版物理同步新导学案人教选修 12.docx

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版物理同步新导学案人教选修12

7　静电现象的应用

[学科素养与目标要求]　

物理观念：

1.知道什么是静电平衡状态，能说出静电平衡状态下的导体特点.2.知道导体上电荷的分布特征，了解尖端放电、静电屏蔽现象及其成因．

科学探究：

1.观察演示实验并对实验现象分析，体会运用所学知识进行分析推理的方法.2.查阅并搜集资料，了解静电屏蔽在技术和生活中的应用．

科学思维：

会根据静电平衡条件求解感应电荷产生的场强．

一、静电平衡状态下导体的电场和电荷分布

1．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．

2．静电平衡状态的特征：

（1）处于静电平衡状态的导体，内部的电场处处为0.

（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．

3．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．

二、尖端放电和静电屏蔽

1．空气的电离：

导体尖端电荷密度很大，附近的电场很强，强电场作用下的带电粒子剧烈运动，使分子中的正负电荷分离的现象．

2．尖端放电：

与导体尖端异号的粒子，由于被吸引，而与尖端上电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象．

尖端放电的应用与防止：

（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会减少电能的损失．

3．静电屏蔽：

金属壳（网）内电场强度保持为0，外电场对壳（网）内的仪器不会产生影响的作用叫做静电屏蔽．

静电屏蔽的应用：

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．

判断下列说法的正误．

（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）静电平衡时，导体内的自由电子处于静止状态．（×）

（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）电工穿的高压作业服是用铜丝编织的，目的是铜丝衣服有屏蔽作用，使体内场强为零．（√）

一、静电平衡状态下的导体

如图所示，不带电的金属导体放到电场中，导体内的自由电子将发生定向移动，使导体两端出现等量异号电荷．请思考下列问题：

（1）自由电子定向移动的原因是什么？

定向移动的方向如何？

（2）自由电子能否一直定向移动？

为什么？

答案　

（1）自由电子受外加电场的电场力作用而移动，向着与电场相反的方向定向移动．

（2）不能．感应电荷产生的电场与外加电场反向，阻碍电子的定向移动，当这两个电场大小相等时，电子的定向移动终止．

1．处于静电平衡状态的导体内部场强为零的本质是外电场E0和感应电荷产生的电场E′的合场强为0，即E0＝－E′.

2．孤立的带电导体处于静电平衡状态，内部场强为0的本质是分布在导体外表面的电荷在导体内部的合场强为0.

3．处于静电平衡的导体是等势体，表面是等势面，所以导体表面的电场线应与导体表面垂直．

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1所示．当棒达到静电平衡后，棒上的感应电荷在棒内中点P处产生的电场强度大小等于，方向为．

图1

答案　

　向左

解析　导体棒在点电荷＋q的电场中发生静电感应，左端出现负电荷，右端出现正电荷，棒中任意一点都受两个电场的影响，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′），达到静电平衡状态时E′＝－E0.题中所求的即为E′，E′＝－E0＝－

＝－

，负号代表E′和E0方向相反，即方向向左．

点拨：

求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的场强的方法是：

（1）先求出外电场场强E外的大小和方向．

（2）由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡条件E合＝0.

（3）由E外＋E感＝0，求出感应电场E感的大小和方向．

针对训练1　（多选）如图2所示，带负电的点电荷旁有一接地大金属板，A为金属板内的一点，B为金属板左侧外表面上的一点，下列关于金属板上感应电荷在A点和B点的场强方向判断正确的是（　　）

图2

A．感应电荷在A点的场强沿E1方向

B．感应电荷在A点的场强沿E2方向

C．感应电荷在B点的场强可能沿E3方向

D．感应电荷在B点的场强可能沿E4方向

答案　BC

解析　金属板内的电场强度处处为0，则感应电荷的电场与点电荷的电场等大反向，即感应电荷在A点的场强沿E2方向，选项B正确；金属板表面的电场强度垂直表面向外，即为感应电荷的电场与点电荷的电场的合场强，则感应电荷在B点的场强可能沿E3方向，选项C正确．

[学科素养]　静电平衡是外部电荷电场与感应电荷电场叠加的总体效果，通过分析以上两个题目，锻炼了学生的思维能力，体现了“科学思维”的学科素养．

二、导体上电荷的分布

静电平衡时，导体上的电荷分布有：

（1）净电荷只分布在导体表面，内部没有净电荷．

（2）感应电荷分布于导体两端，电性相反，电荷量相等，近异远同，如图3甲所示．

（3）净电荷在导体表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集，如图乙所示．

甲　　　　　　　　　　乙

图3

例2

　如图4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接触，其结果可能是（　　）

图4

A．只有球壳外表面带正电

B．球壳的内表面带负电，外表面带正电

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

答案　A

解析　小球与球壳接触构成一个新导体，它的电荷量都分布在新导体的外表面，即只有球壳外表面带正电，A对，B、C、D错．

针对训练2　（多选）如图5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5

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．用带绝缘外皮的导线把验电器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

答案　BCD

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项中可以使取电棒带电，从而使A带电；C项中用带绝缘外皮的导线实际上是将验电器A和C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．

三、尖端放电　静电屏蔽

（1）避雷针是利用尖端放电保护建筑物的一种设施，其原理是什么？

（2）处于静电平衡状态的导体，其内部场强处处为零，若导体是空心的，则空心部分的场强怎样？

静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的？

答案　

（1）导体尖端的电荷密度很大，附近的电场很强，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动，把空气中的气体分子撞“散”，也就是使分子中的正、负电荷分离．这个现象叫做空气的电离．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．

（2）空心部分场强为零．静电屏蔽是利用“处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零”，即使内部有自由电子，受到的电场力也为0，自由电子不发生定向移动．

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

例3

　如图6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从小孔中放入金属壳内，但不与B接触，达到静电平衡状态后，则（　　）

图6

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

答案　D

解析　因为金属壳的外表面接地，所以外表面无感应电荷，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，由电场叠加知，电场线的方向由A指向B，所以空腔内电场强度不为零，A错．

针对训练3　（2018·北大附中高二月考）如图7所示，较厚的空腔球形导体壳中有一个正点电荷，则图中a、b、c、d各点的电场强度大小关系为（　　）

图7

A．Ea>Eb>Ec>Ed

B．Ea>Ec＝Ed>Eb

C．Ea>Ec>Ed>Eb

D．Ea

答案　C

解析　当静电平衡时，空腔球形导体壳内壁感应出负电荷，外壁感应出正电荷，感应电荷形成的场强与点电荷形成的电场叠加，导致空腔球形导体壳中场强为零．画出电场线的大致分布如图所示．由于a处电场线较密，c处电场线较疏，d处电场线最疏，b处场强为零，则Ea>Ec>Ed>Eb，C正确.

1．（静电屏蔽）请用学过的电学知识判断下列说法正确的是（　　）

A．电工穿绝缘衣比穿金属衣安全

B．制作汽油桶的材料用金属比用塑料好

C．小鸟停在单根高压输电线上会被电死

D．打雷时，待在汽车里比待在木屋里要危险

答案　B

解析　电工穿绝缘衣容易产生大量的静电，反而比较危险，选项A错误．塑料油桶会因摩擦而带电，因为塑料是绝缘材料，不能把电荷导走，所以塑料油桶内易产生火花导致塑料油桶爆炸，选项B正确．小鸟停在单根高压输电线上时，加在小鸟两脚间的电压非常小，小鸟不会被电死，选项C错误．打雷时，待在汽车里，汽车的金属外壳起到静电屏蔽的作用，而木屋没有静电屏蔽作用，所以待在汽车里比待在木屋里要安全，选项D错误．

2．（静电平衡的理解）（2018·庆阳一中高二期中）在点电荷－Q的电场中，一金属球处于静电平衡状态，A为球内一点，B为球外表面附近一点，则球上感应电荷在A点和B点所激发的附加场强EA′和EB′的方向在下列几个选项对应的图中最有可能的是（　　）

答案　C

解析　金属球达到静电平衡后，金属球内各点的合场强为零，感应电荷产生的电场强度与点电荷－Q产生的电场强度大小相等、方向相反，点电荷－Q在A点产生的场强方向指向－Q，则感应电荷在A点激发的附加场强背离－Q；因球处于静电平衡时，球面是等势面，电场线与等势面垂直，故在B点的合场强方向沿OB方向指向球外，而－Q在B点产生的场强方向指向－Q，根据矢量合成可得球面的感应电荷在B点产生的场强方向；综上所述只有选项C最有可能．

3．（导体的电荷分布）一带有绝缘底座的空心金属球壳A带有4×10－8C的正电荷，有绝缘柄的金属小球B带有2×10－8C的负电荷，使B球与球壳A内壁接触，如图8所示，则A、B带电荷量分别为（　　）

图8

A．QA＝＋1×10－8C，QB＝＋1×10－8C

B．QA＝＋2×10－8C，QB＝0

C．QA＝0，QB＝＋2×10－8C

D．QA＝＋4×10－8C，QB＝－2×10－8C

答案　B

解析　B与A接触后，负电荷全部分布在外表面，内壁电荷量为零，故B带电荷量为零，A带电荷量为正、负电荷中和后的电荷量，即QA＝＋2.0×10－8C，故选B.

4．（尖端放电现象的应用与防止）下列应用与防护不属于尖端放电现象的是（　　）

A．一般高压设备中导体的表面应该尽量光滑

B．一般马路表面建造的很平滑

C．夜间高压线周围会出现一层绿色光晕

D．一般高楼大厦顶部装有避雷针

答案　B

解析　马路表面建造的很平滑与静电无关，A、C、D属于尖端放电现象，故选B.

5．（静电平衡状态导体特点）（2016·江苏单科）一金属容器置于绝缘板上，带电小球用绝缘细线悬挂于容器中，容器内的电场线分布如图9所示．容器内表面为等势面，A、B为容器内表面上的两点，下列说法正确的是（　　）

图9

A．A点的电场强度比B点的大

B．小球表面的电势比容器内表面的低

C．B点的电场强度方向与该处内表面垂直

D．将检验电荷从A点沿不同路径移到B点，电场力所做的功不同

答案　C

解析　由电场线的疏密表示电场强度大小可知，A点的电场强度比B点的小，A项错误；沿电场线的方向电势逐渐降低，B项错误；容器的内表面为一等势面，内表面处各点场强的方向与等势面垂直，C项对；容器内表面为等势面，在等势面上移动电荷，电场力不做功，D项错误．

6．（感应电荷场强的计算）如图10所示，点电荷A和B带电荷量分别为＋3.0×10－8C和－2.4×10－8C，彼此相距6cm.若在两点电荷连线中点O处放一个半径为1cm的金属球壳，求球壳上感应电荷在O点处产生的电场强度．（静电力常量k＝9×109N·m2/C2）

图10

答案　5.4×105N/C，方向由O指向A

解析　＋q1在O点的场强大小为E1＝k

＝3×105N/C，方向由O指向B；－q2在O点的场强大小为E2＝k

＝2.4×105N/C，方向由O指向B；设感应电荷在O点处产生的场强大小为E3，由静电平衡条件知E3＝E1＋E2＝5.4×105N/C，方向由O指向A.