【21世纪原创】2017年秋高中物理人教选修3-1同步学案：1.7静电现象的应用

7　静电现象的应用
【学习目标】
1.知道什么是静电平衡状态，能说出静电平衡产生的条件.
2.掌握静电平衡状态下的导体特点.
3.了解尖端放电、静电屏蔽现象及其应用．
【知识探究】
一、静电平衡状态下的导体
[导学探究]　如图1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：21·cn·jy·com
图1
(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？
　
　
　
[知识梳理]　
1．静电平衡状态：导体在电场中发生静电感应现象时，感应电荷的电场与原电场________，使导体内部电场______，直至为零，导体内部自由电子不再发生________的状态．
2．处于静电平衡状态下导体的特征
(1)内部的电场__________．
(2)外部表面附近任何一点的场强方向必定与这点的表面________．
(3)整个导体是个________，它的表面是个________．
3．静电平衡时，导体上的电荷分布特点：
(1)导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的________．
(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)________，凹陷的位置几乎没有电荷．21·世纪*教育网
[即学即用]　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)静电平衡状态下的导体内部场强处处为零，导体的电势也为零．(　　)
(3)因为外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的合电场为0，所以处于静电平衡的导体内部电场处处为0.(　　)www-2-1-cnjy-com
(4)静电平衡时，导体内的自由电子不再运动．(　　)
二、尖端放电　静电屏蔽
[导学探究]　(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？2-1-c-n-j-y
　
　
　
　
[知识梳理]
1．空气的电离：导体尖端电荷________很大，附近的电场很强，空气中残留的带电粒子在________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________的现象．【版权所有：21教育】
2．尖端放电：所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被________而奔向尖端，与尖端上的电荷________，相当于导体从尖端____________的现象．
3．静电屏蔽：金属壳或金属网的空腔内不受外界电场的影响，壳(网)内电场强度保持为________，外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响，金属壳(网)的这种作用叫做____________．21*cnjy*com
4．尖端放电和静电屏蔽的应用、防止：
(1)尖端放电：
①应用：________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________会减少电能的损失．
(2)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．
[即学即用]　判断下列说法的正误．
(1)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．(　　)
(2)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．(　　)
(3)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．(　　)
(4)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．(　　)
【题型探究】
一、静电平衡的理解及应用
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0.21教育名师原创作品
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2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________．【出处：21教育名师】
图2
针对训练1　(多选)如图3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3
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
二、静电平衡导体的电荷分布
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，电量相等，近异远同，如图4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4
例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接触，其结果可能是(　　)
图5
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
针对训练2　(多选)如图6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(　　)2·1·c·n·j·y
图6
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
三、静电屏蔽的理解及应用
例3　如图7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发生接触，达到静电平衡状态后，则(　　)
图7
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
【规律总结】
静电屏蔽的两种情况
屏蔽外电场
屏蔽内电场
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
针对训练3　(多选)如图8所示，将悬在绝缘细线上带正电的小球A放在不带电的金属空心球壳B内(与内壁不接触)．外加一个水平向右的场强为E的匀强电场，对于最后的结果，下列判断正确的是(　　)21世纪教育网版权所有
图8
A．B的右端带正电，A向左偏
B．B的右端带正电，A不偏左也不偏右
C．B的左端带正电，A向右偏
D．B的左端带负电，A不偏左也不偏右
【达标检测】
1．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
2．如图9所示，在一电场强度为E的匀强电场中放一金属空心导体，图中a、b分别为金属导体内部与空腔中的两点，则(　　)21教育网
图9
A．a、b两点的电场强度都为零 B．a点电场强度为零，b点不为零
C．a点电场强度不为零，b点为零 D．a、b两点电场强度均不为零
3．(多选)如图10所示，B是带有绝缘支架的空腔带电金属球壳，A是验电器，A、B相距较远，导线C的一端接验电器的金属球，下列现象正确的是(　　)21cnjy.com
图10
A．将C的另一端与B的外壳接触，验电器的金属箔张开
B．将C的另一端与B的内表面接触，验电器的金属箔张开
C．将C的另一端与B的外壳接触，验电器的金属箔不张开
D．将C的另一端与B的内表面接触，验电器的金属箔不张开
4．如图11所示，点电荷A和B带电荷量分别为3.0×10－8 C和－2.4×10－8 C，彼此相距6 cm.若在两点电荷连线中点O处放一个半径为1 cm 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＝9×109 N·m2/C2)【来源：21cnj*y.co*m】
图11
答案精析
知识探究
一、导学探究　(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．www.21-cn-jy.com
知识梳理　1.叠加　减弱　定向移动
2．(1)处处为零　(2)垂直　(3)等势体
等势面　3.(1)表面　(2)越大
即学即用　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×
二、导学探究　(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．
知识梳理　1.密度　强电场　分离
2．吸引　中和　失去电荷　3.0　静电屏蔽
4．(1)①避雷针　②光滑
即学即用　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√
题型探究　例1　　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，棒中任何一点都有两个电场，即外电场：＋q在该点形成的电场E0；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.【来源：21·世纪·教育·网】
题中所求的即为E′，于是我们通过上述等式转化为求E0.于是E′＝E0＝.E′和E0方向相反，即方向向左．21*cnjy*com
针对训练1　BC
例2　A　[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　BCD　例3　D
针对训练3　BD
达标检测　1.B　2.A　3.AB
4．5.4×105 N/C，方向由O指向A
解析　＋q1在O点的场强大小为E1＝k＝3×105 N/C，方向由O指向B；－q2在O点的场强大小为E2＝k＝2.4×105 N/C，方向由O指向B；设感应电荷在O点处产生的场强为E3，由静电平衡条件知E3＝E1＋E2＝5.4×105 N/C，方向由O指向A.