2020年高中物理(人教选修3-1)配套学案：第1章--学案9-静电现象的应用.docx

学案9　静电现象的应用
[学习目标定位] 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.把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．

一、静电平衡状态下导体的电场
1.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面上将毁灭负电荷，在CD面上将毁灭正电荷．这就是静电感应现象．

图1
2．导体两面毁灭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0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．
二、静电平衡状态导体的特点
1．处于静电平衡状态的导体，其外部表面四周任何一点的
场强方向必定与这点的表面垂直．整个导体是个等势体．它的表面是个等势面．
2．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．
三、尖端放电　静电屏蔽
1．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．这个现象叫做尖端放电．
2．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0，外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响，金属壳(网)的这种作用叫做静电屏蔽．

一、静电平衡状态下导体的电场
[问题设计]　如图2所示，把一个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，从而使导体两端毁灭等量异号电荷．请思考下列问题：

图2
(1)自由电子定向移动的缘由是什么？定向移动的方向如何？
(2)自由电子能否始终定向移动？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．
[要点提炼]
1．处于静电平衡状态的导体，内部的电场场强处处为0.
2．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．
二、导体上电荷的分布
[问题设计]
1．当导体处于静电平衡时，电荷在导体上如何分布？内部是否还有电荷？
答案　电荷只分布在导体的外表面，导体内部没有电荷．
2．外形不规章的带电体，表面上各处的电荷分布是否均匀？四周场强是否相等？
答案　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，四周场强越强，凹陷的位置几乎没有电荷．
[要点提炼]
处于静电平衡状态的导体，其外部表面四周任何一点的场强方向必定与这点的表面垂直．越尖锐的位置电场线越密集．
三、尖端放电和静电屏蔽
[问题设计]
1．避雷针是利用尖端放电疼惜建筑物的一种设施，其原理是什么？
答案　导体尖端的电荷密度很大，四周的电场很强，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生猛烈的运动，把空气中的气体分子撞“散”，也就是使分子中的正、负电荷分别．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．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　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．
[要点提炼]
1．尖端放电不是导体尖端失去电荷，而是与导体尖端的电荷符号相反的粒子被吸引到尖端，尖端上的电荷被中和．
2．导体壳或金属网罩(无论接地与否)可以把外部电场屏蔽，使其内部不受外电场的影响．

一、对静电平衡的理解
例1　处于静电平衡中的导体，内部电场强度处处为零的缘由是(　　)
A．导体内部无任何电场
B．外电场不能进入导体内部
C．全部感应电荷在导体内部产生的合电场强度为零
D．外电场和全部感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为零
解析　导体内部电场强度处处为零是由于感应电荷的电场与外电场叠加的结果，故D正确．
答案　D
针对训练　如图3所示，在孤立点电荷＋Q的电场中，金属圆盘A处于静电平衡状态，若金属圆盘平面与点电荷在同一平面内，试在圆盘A内做出由盘上感应电荷形成的附加电场的三条电场线(用实线表示电场线，要求严格作图)．

图3
答案　见解析图
解析　导体A处于静电平衡状态，因此内部每点的合电场强度都为零，即导体A内的每一点感应电荷产生的电场强度都与点电荷Q在那点的电场强度大小相等、方向相反，即感应电荷的电场线与点电荷Q的电场线重合，且方向相反．

二、静电平衡导体的电荷分布
例2　如图4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.下列试验方法中能使验电器箔片张开的是(　　)

图4
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
三、对静电屏蔽的理解
例3　下列试验中，验电器的金属箔片会张开的是(　　)

解析　A中不会张开，金属网可以屏蔽外电场．B中会张开，由于金属网未接地，网内的带电体可以对外界产生影响．C中不会张开，由于金属网已接地，网内的带电体对网外无影响，网外的带电体对网内也无影响．
答案　B

1．(对静电平衡的理解)处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零的缘由是(　　)
A．导体内部无任何电场
B．外电场不能进入导体内部
C．全部感应电荷在导体内部产生的合场强为零
D．外电场和全部感应电荷的电场在导体内部叠加的合场强为零
答案　D
2．(对尖端放电的理解)避雷针能够避开建筑物被雷击的缘由是(　　)
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
答案　AB
3．(对静电屏蔽的理解)如图5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5
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
答案　D
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．

题组一　对静电平衡的理解
1．对于处在静电平衡状态的导体，以下说法中正确的是(　　)
A．导体内部既无正电荷，又无负电荷
B．导体内部和外表面处的电场均为零
C．导体处于静电平衡时，导体表面的电荷代数和为零
D．导体内部电场为零是外加电场与感应电荷产生的电场叠加的结果
答案　D
解析　导体处于静电平衡状态时，其内部无净电荷，即其正、负电荷总量相等，电荷量为零. 其表面处有净电荷，以至于该处电场不为零．
2．当导体达到静电平衡时，场强方向的特征是(　　)
A．外电场E0消逝
B．感应电荷产生的附加电场E′为零
C．导体内部的合电场E为零
D．导体表面和内部的合电场均为零
答案　C
解析　静电平衡的导体感应场强与原场强大小相等、方向相反、合电场为零．
3.图1所示为一空腔球形导体(不带电)，现在将一个带正电的小金属球A放入空腔中，当静电平衡时，图中a、b、c三点的场强E和电势φ的关系是(　　)

图1
A．Ea>Eb>Ec，φa>φb>φc
B．Ea＝Eb>Ec，φa＝φb>φc
C．Ea＝Eb＝Ec，φa＝φb＝φc
D．Ea>Ec>Eb，φa>φb>φc
答案　D
解析　画出空腔导体内外的电场线分布，可以看出Eb＝0，但φb＞0，由内向外，电势依次降低，φa＞φb＞φc；由电场线疏密可看出Ea＞Ec＞Eb.处于静电平衡的导体内部场强处处为零，导体是一个等势体，但其电势并不愿定为零．
4．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(　　)

答案　A
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．
题组二　静电平衡导体的电荷分布
5.如图2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(　　)

图2
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
答案　AB
解析　假设B带正电，则正电荷应分布在球壳B的外表面上，不管C接B的外壳还是内表面，验电器的金属球导电杆和金属箔通过导线C与B就构成一个整体，因平衡状态下带电体电荷只分布在外表面上，由于验电器在B的外部，也就成了这个整体的外表面的一部分．因此，无论C的另一端与B什么地方接触，验电器确定带电，故选项A、B正确．
6.一个带有绝缘座的空心金属球壳A带有4×10－8 C的正电荷，有绝缘柄的金属小球B带有2×10－8 C的负电荷，使B球与球壳A内壁接触．如图3所示，则A、B带电荷量分别为(　　)

图3
A．QA＝1×10－8 C，QB＝1×10－8 C
B．QA＝2×10－8 C，QB＝0
C．QA＝0，QB＝2×10－8 C
D．QA＝4×10－8 C，QB＝－2×10－8 C
答案　B
解析　依据接触带电原理和静电平衡条件知，正负电荷先中和，剩余电荷只能分布在导体外表面，故B正确，A、C、D错误．
7.如图4所示，一厚度不计的金属圆桶带电荷总量为Q＝＋4×10－6 C.

图4
(1)此时，金属桶内、外表面带电荷量分别为多少？
(2)假如用丝线在桶内悬挂一带电荷量q＝－2×10－6 C的小球，桶内、外表面带电荷量分别为多少？
(3)若桶内金属小球与内表面接触一下，桶内、外表面带电荷量分别为多少？
(4)若小球悬挂时，用手接触一下桶外表面，然后再将小球从桶中取出，则金属桶内、外表面带电荷量又为多少？
答案　(1)内表面为0，外表面为4×10－6 C
(2)内表面为2×10－6 C，外表面为2×10－6 C
(3)内表面为0，外表面为2×10－6 C
(4)内表面为0，外表面为2×10－6 C
解析　(1)由静电平衡条件，净电荷分布在导体的外表面，可得金属桶内表面电荷量为零，外表面电荷量为＋4×10－6 C；(2)负电荷移入桶内后，由于静电感应，内壁感应出2×10－6 C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2×10－6 C的正电荷；(3)当金属球与桶内表面接触，球所带负电荷快速与内表面正电荷中和，从而内表面不带电，外表面带2×10－6 C的正电荷；(4)若小球悬挂时，用手接触桶外表面，外表面的正电荷被中和，内壁正电荷受金属球负电荷束缚，保持不动．此时假如再将球从桶中取出，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2×10－6 C的正电荷将在电场力作用下移到外表面．
题组三　静电屏蔽和尖端放电
8．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，使体内场强为零
D．铜丝电阻小，能对人体起到疼惜作用
答案　C
解析　由于电工高压作业服处于静电平衡状态，内部场强为零．
9．请用学过的电学学问推断下列说法正确的是(　　)
A．电工穿绝缘衣比穿金属衣平安
B．小鸟停在单根高压输电线上会被电死
C．燃气灶的电子点火器的放电电极做成钉尖型比球形好
D．打雷时，呆在汽车里比呆在木屋里要危急
答案　C
解析　电力工人高压带电作业，全身穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人平安作业，所以A错误；燃气灶的电子打火器运用了尖端放电的原理，属于尖端放电现象，所以C正确；小鸟的两只脚之间的距离很小，所以小鸟的两只脚之间的电压很小，不会对小鸟造成危害，所以B错误；一辆金属车身的汽车是一个比较好的“避雷所”，一旦汽车被雷击中，它的金属构架会将闪电电流导入地下，所以D错误．
10.如图5所示，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壳C内(不和球壁接触)，另有一悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，则(　　)

图5
A．A往左偏离竖直方向，B向右偏离竖直方向
B．A的位置不变，B向右偏离竖直方向
C．A向左偏离竖直方向，B的位置不变
D．A和B的位置均不变
答案　B
解析　金属空心球壳处于静电平衡时，它的内表面将产生等量的负电荷，外表面会产生与内部带电体等量而同号的正电荷，此时金属空心球壳能屏蔽B球的电场，所以A不受外电场静电力的作用，因而位置不变；感应电荷的电场将对外界产生影响，B会受到球壳的吸引，向右偏离竖直方向．
11．如图所示，P是一个带电体，N是一个不带电的金属空腔，在下列选项中，放在绝缘板上的小纸屑(图中S)不会被吸引的是(　　)

答案　AD
解析　小纸屑是绝缘体，当处于电场中时，虽不会像导体一样毁灭电荷的定向移动，但内部的极性分子也会在电场力的作用下转动，使异号电荷更靠近带电体，因而也会受到带电体的吸引力．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．B中N没有接地，P的电场会影响到N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．
12.利用静电除尘器可以消退空气中的粉尘．静电除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，A和B分别接到高压电源正极和负极，其装置示意图如图6所示．A、B之间有很强的电场，距B越近，场强__________(填“越大”或“越小”)．B四周的气体分子被电离成为电子和正离子，粉尘吸附电子后被吸附到________(填“A”或“B”)上，最终在重力作用下落入下面的漏斗中．

图6
答案　越大　A