高中物理 第1章 第7节 静电现象的应用课件 新人教版选修31

第7节静电现象的应用 1了解静电平衡的概念，掌握静电平衡的特征 2了解静电平衡时带电导体上电荷的分布特点 3了解尖端放电和静电屏蔽现象要点一静电平衡状态下导体的电场 1静电感应现象 如图所示，将一不带电的金属导体ABCD放到场强为E0的电场中，导体内的自由电子在电场力的作用下，逆着电场线方向定向移动，使导体的一侧聚集负电荷，而导体另一侧却聚集等量的正电荷，这种现象就是静电感应现象 2静电平衡状态：导体上(包括表面)处处无电荷定向移动的状态 3静电平衡状态导体的特征 (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导体，其外部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，它的表面是个等势面 (1)不要认为达到静电平衡需要很长时间，其实金属导体建立静电平衡状态的时间只有几微秒，相当快 (2)达到静电平衡后，自由电子没有定向移动而不是说导体内部的电荷不动，内部的电子仍在做无规则的运动 (3)导体达到静电平衡后，内部场强处处为零是指原电场的电场强度E0与导体两端感应电荷产生的场强E的合场强为零 (4)应该注意静电感应与感应起电的区别和联系，感应起电是运用静电感应现象使物体起电的一种方法，而静电感应则是电场中导体两端暂时出现等量相反电荷的现象要点二导体上电荷的分布 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，如图所示： 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，如图所示： (1)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，具有静电平衡的所有特点人与大地都是导体，在人摸(触)导体的过程中，带电体、人、大地组成一个新导体，地球往往是新导体的远端 (2)净电荷是指导体内未被中和抵消的剩余电荷，感应电荷是指由于静电感应而使导体两端出现的等量异种电荷要点三尖端放电 1空气的电离 电荷在导体表面的分布与导体的弯曲程度有关，导体表面突出和尖锐的地方，电荷的分布密集，因此导体尖端附近的电场很强，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 2. 尖端放电 中性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这个现象叫尖端放电 3尖端放电的应用和防止 (1)避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施如图所示，通过避雷针的尖端放电后，建筑物不至于积累过多的电荷而遭雷击 (2)尖端放电会导致高压设备上电能的损失，所以高压设备中导体的表面应该尽量光滑要点四静电屏蔽 1现象：如图所示，先使A带电，然后移近验电器B，由于静电感应，B的金属箔片张开；若把B置于金属网罩中，发现B的金属箔片并不张开 2定义：具有空腔的金属导体在静电平衡状态下，不仅导体内部场强为零，腔内场强也为零，因而置于腔内的物体不受外界电场的影响，这种作用叫静电屏蔽 3两种典型的静电屏蔽现象 (1)外屏蔽：如图所示，若空腔导体内有带电体，在静电平衡时，它的内表面将产生等量异号的感应电荷如果外壳不接地，则外表面会产生与内部带电体等量而同号的感应电荷，此时感应电荷的电场将对外界产生影响，这时空腔导体只能对外电场屏蔽，却不能屏蔽内部带电体对外界的影响，所以叫外屏蔽 (2)全屏蔽：如图所示，如果外壳接地，即使内部有带电体存在，这时内表面感应的电荷与带电体所带的电荷的代数和为零，而外表面产生的感应电荷通过接地线流入大地外界对壳内无法影响，内部带电体对外界的影响也随之而消除，所以这种屏蔽叫做全屏蔽 4静电屏蔽的应用和防止 (1)应用：为了防止外界信号的干扰，静电屏蔽被广泛地应用于科学技术工作中许多电子仪器外面都套着金属罩；通讯电缆外面包着一层铅皮；高压带电作业人员穿金属网衣；又如电话线从高压线下经过，为了防止高压线对电话线的影响，在高压线与电话线之间装一金属网等，这些都是用来防止外界电场干扰的屏蔽措施 (2)防止：静电屏蔽也可带来不利的影响如通讯工具在钢筋结构建筑中接收信号较弱；宇宙飞船返回地球大气层时，与大气层的高速摩擦，在飞船周围形成一层等离子体，对飞船产生静电屏蔽作用，导致飞船和地面控制中心的通信联络暂时中断 (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 如图所示，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内作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，要求严格作图)题题 型型 1 1静电平衡的理解和辨析静电平衡的理解和辨析 【解析】导体A处于静电平衡状态，因此内部每点的合场强都为零，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在该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(注意：图中的虚线是为了确定A内的实线而画出的，并不表示A外部的电场线) 【答案】如图所示 【方法总结】 (1)明确研究对象是否达到静电平衡状态 (2)判断导体两端的电荷分布及所产生的电场方向，可由静电感应现象判知同种电荷被尽可能排斥到远处，异种电荷被尽可能吸引到近处 (3)根据静电平衡现象的特点，达到平衡的导体内部，合电场为零，整个导体是等势体，来计算感应电荷在某点产生的电场强度或其他问题 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_ 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，达到静电平衡时EE0.变式训练变式训练 1-1 如图所示，A为带电的空腔导体，B为离A很远的不带电的验电器，现用一根导线一端与A的内壁接触，另一端与B接触，则B的金属箔片是否张开？题题 型型 2 2 静电平衡导体上电荷分布特点静电平衡导体上电荷分布特点 【解析】 【答案】张开 【方法总结】 处于静电平衡状态的导体净电荷只分布在外表面，应注意区分内表面和外表面，在导体外部就是外表面，还应注意是净电荷分布在外表面上 (2015温州十校联考)如图所示，Q带负电荷，导体P在a处接地，下列说法中正确的是()变式训练变式训练 2-1 A导体P的a端不带电荷，b端带负电荷 B导体P的a端带正电荷，b端不带电 C导体P的a端带正电荷，b端带负电荷，且正、负电荷的电荷量相等 D导体P的a端带正电荷，b端带负电荷，正电荷的电荷量大于负电荷的电荷量 解析：导体P接地时与大地组成一个新的导体，a为新导体的靠近Q的一端，而大地是远离Q的一端，由于静电感应的作用，靠近Q的a端会带上与Q相反的电荷，即带上正电荷，b端感应出来的负电荷被导到大地上，b端不带电，B选项正确 答案：B 如图所示，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()题题 型型 3 3 静电屏蔽的应用静电屏蔽的应用 AP、R上均出现感应电荷 BP、R上均没有感应电荷 CP上有而R上没有感应电荷 DP上没有而R上有感应电荷 【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，使左端带负电，右端带正电，故选项D正确 【答案】D 【方法总结】 (1)研究静电屏蔽问题时，应首先判断金属壳是否接地 (2)若金属壳不接地，金属壳内部空间不受壳外部电场的影响 (3)若金属壳接地，壳内部电场对壳外空间没有影响 (2014保定一模)“从生活走向物理，从物理走向社会”是现代物理教与学的宗旨，下列有关物理与生产生活实践的说法中，正确的是() A运输汽油时把汽油装进金属桶比装进塑料桶安全 B高速下坡的自行车遇紧急情况需要刹车，应先刹前轮 C电工穿绝缘衣服比穿金属网衣服安全 D“坐地日行八万里”是一种夸张的修辞手法，实际上人并没有移动 变式训练变式训练 3-1 解析：金属导体可以静电屏蔽，不易引起火灾，故A选项正确；高速下坡的自行车刹前轮，由于惯性，人车会前倾摔倒，故B选项错误；金属网衣服可以屏蔽静电，保护人体安全，C选项错误；以地球为参考系，可以实现“坐地日行八万里”，故D选项错误 答案：A 如图为空腔球形导体(不带电)，现将一个带正电的小金属球A放入腔内，静电平衡时，图中a、b、c三点的场强E和电势的关系是() AEaEbEc，abc BEaEbEc，abc CEaEbEc，abc DEaEcEb，abc 题题 型型 4 4 关于静电平衡现象中场强、电势的比较问题关于静电平衡现象中场强、电势的比较问题 【解析】 【答案】D 【方法总结】 导体处于静电平衡状态时，内部场强处处为零，但表面各处的场强并不相同；整个导体是等势体，表面是等势面，场强和表面处处垂直若能根据静电平衡状态时导体上的电荷分布，画出电场线的大体分布，再结合以上特点，就可以比较空间中一些点的场强、电势 在两块带等量异性电荷的平行金属板M、N之间，垂直于金属板放置一个原来不带电的金属棒AB，如图所示当达到静电平衡后，以下说法中正确的是() A金属棒上A端电势高于B端电势 B金属棒上A、B两端电势相等 C由于静电感应，金属棒的A端带正电荷 D由于静电感应，金属棒的A端带负电荷 变式训练变式训练 4-1 解析：根据静电平衡知识可知，金属棒A端感应负电荷，B端感应正电荷，整个导体是一个等势体，表面是一个等势面，故BD选项正确，AC选项错误 答案：BD 1导体处于静电平衡状态时，下列说法正确的是() A导体内部没有电场 B导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面 C导体内部没有电荷的运动 D以上说法均不正确 解析：导体处于静电平衡状态时，导体内部不是没有电场，而是外电场与感应电荷产生的电场的合场强为零，但两场强仍然存在，故A错；对于B，不能说没有电荷，净电荷只分布在外表面上，自由电子和正电荷仍存在，只是显中性，故B错；对于C，导体内部的电荷(电子与正电荷)的热运动仍然存在，故C错只有D正确 答案：D 2为了体现高考的公平公正，很多地方高考时在考场上使用手机信号屏蔽器，该屏蔽器在工作过程中以一定的速度由信道的低端频率向高端扫描该扫描速度可以在手机接收报文信号中形成乱码干扰，手机不能检测出从基站发出的正常数据，使手机不能与基站建立联接，达到屏蔽手机信号的目的，手机表现为搜索网络、无信号、无服务系统等现象根据你学过的知识可以判断() A手机信号屏蔽器是利用静电屏蔽的原理来工作的 B手机信号必须在介质中才能传播 C手机信号屏蔽器工作时基站发出的电磁波不能传播到考场内 D手机信号屏蔽器是通过发射电磁波干扰手机工作来达到目的 解析：手机信号屏蔽器是利用屏蔽器发出的电磁波去干扰手机从基站传过来的信号，从而起到屏蔽作用，不是利用静电屏蔽的原理来工作的，A选项错误，D选项正确；手机信号是电磁波，传播不需要介质，B选项错误；手机信号屏蔽器工作时基站发出的电磁波能传播到考场内，不过基站传过来的信号受到了干扰，C选项错误 答案：D 3一个带绝缘底座的空心金属球A带有4108 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2108 C的负电荷，使B球和A球内壁接触，如图所示，则A、B带电量分别为() AQA108 C，QB108 C BQA2108 C，QB0 CQA0，QB2108 C DQA4108 C，QB2108 C 解析：由电荷守恒定律和处于静电平衡状态的导体特点可知B正确 答案：B 答案：D 5在如图所示的实验中，验电器的金属箔会张开的是() 解析：选项A中不会张开，金属网可以屏蔽外电场选项B中会张开，因为金属网未接地，网内的带电体可以对外界产生影响选项C、D中不会张开，因为金属网已接地，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