1、17 静电现象的应用学科素养与目标要求物理观念：1.知道什么是静电平衡状态，能说出静电平衡状态下的导体特点.2.知道导体上电荷的分布特征，了解尖端放电、静电屏蔽现象及其成因.科学探究：1.观察演示实验并对实验现象分析，体会运用所学知识进行分析推理的方法.2.查阅并搜集资料，了解静电屏蔽在技术和生活中的应用.科学思维：会根据静电平衡条件求解感应电荷产生的场强.一、静电平衡状态下导体的电场和电荷分布1.静电平衡状态：导体中(包括表面上)没有电荷定向移动的状态.2.静电平衡状态的特征：(1)处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为 0.(2)处于静电平衡状态的导体，外部表面附近任何一点的场强方向必跟
2、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，导体的表面为等势面.3.导体上电荷的分布(1)导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面.(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.二、尖端放电和静电屏蔽1.空气的电离：导体尖端电荷密度很大，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的现象.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.尖端放电的应用与防止：应用：避雷针
3、是利用尖端放电避免雷击的一种设施.防止：高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失.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.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.2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)处于静电平衡的导体内部电场处处为 0.( )(3)静电平衡时，导体内的自由电子处于静止状态.( )(4)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.( )(5)用金
4、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.( )(6)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.( )一、静电平衡状态下的导体如图 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：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？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，阻碍自由电子的定向移动，当这两个电场大小相等时，自由电子的定向移动终
5、止.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 0.33.处于静电平衡状态的导体是等势体，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.图 2答案 向左kqR l22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
6、端出现正电荷，棒中任何一点都受两个电场的影响，即外电场： q 在该点形成的电场强度大小 E0；附加电场：棒上感应电荷在该点形成的电场强度大小 E，达到静电平衡状态时 E E0.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 E0kqR l22方向相反，即方向向左.求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的场强的方法：1先求出外电场场强 E 外 的大小和方向.2由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡条件 E 合 0.3由 E 外 E 感 0，求出感应电场 E 感 的大小和方向.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
7、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 3A.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4D.感应电荷在 B 点的场强可能沿 E4方向答案 BC解析 金属板内的电场强度处处为 0，则感应电荷的电场与点电荷的电场等大反向，即感应电荷在 A 点的场强沿 E2方向，选项 B 正确；金属板表面的电场强度垂直表面向外，即为感应电荷的电场与点电荷的电场的合场强，则感应电荷在 B 点的场强可能沿 E3方向，选项C 正确.二、导体上电荷的分布静电平衡时，导
8、体上的电荷分布有：(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，电荷量相等，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 5A.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，外表面带负电答案 A解析 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
9、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( )5图 6A.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答案 BCD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 项中可以使取电棒带电，从而使 A 带电；C 项中用绝缘导线实际上是将
10、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.三、尖端放电 静电屏蔽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？答案 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
11、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.1.静电屏蔽的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，矢量和为零.62.静电屏蔽的两种情况导体外部电场不影响导体内部接地导体内部的电场不影响导体外部图示实现过程因场源电荷产生的电
12、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，其外表面上的电荷被大地中的自由电子中和，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，所以做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体例 3 如图 7 所示，把原来不带电的金属球壳 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 7A.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 的内表面带负电答案 D解析 因为金属球壳的外表面接
13、地，所以外表面无感应电荷，只有内表面有感应电荷分布，且由于 A 带正电，则 B 的内表面带负电，D 对，B、C 错； B 的空腔内有带正电的小球 A 产生的电场和金属球壳内表面感应电荷产生的电场，由电场叠加知，电场线的方向由 A 指向B，所以空腔内电场强度不为零，A 错.71.(静电屏蔽)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答案 B解析 电工穿绝缘衣容易产生大量的静电，反而比较危险，选项 A 错误.塑料油桶会因摩擦而带电，因为塑料是绝缘材料，不能
14、把电导走，所以塑料油桶内易产生火花导致爆炸，选项 B 正确.小鸟停在单根高压输电线上时，加在小鸟两腿间的电压非常小，小鸟不会被电死，选项 C 错误.打雷时，待在汽车里，汽车的金属外壳起到静电屏蔽的作用，而木屋没有静电屏蔽作用，所以待在汽车里比待在木屋里要安全，选项 D 错误.2.(静电平衡的理解)在点电荷 Q 的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆盘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.3.(导体的电荷分布)一带有绝缘底座
15、的空心金属球壳 A 带有 4108 C 的正电荷，有绝缘柄的金属小球 B 带有 2108 C 的负电荷，使 B 球与球壳 A 内壁接触，如图 8 所示，则 A、 B带电荷量分别为( )图 88A.QA110 8 C， QB110 8 CB.QA210 8 C， QB0C.QA0， QB210 8 CD.QA410 8 C， QB210 8 C答案 B解析 B 与 A 接触后，负电荷全部跑到外表面，内壁电荷量为零，故 B 带电荷量为零， A 带电荷量为正、负电荷电荷量之和，即 QA2.010 8 C.4.(感应电荷场强的计算)如图 9 所示，点电荷 A 和 B 带电荷量分别为 3.0108 C 和2.410 8 C，彼此相距 6cm.若在两点电荷连线中点 O 处放一个半径为 1cm 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 k910 9Nm2/C2)图 9答案 5.410 5N/C，方向由 O 指向 A解析 q1在 O 点的场强大小为 E1 k 310 5N/C，方向由 O 指向 B； q2在 O 点的场q1d22强大小为 E2 k 2.410 5N/C，方向由 O 指向 B；设感应电荷在 O 点处产生的场强为大q2d22小 E3，由静电平衡条件知 E3 E1 E25.410 5 N/C，方向由 O 指向 A.
