高二物理 选修3-1 1.7静电现象的应用

第7节静电现象的应用在带电的鸟笼里，鸟儿为什么仍能安全无恙？运输汽油等易燃易爆物品的车辆总有一条铁链拖在地面，这又是为什么呢？思考：(1)金属导体的微观结构如何？(2)将金属导体放入电场中自由电子怎样移动？E(4)电子的积聚会出现怎样的结果？(3)自由电子会在什么地方积聚？探究一、静电平衡下导体的电场E合=E-E’------(5)最终会出现怎样的现象？E=E’E合=0E’-----+-•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)金属导体建立静电平衡状态的时间极其短暂，只有几微秒；•(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。法拉第圆筒实验结论:平衡时导体内部没有电荷，其电荷只分布在外表面.探究二、导体上的电荷分布：•净电荷：在金属导体中有大量的自由电子，它们带有负电荷；还有很多失去外层电子的正离子，它们带有正电荷。这就是净电荷。•当导体不带电时，导体的正负电荷的电荷量是相等的，我们说导体不带有“净电荷”。当用某种方式使导体的正负电荷的电荷量不相等，比如使自由电子数减少，这时导体就具有了多余的正电荷，即导体带有正的“净电荷”，反之就说导体带有负的“净电荷”。可见所谓“净电荷”是指整个导体或导体的某部分（静电感应时）的正负电荷之差。•1．净电荷都分布在导体的表面，导体内部没有净电荷．导体上电荷分布特点：2．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：探究三、尖端放电思考：避雷针为什么要做成针状的？而高压设备的外表往往却做的非常光滑？•2．空气的电离•空气是由氧、氮、水蒸气、二氧化碳等多种气体组成的气体混合物，在正常情况下，气体分子不带电（显中性），但在射线、受热及强电场的作用下，空气中的气体分子会失去一些电子，即所谓空气电离。•1．尖端放电•尖端放电是在强电场作用下，物体尖锐部分发生的一种放电现象。•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．1.你还知道哪些尖端放电的应用？2.雷雨天应该如何避免雷击？你认为雷雨天呆在木屋和铁皮屋里哪个更安全？探究四、静电屏蔽现象静电屏蔽实验•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．•你知道雷雨天呆在什么屋子里比较安全了吗？•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．静电屏蔽的应用静电屏蔽的应用(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.2011年7月23日晚上20点30分左右，北京南站开往福州站的D301次动车组列车运行至甬温线上海铁路局管内永嘉站至温州南站间双屿路段，与前行的杭州站开往福州南站的D3115次动车组列车发生追尾事故，后车四节车厢从高架桥上坠下。这次事故造成40人（包括3名外籍人士）死亡，约200人受伤。•当某段输电线路上空形成带电雷云时，在该雷云下方的输电线上，就会“感应”出大量的异性电荷（异性相吸）。当上空的雷云发生云间放电（即上空正电雷云与负电雷云之间放电，俗称“空中闪电”）后，输电线上堆集的大量电荷便会因为失去上空雷云电荷的吸引力而分别向两端涌流。这些规模宏大的电荷流动可以瞬间形成几万、几十万伏特的高电压，它与输电线本身的电压叠加在一起，足以摧毁它们所遇到的任何用电器。•目前电力系统已经有了一整套非常成熟的防雷体系，而保护远距离高压输电线路的主要手段就是架设“避雷线”，再辅助使用其它避雷设施。“避雷线”技术实际上非常简单，即在高压输电线杆塔顶部专门架设一条或两条金属线，并可靠接地。雷击时，该接地金属线首先将雷电流引入大地，从而保护下面的输电线免遭雷击。按照电力规程，在雷电多发地区，10千伏以上远距离输电线路都需要安装避雷线。输电塔修理工玩高压电•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)．•【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.棒中点P距离＋q为r＝R＋l2，于是E′＝E0＝kqR＋l22.E′和E0方向相反，方向向左．答案：kqR＋l22向左•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？•【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．•如图所示，金属球壳A带有正电，其上方有一小孔a，静电计B的金属球b用导线与金属球c相连，以下操作所发生的现象，哪些是正确的()•A．将c移近A，但不与A接触，B会张开一定角度•B．将c与A外表面接触后移开，B会张开一定角度•C．将c与A内表面接触时，B不会张开一定角度•D．将c置于A空腔内，但不与A接触，B不会张开一定角度•解析：不论c在A外还是A内，都能发生静电感应，从而使B的指针带正电使指针张开一定角度；不论将c与A的内表面还是外表面接触，因为接触带电，指针都带正电，从而张开一定角度．•答案：AB•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()•A．P、R上均出现感应电荷•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•【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．•如图所示，原来不带电的金属球壳内壁接地，将一带正电的小球放入其中，但不与球壳接触，则()•A．球壳内壁带负电•B．球壳外壁带正电•C．球壳外壁不带电•D．若将接地线去掉再移去正电荷，•球壳外壁带负电•解析：球壳内正电荷产生电场，使球壳处于静电平衡状态，在球壳的内表面出现等量异种电荷，球壳的外表面出现等量同种电荷，当球壳接地时，不论内表面接地还是球壳外表面接地，待稳定后球壳的电势必定为零．球壳的外表面无感应电荷，球壳外也没有静电场，这就是接地导体壳的静电屏蔽作用．故A、C选项正确．若将接地线去掉再移去球壳内正电荷时，球壳内表面的负电荷就会分布到球壳的外表面上，内壁不再带电．故D选项正确．•答案：ACD•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φ的关系是()•A．EaEbEc，φaφbφc•B．Ea＝EbEc，φa＝φbφc•C．Ea＝Eb＝Ec，φa＝φbφc•D．EaEcEb，φaφbφc•【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．•一个不带电的空心金属球，在它的球内放一个正电荷如图所示，其电场分布正确的是()•解析：空心金属球内放一正电荷，由于静电感应使金属球壳带正电，球壳上达到静电平衡，内部场强为零，当外壳接地时，对外具有屏蔽作用，故选项C、D正确．•答案：CD•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．以上说法均不正确课堂巩固训练•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