2021年高中物理人教版选修3-1导学案：第一章第7节静电现象的应用-.docx

第七节　静电现象的应用

1.知道什么是静电平衡状态，理解处于静电平衡状态导体的特性.
2.知道什么是静电屏蔽及其有关应用.
3.知道导体上电荷的支配规律.,4.了解尖端放电现象.

一、静电平衡状态下导体的电场
1．静电感应现象
放在电场中的导体其内部自由电荷在电场力作用下定向移动，而使导体两端毁灭等量异号电荷的现象．
2．静电平衡状态
导体中(包括表面) 自由电子不再发生定向移动，我们就认为导体达到了静电平衡状态．
3．静电平衡状态下导体的特点
(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整个导体是一个等势体，它的表面是一个等势面．
(3)表面处的场强不为零，表面处的场强方向跟导体表面垂直．
4．导体上电荷的分布
(1)处于静电平衡状态的导体，内部没有电荷，电荷只分布在外表面上．
(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，凹陷的位置几乎无电荷．
[想一想]　1.处于静电平衡状态的导体，内部场强为什么是零？导体表面的电场沿什么方向？
提示：导体在电场中发生静电感应现象，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部各点的合电场为零.,导体表面电场方向与导体表面垂直.
二、尖端放电、静电屏蔽
1．尖端放电
(1)尖端放电：空气被电离后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，相当于导体从尖端失去电荷的现象．
(2)应用和防止
应用：避雷针是利用尖端放电避开雷击的一种设施．
防止：高压设备中导体的表面尽量光滑会削减电能的损失．
2．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屏蔽作用，使它内部不受外部电场影响的现象．
(2)应用：电子仪器和电子设备外面都有金属壳，通信电缆外面包有一层金属网，高压线路的检修人员要穿屏蔽服等，都是利用静电屏蔽现象消退外电场的影响．
[想一想]　2.绝缘球壳能否起到屏蔽外电场的作用？
提示：绝缘球壳中没有自由电荷，当放入外电场时，不会发生静电感应现象，壳内场强也不会为零.即不能起到屏蔽外电场的作用.

　　　　　　　对静电平衡的理解

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毁灭感应电荷，感应电荷的电场和外电场方向相反，使合场强减小，随着感应电荷的连续增加，合场强渐渐减小，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．静电平衡状态下导体的特点
(1)导体内部某处感应电荷产生的场强E′与四周原电场场强E大小相等，方向相反，两者相互抵消，导体内部处处合场强E合为零，但导体表面的电场强度不为零．
(2)整个导体是一个等势体，导体表面是等势面，但电势不愿定为零．
(3)电场线与导体表面垂直．
特殊提示：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，具有静电平衡的全部特点．
AB是长为L的金属杆，P1、P2是位于AB所在直线上的两点，位置如图所示，在P2点有一个带电量为＋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．

[思路探究]　处于静电平衡的导体，内部场强是怎样的？
[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
规律总结
求处于静电平衡状态的导体感应电荷产生的场强的方法是：利用感应电荷产生的电场与外电场在导体内部的合场强为零进行分析．

1.一金属球，原来不带电，现沿球直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN，如图所示．金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的场强大小分别为Ea、Eb、Ec，三者相比，则(　　)
A．Ea最大　　　　　　　　 B．Eb最大
C．Ec最大 D．Ea＝Eb＝Ec
解析：选C.处于静电平衡的导体内部场强处处为零，故a、b、c三点的场强都为零．静电平衡在导体内部场强为零是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果，所以感应电荷在球内某点产生的电场的场强与MN在这一点形成的电场的场强等大、反向．比较a、b、c三点感应电场的场强，实质上是比较带电体MN在这三点的场强．由于c点离MN最近，故MN在c点的场强最大，感应电荷在c点场强也最大．故选C.

　　　　　　　静电平衡导体的电荷分布及分析方法

1．电荷分布特点
(1)净电荷都分布在导体的表面，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．
(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．
2．电荷分布的分析方法
(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，如图甲所示．

(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”推断它们的带电状况，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，如图乙所示．
特殊提示：依据电场线和电势凹凸，判定导体中电荷受力和移动方向，进一步求解静电平衡问题，有时会起到事半功倍之效．
如图所示，接地的金属板右侧有固定的点电荷＋Q，a、b点是金属板右侧表面的两点，其中a到＋Q的距离较小．下列说法正确的是(　　)
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，但a点的场强比b点的场强要强(大)一些
[思路探究]　当导体接地时，远端是否发生变化？
[解析]　金属板若不接地，右侧表面将有感应的负电荷，左侧表面将有感应的等量正电荷；现金属板接地，正电荷通过接地导线移向大地，静电平衡时左侧表面不带电，整个金属板的电势都为零，所以选项A错误，选项B、C正确．金属板接地时，右侧表面上仍有感应负电荷，而且a点四周的电荷面密度(单位表面积的电荷量)比b点四周的电荷面密度要大些，场强要强(大)些，电场线也密一些；整个金属板是等势体，右侧表面是等势面，电场线与等势面垂直，可见a、b两点的场强方向都垂直指向右侧面，方向相同，所以选项D也正确．故选BCD.
[答案]　BCD
借题发挥
(1)人和大地都是导体，人和导体接触或大地和导体接触时，它们组成一个整体，作为一个新导体达到静电平衡，大地变为新导体的远端．
(2)处于静电平衡的导体，内部场强为零，但电势不愿定为零．

2.一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10－8 C的正电荷，上端开有适当小孔，有绝缘柄的金属小球B带有2×10－8 C的负电荷，使B球和A球内壁接触，如图所示，则A、B带电荷量分别为(　　)
A．QA＝10－8 C，QB＝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
解析：选B.A、B两带电小球接触中和后净电荷只分布在外表面上，故B项正确．故选B.

　　　　　　　静电屏蔽现象的实质

1．静电屏蔽实质
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，矢量和为零而已．
2．两种状况
(1)导体内空腔不受外界影响，如图甲所示：
(2)接地导体空腔外部不受内部电荷影响，如图乙所示：

3．实现过程
(1)如图甲，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，对内实现了屏蔽．
(2)如图乙，当金属壳接地时，外表面的感应电荷传给地球，外部电场消逝，对外起到屏蔽作用．
因此，静电屏蔽现象的实质是静电感应现象和静电平衡状态．
特殊提示：(1)分析静电屏蔽问题时首先要分清外壳是否接地．
(2)实际应用中金属外壳不必严格完全封闭，用金属网罩代替金属壳体也能起到屏蔽作用．
(2022·天津一中高二检测)如图所示，一个不带电的导体球N，置于空心导体球M四周，现将另一个带电荷量为Q的金属球放于空腔导体M内，则(　　)
A．若M接地，N上无感应电荷
B．若M不接地，且M原来不带电，N上无感应电荷
C．若M不接地，且M原来不带电，N上有感应电荷
D．若M不接地，且M原来带电，N上确定有感应电荷
[思路探究]　导体球M处于静电平衡时，M外侧是否有净电荷？M外部是否有电场？
[解析]　若M接地，空心导体球M外没有电场，N上无感应电荷，A正确，若M不接地，且M原来不带电，则空心球M外有电场，N上有感应电荷，B错误，C正确．若M不接地，且M原来带电，由于Q的放入，可能使空腔电荷集聚于内表面，则N上可能有感应电荷，也可能没有感应电荷，D错误．
[答案]　AC
规律总结
空腔可以屏蔽外界电场，接地的空腔可以屏蔽内部的电场，其本质都是由于激发电场与感应电场叠加的结果，分析中应特殊留意分清是哪一部分电场，还是合电场作用的结果．

3.(2022·福建三明一中高二检测)如图所示，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，对于最终的结果，下列推断正确的是(　　)
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
解析：选BD.导体空腔处于外电场中时，由于静电感应的作用，导体球壳的左端将感应出负电荷，右端将感应出正电荷，而导体空腔内部完全不受外加电场的影响．故A不会偏转，故A、C错误，B、D正确．故选BD.

方法技巧——“等效替代”法在静电感应中的应用

等效替代法是科学争辩中常用的思维方法之一，是物理学中处理问题的一个基本方法．等效替代法就是在保持某种效果不变的前提下，用简洁的、生疏的、易于争辩的物理模型或物理过程替代原来简洁的、生疏的物理模型或物理过程，使问题的争辩和处理过程变得简洁、便利．
[范例]　带电荷量为Q的正电荷距一很大的接地金属板的距离为a，如图所示．试求金属板对点电荷的作用力．

[解析]　由于接地金属板很大，因此点电荷Q发出的电场线会全部终止并垂直于金属板，可见板左侧的电场和相距2a的等量异种点电荷产生的电场完全全都，则可用求相距为2a的等量异种电荷间的相互作用力来“等效”代替求感应电荷对Q的作用力，如图所示．故感应电荷对Q的作用力F＝k＝k，方向由＋Q垂直指向金属板．
[答案]　k，方向由Q垂直指向金属板
[名师点评]　依据静电平衡的特点和等量异种点电荷电场分布的对称性，用“等效替代”的思想和方法奇异求解此类题目.把生疏的电场用生疏的电场等效替代，基于对等量异种电荷形成的电场的娴熟把握和应用.