高二物理人教選修3-1第一章第7節(jié)《靜電現(xiàn)象的應用》（新人教）

歡迎進入物理課堂 7靜電現(xiàn)象的應用 1 靜電平衡狀態(tài) 處于電場中的導體內(nèi)外電場相互疊加 使導體內(nèi)部電場減弱 直至為零 導體內(nèi)部自由電子不再發(fā)生 的狀態(tài) 定向移動 2 空氣的電離 導體尖端的電荷 很大 附近的電場很 空氣中殘留的帶電粒子在強電場的作用下劇烈運動撞擊空氣中的氣體分子 從而使分子的正負電荷分離的現(xiàn) 象 密度 強 3 尖端放電 所帶電荷與導體尖端的電荷符號 的粒子 由于被吸引而奔向尖端 與尖端上的電荷 相當于導體從尖端失去電荷的現(xiàn)象 相反 中和 4 處于靜電平衡中的導體 內(nèi)部場強處處為零的原因是 C A 外電場不能進入導體內(nèi)部B 所有感應電荷在導體內(nèi)部產(chǎn)生的合場強為零C 外電場和所有感應電荷的電場在導體內(nèi)部疊加的結(jié)果為零D 以上解釋都不正確 5 將懸掛在細線上的帶正電的小球A放在不帶電的固定的金屬空心球殼C內(nèi) 不和球壁接觸 另有一個懸掛在細線上的 B 帶負電的小球B 如圖1 7 1所示 于是有 A A往左偏離豎直方向 B往右偏離豎直方向B A的位置不變 B往右 圖1 7 1 偏離豎直方向C A往左偏離豎直方向 B的位置不變D A和B的位置都不變 知識點1靜電平衡狀態(tài)下導體的電場及其電荷的分布1 靜電感應 1 如圖1 7 2 將金屬導體置于電場強度為E的電場中 導體內(nèi)的 在電場力的作用下 將發(fā)生 自由電子 定向移動 圖1 7 2 2 如圖1 7 3 在導體兩端 積聚 電荷 即靜電感應現(xiàn)象 等量異種 圖1 7 3 圖1 7 4 3 如圖1 7 4 感應電荷在導體內(nèi)部產(chǎn)生電場E 與原電場 只要內(nèi)部合場強不為零 自由電子就會繼 續(xù)做 疊加 定向移動 2 導體處于靜電平衡狀態(tài) 1 如圖1 7 5 當內(nèi)部合場強為 時 即E E 零 時 自由電子不再發(fā)生定向移動 圖1 7 5 圖1 7 6 2 如圖1 7 6 處于靜電平衡狀態(tài)的導體 內(nèi)部的電場處 處為 零 3 討論 1 若靜電平衡時導體內(nèi)部場強不為零 會出現(xiàn)什么現(xiàn)象 2 若靜電平衡時導體不是等勢體 會出現(xiàn)什么現(xiàn)象 3 若靜電平衡時導體外部表面附近任何一點的場強方向 不與該點的表面垂直 會出現(xiàn)什么現(xiàn)象 4 研究靜電平衡時導體內(nèi)表面的電荷圖1 7 7 1 現(xiàn)象 圖1 7 7甲中 A的箔片 圖乙 中 A的箔片 張開 沒有張開 2 結(jié)論 靜電平衡時 導體內(nèi)表面 填 有 或 沒有 電荷 沒有 1 靜電平衡狀態(tài)下導體的特點 1 導體內(nèi)部場強處處為零 不為零則自由電子將繼續(xù)移動 直至合場強為零 2 導體是個等勢體 而且它的表面是個等勢面 3 導體外部表面附近任何一點的場強方向必跟該點的表 面垂直 2 地球是一個極大的導體 可以認為處于靜電平衡狀態(tài) 所以它是一個等勢體 這是我們常常把大地選做零電勢體的一個原因 3 導體上電荷的分布 1 導體內(nèi)部沒有電荷 電荷只分布在導體的外表面 2 在導體外表面 越尖銳的位置 電荷的密度 單位面積的 電荷量 越大 凹陷的位置幾乎沒有電荷 例1 雙選 如圖1 7 8所示 Q為帶負電的絕緣小球 AB為一原來不帶電的中性導體且放在Q附近 達到靜電平衡 狀態(tài)時 下列判斷正確的是 A A端的電勢高于B端的電勢B 以無限遠處或大地為電勢零點 導體AB的電勢大于零C A B兩端電勢相等 D 導體內(nèi)的場強大小均為零 圖1 7 8 解析 達到靜電平衡的導體是等勢體 內(nèi)部場強處處為零 導體AB因感應起電 左端A帶正電 右端B帶負電 電場線分布如圖1 7 9所示 因有電場線從無限遠處到B端 從A端到Q 故導體AB的電勢小于零 高于Q 因?qū)wAB是等勢體 故電場線不可能從A出發(fā)到B終止 否則A端電勢將高于B端 圖1 7 9 答案 CD 觸類旁通 1 如圖1 7 10所示 在真空中把一絕緣導體AB向帶 負電小球P緩慢地靠近的過程中 下列說法不正確的是 A B端的感應電荷越來越多B 導體內(nèi)部場強越來越大C 導體的感應電荷在M點產(chǎn)生的場強恒大于在N點產(chǎn)生的場強 圖1 7 10 D 穩(wěn)定時導體中M N兩點的電勢相等 知識點2尖端放電 1752年7月在費城一次雷雨天氣中 富蘭克林把風箏放入空中 冒著極大的生命危險 把 天電 引入了萊頓瓶 成功地證實了閃電的特性 1753年他在充分研究了 天電 特性并進行大量實驗的基礎上發(fā)現(xiàn)了尖端放電現(xiàn)象 從而發(fā)明了避雷針 這是人類在征服大自然的道路上邁出的具有重大意義的一步 圖1 7 11 討論 1 文中的 天電 就是我們?nèi)粘Ｋf的閃電 閃電是怎 樣產(chǎn)生的 當雷雨云過境時 云的中下部是強大負電荷中心 云底相對的下墊面變成正電荷中心 于是在云底與地面間形成強電場 在地面凸出物如建筑物尖頂 樹木 山頂草 林木 巖石等尖端附近 等電勢面就會很密集 這里電場強度極大 空氣發(fā)生電離 因而形成從地表向大氣的尖端放電 這就是閃電的形成原因 2 尖端放電 所帶電荷與導體尖端的電荷符號 的粒子 由于被吸引而奔向尖端 與尖端上的電荷 相當 于導體從尖端失去電荷的現(xiàn)象 相反 中和 3 避雷針 利用 避免雷擊的一種設施 尖端放電 1 空氣的電離 強電場使空氣分子中正負電荷分離的現(xiàn)象 2 尖端放電的過程 導體尖端的電荷密度大 尖端附近的電場強 空氣中殘留的帶電粒子劇烈運動 空氣電離 正負電荷奔向異種電荷 尖端失去電荷 尖端放電 3 避雷針的原理 當帶電的雷雨云接近建筑物時 由于靜電感應 建筑物會感應上與云層相反的電荷 這些電荷會聚集到避雷針的尖端 通過尖端放電 這些電荷不斷向大氣釋放 中和空氣的電荷 達到避免雷擊的目的 例2 避雷針能夠避免建筑物被雷擊的原因是 A 云層中帶的電荷被避雷針通過導線導入大地B 避雷針的尖端向云層放電 中和了云層中的電荷C 云層與避雷針發(fā)生摩擦 避雷針上產(chǎn)生的電荷被導入大地D 以上說法都不對 解析 帶電荷的云層靠近避雷針時 在避雷針的尖端感應出與云層相反的靜電 達到一定程度就向空中放電 中和云層中的電荷 從而避免遭受雷擊 所以只有B正確 答案 B 觸類旁通 2 通常情況下空氣是不導電的 但是當在每米長度的電壓達到6 0 105V時 空氣將被電離而發(fā)生放電現(xiàn)象 已知某次閃電的長度為500m 發(fā)生閃電前瞬間兩云層之間的電壓大約為多少 解 因為閃電時 每米長度的電壓達到6 0 105V 所以 發(fā)生閃電前瞬間兩云層之間的電壓大約為U Ed 6 0 105V m 500m 3 0 108V 知識點3靜電屏蔽 法拉第籠 是一種用于演示等電勢 靜電屏蔽等原理的設備 它由籠體 高壓電源 電壓顯示器和控制部分組成 其籠體與大地連通 高壓電源將電流輸送到放電桿 根據(jù)接地導體靜電平衡的條件 籠體是一個等勢體 內(nèi)部電勢為零 電場為零 電荷分布在接近放電桿的外表面上 法拉第籠 還可以有效地隔絕籠體內(nèi)外的電場和電磁波干擾 這叫做 靜電屏蔽 2005年 兩位英國科學家在倫敦進行了一次危險的電力學表演 其中一名科學家把另一位科學家關(guān)進一個名叫 法拉第籠 的特殊鐵籠子里 然后用數(shù)百萬伏特的電流對其進行電擊 鑒于表演的危險性 兩名科學家事先都買好了價值1200萬英鎊的保險 圖1 7 12 討論 1 空腔導體的特點 空腔導體能把外電場擋住 空腔內(nèi) 填 有 或 沒有 電場 空腔內(nèi)不受 的 影響 沒有 外電場 2 靜電屏蔽 導體的外殼 金屬網(wǎng)罩 對它的 起到 保護 作用 使它的 不受 的影響 這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽 內(nèi)部 內(nèi)部 外電場 1 靜電屏蔽的兩種情況 1 金屬殼內(nèi)部空間不受外部電場的影響 如圖1 7 13甲所示 使帶電的金屬球靠近驗電器 由于靜電感應 驗電器的箔片張開 這表明驗電器受到了外電場的影響 如果事先用金屬網(wǎng)罩把驗電器罩住 如圖乙所示 驗電器的箔片就不張開 即使把驗電器和金屬網(wǎng)罩連接起來 箔片也不張開 這表明金屬網(wǎng)罩能把外電場擋住 使罩內(nèi)儀器不受外電場影響 圖1 7 13 2 接地的封閉導體殼內(nèi)部電場對殼外空間沒有影響 若一封閉的導體殼內(nèi)部空間某點有一點電荷 q 由于靜電感應 導體殼內(nèi)外表面感應出等量的異種電荷 其電場線如圖1 7 14甲所示 當把導體殼接地后 q在殼內(nèi)的電場對殼外空間就沒有影響了 如圖乙所示 圖1 7 14 2 靜電屏蔽的應用 1 電學儀器和電子設備外面的金屬罩 通訊電纜外面包的 一層鉛皮 可以防止電場的干擾 2 電力工人高壓帶電作業(yè) 全身穿著用金屬絲網(wǎng)制成的衣 帽 手套 鞋 可以對人體起到靜電屏蔽作用 使人安全作業(yè) 例3 如圖1 7 15所示 A為空心金屬球殼 B為金屬球 將另一帶正電的小球C從球殼A開口處放入球殼中央 不接觸球殼 然后用手摸一下球殼 再用手接觸一下B球 再 移走C球 則 A 球殼A帶負電 B球帶正電B 球殼A帶負電 B球不帶電C 球殼A和B球都帶負電 D 球殼A和B球都帶正電 圖1 7 15 解析 首先帶正電的小球C從球殼A開口處被放入球殼中央 根據(jù)靜電感應現(xiàn)象可知 球殼內(nèi)表面感應出負電荷 外表面感應出正電荷 手接觸球殼相當于球殼接地 由地面上來的電子與球殼表面正電荷中和 使球殼外表面不帶電 球殼外表面電勢為零 此時球殼對外起靜電屏蔽作用 球殼內(nèi)的電場不影響外部 答案 B 觸類旁通 3 下列圖中 金屬殼放在光滑的絕緣水平墊上 不能起到 屏蔽外電場或內(nèi)電場作用的是 A B C D 解析 A圖中 由于金屬殼發(fā)生靜電感應 內(nèi)部場強為零 金屬殼起到屏蔽外電場的作用 B圖中金屬殼同大地連為一體 同A一樣 外殼起到屏蔽外電場的作用 C圖中電荷會引起金屬殼內(nèi)外表面帶電 外表面電荷會在殼外空間中產(chǎn)生電場 即金屬殼不起屏蔽作用 D圖中 將金屬殼接地后 外表面不帶電 殼外不產(chǎn)生電場 金屬殼起屏蔽內(nèi)電場的作用 答案 C 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全