2020年高中物理(人教选修3-1)配套学案：第1章--学案9-静电现象的应用.docx

学案9静电现象的应用学习目标定位 1.知道什么是静电平衡状态，能说出静电平衡产生的条件.2.把握静电平衡状态下的导体特点.3.了解尖端放电、静电屏蔽现象及其应用一、静电平衡状态下导体的电场1.如图1所示，把一个不带电的金属导体ABCD放到场强为E0的电场中，导体内的自由电子受到库仑力的作用，将向着与电场相反的方向定向移动这样，在导体的AB面上将毁灭负电荷，在CD面上将毁灭正电荷这就是静电感应现象图12导体两面毁灭的正负电荷在导体内部产生与E0方向相反的电场E，当这两个电场叠加使导体内部各点的合电场等于0时，导体内的自由电子不再发生定向移动，导体达到了静电平衡状态二、静电平衡状态导体的特点1处于静电平衡状态的导体，其外部表面四周任何一点的场强方向必定与这点的表面垂直整个导体是个等势体它的表面是个等势面2静电平衡时，导体上的电荷分布有以下两个特点：(1)导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的表面(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三、尖端放电静电屏蔽1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做尖端放电2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一、静电平衡状态下导体的电场问题设计如图2所示，把一个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，从而使导体两端毁灭等量异号电荷请思考下列问题：图2(1)自由电子定向移动的缘由是什么？定向移动的方向如何？(2)自由电子能否始终定向移动？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，阻碍电子的定向移动，当这两个电场大小相等时，电子的定向移动终止要点提炼1处于静电平衡状态的导体，内部的电场场强处处为0.2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二、导体上电荷的分布问题设计1当导体处于静电平衡时，电荷在导体上如何分布？内部是否还有电荷？答案电荷只分布在导体的外表面，导体内部没有电荷2外形不规章的带电体，表面上各处的电荷分布是否均匀？四周场强是否相等？答案在导体外表面，越尖锐的位置电荷的密度(单位面积的电荷量)越大，四周场强越强，凹陷的位置几乎没有电荷要点提炼处于静电平衡状态的导体，其外部表面四周任何一点的场强方向必定与这点的表面垂直越尖锐的位置电场线越密集三、尖端放电和静电屏蔽问题设计1避雷针是利用尖端放电疼惜建筑物的一种设施，其原理是什么？答案导体尖端的电荷密度很大，四周的电场很强，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生猛烈的运动，把空气中的气体分子撞“散”，也就是使分子中的正、负电荷分别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要点提炼1尖端放电不是导体尖端失去电荷，而是与导体尖端的电荷符号相反的粒子被吸引到尖端，尖端上的电荷被中和2导体壳或金属网罩(无论接地与否)可以把外部电场屏蔽，使其内部不受外电场的影响一、对静电平衡的理解例1处于静电平衡中的导体，内部电场强度处处为零的缘由是()A导体内部无任何电场B外电场不能进入导体内部C全部感应电荷在导体内部产生的合电场强度为零D外电场和全部感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为零解析导体内部电场强度处处为零是由于感应电荷的电场与外电场叠加的结果，故D正确答案D针对训练如图3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内做出由盘上感应电荷形成的附加电场的三条电场线(用实线表示电场线，要求严格作图)图3答案见解析图解析导体A处于静电平衡状态，因此内部每点的合电场强度都为零，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在那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，且方向相反二、静电平衡导体的电荷分布例2如图4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.下列试验方法中能使验电器箔片张开的是()图4A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C球带电，从而使A带电；C项中用绝缘导线实际上是将验电器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项正确答案BCD三、对静电屏蔽的理解例3下列试验中，验电器的金属箔片会张开的是()解析A中不会张开，金属网可以屏蔽外电场B中会张开，由于金属网未接地，网内的带电体可以对外界产生影响C中不会张开，由于金属网已接地，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B1(对静电平衡的理解)处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零的缘由是()A导体内部无任何电场B外电场不能进入导体内部C全部感应电荷在导体内部产生的合场强为零D外电场和全部感应电荷的电场在导体内部叠加的合场强为零答案D2(对尖端放电的理解)避雷针能够避开建筑物被雷击的缘由是()A云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地B避雷针的尖端向云层放电，中和了云层中的电荷C云层与避雷针发生摩擦，避雷针上产生的电荷被导入大地D以上说法都不对答案AB3(对静电屏蔽的理解)如图5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()图5AP、R上均有感应电荷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上有感应电荷答案D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，故选项D正确题组一对静电平衡的理解1对于处在静电平衡状态的导体，以下说法中正确的是()A导体内部既无正电荷，又无负电荷B导体内部和外表面处的电场均为零C导体处于静电平衡时，导体表面的电荷代数和为零D导体内部电场为零是外加电场与感应电荷产生的电场叠加的结果答案D解析导体处于静电平衡状态时，其内部无净电荷，即其正、负电荷总量相等，电荷量为零. 其表面处有净电荷，以至于该处电场不为零2当导体达到静电平衡时，场强方向的特征是()A外电场E0消逝B感应电荷产生的附加电场E为零C导体内部的合电场E为零D导体表面和内部的合电场均为零答案C解析静电平衡的导体感应场强与原场强大小相等、方向相反、合电场为零3.图1所示为一空腔球形导体(不带电)，现在将一个带正电的小金属球A放入空腔中，当静电平衡时，图中a、b、c三点的场强E和电势的关系是()图1AEaEbEc，abcBEaEbEc，abcCEaEbEc，abcDEaEcEb，abc答案D解析画出空腔导体内外的电场线分布，可以看出Eb0，但b0，由内向外，电势依次降低，abc；由电场线疏密可看出EaEcEb.处于静电平衡的导体内部场强处处为零，导体是一个等势体，但其电势并不愿定为零4在点电荷Q的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆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正确题组二静电平衡导体的电荷分布5.如图2所示，B是带有绝缘支架的空腔带电金属球壳，A是验电器，A、B相距较远，导线C的一端接验电器的金属球，下列现象正确的是()图2A将C的另一端与B的外壳接触，验电器的金属箔张开B将C的另一端与B的内表面接触，验电器的金属箔张开C将C的另一端与B的外壳接触，验电器的金属箔不张开D将C的另一端与B的内表面接触，验电器的金属箔不张开答案AB解析假设B带正电，则正电荷应分布在球壳B的外表面上，不管C接B的外壳还是内表面，验电器的金属球导电杆和金属箔通过导线C与B就构成一个整体，因平衡状态下带电体电荷只分布在外表面上，由于验电器在B的外部，也就成了这个整体的外表面的一部分因此，无论C的另一端与B什么地方接触，验电器确定带电，故选项A、B正确6.一个带有绝缘座的空心金属球壳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3所示，则A、B带电荷量分别为()图3AQA1108 C，QB1108 CBQA2108 C，QB0CQA0，QB2108 CDQA4108 C，QB2108 C答案B解析依据接触带电原理和静电平衡条件知，正负电荷先中和，剩余电荷只能分布在导体外表面，故B正确，A、C、D错误7.如图4所示，一厚度不计的金属圆桶带电荷总量为Q4106 C.图4(1)此时，金属桶内、外表面带电荷量分别为多少？(2)假如用丝线在桶内悬挂一带电荷量q2106 C的小球，桶内、外表面带电荷量分别为多少？(3)若桶内金属小球与内表面接触一下，桶内、外表面带电荷量分别为多少？(4)若小球悬挂时，用手接触一下桶外表面，然后再将小球从桶中取出，则金属桶内、外表面带电荷量又为多少？答案(1)内表面为0，外表面为4106 C(2)内表面为2106 C，外表面为2106 C(3)内表面为0，外表面为2106 C(4)内表面为0，外表面为2106 C解析(1)由静电平衡条件，净电荷分布在导体的外表面，可得金属桶内表面电荷量为零，外表面电荷量为4106 C；(2)负电荷移入桶内后，由于静电感应，内壁感应出2106 C的正电荷，相当于负电荷将等量的正电荷吸引到内壁由电荷守恒定律可知，外表面还有2106 C的正电荷；(3)当金属球与桶内表面接触，球所带负电荷快速与内表面正电荷中和，从而内表面不带电，外表面带2106 C的正电荷；(4)若小球悬挂时，用手接触桶外表面，外表面的正电荷被中和，内壁正电荷受金属球负电荷束缚，保持不动此时假如再将球从桶中取出，则由于导体在静电平衡时，净电荷只能分布在外表面，内表面2106 C的正电荷将在电场力作用下移到外表面题组三静电屏蔽和尖端放电8电工穿的高压作业服是用铜丝编织的，下列说法正确的是()A铜丝编织的衣服不易拉破B电工被铜丝衣服所包裹，使体内电势为零C电工被铜丝衣服所包裹，使体内场强为零D铜丝电阻小，能对人体起到疼惜作用答案C解析由于电工高压作业服处于静电平衡状态，内部场强为零9请用学过的电学学问推断下列说法正确的是()A电工穿绝缘衣比穿金属衣平安B小鸟停在单根高压输电线上会被电死C燃气灶的电子点火器的放电电极做成钉尖型比球形好D打雷时，呆在汽车里比呆在木屋里要危急答案C解析电力工人高压带电作业，全身穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人平安作业，所以A错误；燃气灶的电子打火器运用了尖端放电的原理，属于尖端放电现象，所以C正确；小鸟的两只脚之间的距离很小，所以小鸟的两只脚之间的电压很小，不会对小鸟造成危害，所以B错误；一辆金属车身的汽车是一个比较好的“避雷所”，一旦汽车被雷击中，它的金属构架会将闪电电流导入地下，所以D错误10.如图5所示，将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球壳C内(不和球壁接触)，另有一悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，则()图5AA往左偏离竖直方向，B向右偏离竖直方向BA的位置不变，B向右偏离竖直方向CA向左偏离竖直方向，B的位置不变DA和B的位置均不变答案B解析金属空心球壳处于静电平衡时，它的内表面将产生等量的负电荷，外表面会产生与内部带电体等量而同号的正电荷，此时金属空心球壳能屏蔽B球的电场，所以A不受外电场静电力的作用，因而位置不变；感应电荷的电场将对外界产生影响，B会受到球壳的吸引，向右偏离竖直方向11如图所示，P是一个带电体，N是一个不带电的金属空腔，在下列选项中，放在绝缘板上的小纸屑(图中S)不会被吸引的是()答案AD解析小纸屑是绝缘体，当处于电场中时，虽不会像导体一样毁灭电荷的定向移动，但内部的极性分子也会在电场力的作用下转动，使异号电荷更靠近带电体，因而也会受到带电体的吸引力A中由于静电屏蔽，P的电场影响不到导体N的内部，即N内部无电场，所以S不会被吸引B中N没有接地，P的电场会影响到N外部，即S处有电场，S会被吸引C中P和S都处于导体N的外部，S处有电场，会被吸引D中N被接地，内部电场不影响导体外部，即S处无电场，不会被吸引12.利用静电除尘器可以消退空气中的粉尘静电除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，A和B分别接到高压电源正极和负极，其装置示意图如图6所示A、B之间有很强的电场，距B越近，场强_(填“越大”或“越小”)B四周的气体分子被电离成为电子和正离子，粉尘吸附电子后被吸附到_(填“A”或“B”)上，最终在重力作用下落入下面的漏斗中图6答案越大A