏蔽问题的注意点

（1）空腔可以屏蔽外界电场，接地的空腔可以屏蔽内部的电场作用，其本质都是因为激发电场与感应电场叠加的结果，分析中应特别注意分清是哪一部分电场作用，还是合电场作用的结果．

（2）对静电感应，要掌握导体内部的自由电荷是如何移动的，是如何建立起附加电场的，何处会出现感应电荷．

（3）对静电平衡，要理解导体达到静电平衡时所具有的特点．

[针对训练]

3．如图176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移近金属网罩B，则（　　）

【导学号：

55282068】

图176

A．金属网罩B的内表面带正电荷，φB＝φC＝0

B．金属网罩B的右侧外表面带正电荷

C．验电器的金属箔片将张开，φB<φC

D．φB≠φC，金属网罩B左、右两侧的电势不相等

B　[金属罩B处于静电平衡状态，电荷分布在其外表面上，所以A错误；由于静电感应，使金属罩B的左侧外表面感应出负电荷，所以金属罩B的右侧外表面感应出正电荷，B正确；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，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，D错误．]

[当堂达标·固双基]

1．下列防雷措施可行的是（　　）

①在大树下避雷雨；

②停留在山顶、山脊的凉亭等地方避雷雨；

③不要快速开摩托车、骑自行车或在雨中狂奔；

④在空旷地带，最好关掉手机电源．

A．①③　　　　　　　B．②③

C．①④D．③④

D　[表面具有突出尖端的导体，在尖端部分电荷分布密度很大，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．快速开摩托车、骑自行车或在雨中狂奔，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．故正确选项为D.]

2.如图177所示，一块光滑铁板水平放置，在铁板上方高为h处有带电荷量为＋Q的点电荷，一个带电荷量为＋q的绝缘小球从铁板的左端以初速度v0向右运动，并一直沿着铁板表面到达铁板的右端，则在小球通过铁板的过程中（　　）

【导学号：

55282069】

图177

A．先减速运动，后加速运动

B．先加速运动，后减速运动

C．先减速运动，后加速运动，再减速运动

D．一直匀速运动

D　[因为铁板处于静电平衡状态，其表面是等势面，因此铁板表面附近的电场强度与铁板处处垂直，小球在水平方向上不受力，因此一直以速度v0做匀速运动，D正确．]

3.如图178所示，带电体Q靠近一个接地空腔正方体导体，空腔里面无电荷，达到静电平衡后，下列物理量中不等于零的是（　　）

图178

A．导体空腔内任意点的场强

B．导体空腔内任意点的电势

C．导体外表面的电荷量

D．导体空腔内表面的电荷量

C　[静电平衡后导体空腔内任意点的场强为0；电荷分布在导体外表面，空腔内表面的电荷量为0；导体为等势体，接地后电势为0.]

（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（　　）

A．采用金属材料编织衣服的目的是使衣服不易拉破

B．采用金属材料编织衣服的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

BC　[屏蔽服的作用是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B、C正确，A、D错误．]