【優(yōu)化方案】2021年高中物理人教版選修3-1導學案：第一章第7節(jié)靜電現(xiàn)象的應用-

第七節(jié)靜電現(xiàn)象的應用1.知道什么是靜電平衡狀態(tài)，理解處于靜電平衡狀態(tài)導體的特性.2.知道什么是靜電屏蔽及其有關應用.3.知道導體上電荷的支配規(guī)律.,4.了解尖端放電現(xiàn)象.一、靜電平衡狀態(tài)下導體的電場1．靜電感應現(xiàn)象放在電場中的導體其內(nèi)部自由電荷在電場力作用下定向移動，而使導體兩端毀滅等量異號電荷的現(xiàn)象．2．靜電平衡狀態(tài)導體中(包括表面)自由電子不再發(fā)生定向移動，我們就認為導體達到了靜電平衡狀態(tài)．3．靜電平衡狀態(tài)下導體的特點(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導體，內(nèi)部的場強處處為零．(2)處于靜電平衡狀態(tài)的整個導體是一個等勢體，它的表面是一個等勢面．(3)表面處的場強不為零，表面處的場強方向跟導體表面垂直．4．導體上電荷的分布(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導體，內(nèi)部沒有電荷，電荷只分布在外表面上．(2)在導體表面，越尖銳的位置，電荷的密度(單位面積的電荷量)越大，凹陷的位置幾乎無電荷．[想一想]1.處于靜電平衡狀態(tài)的導體，內(nèi)部場強為什么是零？導體表面的電場沿什么方向？提示：導體在電場中發(fā)生靜電感應現(xiàn)象，感應電荷的電場與原電場疊加，使導體內(nèi)部各點的合電場為零.,導體表面電場方向與導體表面垂直.二、尖端放電、靜電屏蔽1．尖端放電(1)尖端放電：空氣被電離后所帶電荷與導體尖端的電荷符號相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，與尖端上的電荷中和，相當于導體從尖端失去電荷的現(xiàn)象．(2)應用和防止應用：避雷針是利用尖端放電避開雷擊的一種設施．防止：高壓設備中導體的表面盡量光滑會削減電能的損失．2．靜電屏蔽(1)定義：當金屬外殼達到靜電平衡時，內(nèi)部沒有電場，因而金屬的外殼會對其內(nèi)部起屏蔽作用，使它內(nèi)部不受外部電場影響的現(xiàn)象．(2)應用：電子儀器和電子設備外面都有金屬殼，通信電纜外面包有一層金屬網(wǎng)，高壓線路的檢修人員要穿屏蔽服等，都是利用靜電屏蔽現(xiàn)象消退外電場的影響．[想一想]2.絕緣球殼能否起到屏蔽外電場的作用？提示：絕緣球殼中沒有自由電荷，當放入外電場時，不會發(fā)生靜電感應現(xiàn)象，殼內(nèi)場強也不會為零.即不能起到屏蔽外電場的作用.對靜電平衡的理解1．靜電平衡實質(1)在達到靜電平衡的過程中，外電場引起導體內(nèi)自由電荷的定向移動使導體兩側毀滅感應電荷，感應電荷的電場和外電場方向相反，使合場強減小，隨著感應電荷的連續(xù)增加，合場強漸漸減小，直至合場強為零，自由電荷的定向移動停止．(2)靜電平衡的條件：導體內(nèi)部的合場強為零，即E合＝0.2．靜電平衡狀態(tài)下導體的特點(1)導體內(nèi)部某處感應電荷產(chǎn)生的場強E′與四周原電場場強E大小相等，方向相反，兩者相互抵消，導體內(nèi)部處處合場強E合為零，但導體表面的電場強度不為零．(2)整個導體是一個等勢體，導體表面是等勢面，但電勢不愿定為零．(3)電場線與導體表面垂直．特殊提示：一個孤立的帶電體，在自身所帶電荷的電場中，處于靜電平衡狀態(tài)，具有靜電平衡的全部特點．AB是長為L的金屬桿，P1、P2是位于AB所在直線上的兩點，位置如圖所示，在P2點有一個帶電量為＋Q的點電荷，試求出金屬桿上的感應電荷在P1點產(chǎn)生的場強大小和方向．[思路探究]處于靜電平衡的導體，內(nèi)部場強是怎樣的？[解析]由于金屬桿處于靜電平衡狀態(tài)，P1點的合場強為零，因此金屬桿上的感應電荷在P1點產(chǎn)生的場強與點電荷＋Q在P1點產(chǎn)生的場強大小相等、方向相反，從而得：E＝keq\f(Q,L2)，方向向右．[答案]keq\f(Q,L2)方向向右規(guī)律總結求處于靜電平衡狀態(tài)的導體感應電荷產(chǎn)生的場強的方法是：利用感應電荷產(chǎn)生的電場與外電場在導體內(nèi)部的合場強為零進行分析．1.一金屬球，原來不帶電，現(xiàn)沿球直徑的延長線放置一均勻帶電的細桿MN，如圖所示．金屬球上感應電荷產(chǎn)生的電場在球內(nèi)直徑上a、b、c三點的場強大小分別為Ea、Eb、Ec，三者相比，則()A．Ea最大 B．Eb最大C．Ec最大 D．Ea＝Eb＝Ec解析：選C.處于靜電平衡的導體內(nèi)部場強處處為零，故a、b、c三點的場強都為零．靜電平衡在導體內(nèi)部場強為零是感應電荷產(chǎn)生的電場與外電場疊加的結果，所以感應電荷在球內(nèi)某點產(chǎn)生的電場的場強與MN在這一點形成的電場的場強等大、反向．比較a、b、c三點感應電場的場強，實質上是比較帶電體MN在這三點的場強．由于c點離MN最近，故MN在c點的場強最大，感應電荷在c點場強也最大．故選C.靜電平衡導體的電荷分布及分析方法1．電荷分布特點(1)凈電荷都分布在導體的表面，導體內(nèi)部沒有凈電荷．(2)感應電荷分布于導體兩端，電性相反，電量相等，遠同近異．(3)凈電荷在導體表面分布不均勻，導體表面尖銳處電荷分布密集，平滑處電荷分布稀疏，凹陷處幾乎沒有電荷．2．電荷分布的分析方法(1)“遠近觀”法：處于靜電平衡狀態(tài)的導體，離場源電荷較近和較遠的兩端感應出等量的異種電荷，而導體的中間部分因感應電荷較少，可認為無感應電荷產(chǎn)生，如圖甲所示．(2)“整體觀”法：當兩個或多個原來彼此絕緣的導體接觸或用導線連接時，就可把它們看做是一個大導體，再用“遠近觀”推斷它們的帶電狀況，如有些問題所提到的“用手觸摸某導體”其實就是導體通過人體與大地構成一個大導體．不要認為導體內(nèi)部沒有電荷，用導線連接帶電體內(nèi)部時，小球Q就不帶電．其實連接后就已成為一個整體，故小球通過導線得到了電荷，如圖乙所示．特殊提示：依據(jù)電場線和電勢凹凸，判定導體中電荷受力和移動方向，進一步求解靜電平衡問題，有時會起到事半功倍之效．如圖所示，接地的金屬板右側有固定的點電荷＋Q，a、b點是金屬板右側表面的兩點，其中a到＋Q的距離較?。铝姓f法正確的是()A．由于靜電感應，金屬板右側表面帶負電，左側表面帶正電B．由于靜電感應，金屬板右側表面帶負電，左側表面不帶電C．整個導體，包括表面上的a、b點，是一個等勢體，且電勢等于零D．a(chǎn)、b兩點的電場強度不為零，且a、b兩點場強方向相同，但a點的場強比b點的場強要強(大)一些[思路探究]當導體接地時，遠端是否發(fā)生變化？[解析]金屬板若不接地，右側表面將有感應的負電荷，左側表面將有感應的等量正電荷；現(xiàn)金屬板接地，正電荷通過接地導線移向大地，靜電平衡時左側表面不帶電，整個金屬板的電勢都為零，所以選項A錯誤，選項B、C正確．金屬板接地時，右側表面上仍有感應負電荷，而且a點四周的電荷面密度(單位表面積的電荷量)比b點四周的電荷面密度要大些，場強要強(大)些，電場線也密一些；整個金屬板是等勢體，右側表面是等勢面，電場線與等勢面垂直，可見a、b兩點的場強方向都垂直指向右側面，方向相同，所以選項D也正確．故選BCD.[答案]BCD借題發(fā)揮(1)人和大地都是導體，人和導體接觸或大地和導體接觸時，它們組成一個整體，作為一個新導體達到靜電平衡，大地變?yōu)樾聦w的遠端．(2)處于靜電平衡的導體，內(nèi)部場強為零，但電勢不愿定為零．2.一個帶絕緣底座的空心金屬球A帶有4×10－8C的正電荷，上端開有適當小孔，有絕緣柄的金屬小球B帶有2×10－8C的負電荷，使B球和A球內(nèi)壁接觸，如圖所示，則A、B帶電荷量分別為()A．QA＝10－8C，QB＝10－8CB．QA＝2×10－8C，QB＝0C．QA＝0，QB＝2×10－8CD．QA＝4×10－8C，QB＝－2×10－8C解析：選B.A、B兩帶電小球接觸中和后凈電荷只分布在外表面上，故B項正確．故選B.靜電屏蔽現(xiàn)象的實質1．靜電屏蔽實質靜電屏蔽的實質是利用了靜電感應現(xiàn)象，使金屬殼內(nèi)感應電荷的電場和外加電場矢量和為零，好像是金屬殼將外電場“擋”在外面，即所謂的屏蔽作用，其實是殼內(nèi)兩種電場并存，矢量和為零而已．2．兩種狀況(1)導體內(nèi)空腔不受外界影響，如圖甲所示：(2)接地導體空腔外部不受內(nèi)部電荷影響，如圖乙所示：3．實現(xiàn)過程(1)如圖甲，因場源電荷產(chǎn)生的電場與導體球殼表面上感應電荷在空腔內(nèi)的合場強為零，達到靜電平衡狀態(tài)，對內(nèi)實現(xiàn)了屏蔽．(2)如圖乙，當金屬殼接地時，外表面的感應電荷傳給地球，外部電場消逝，對外起到屏蔽作用．因此，靜電屏蔽現(xiàn)象的實質是靜電感應現(xiàn)象和靜電平衡狀態(tài)．特殊提示：(1)分析靜電屏蔽問題時首先要分清外殼是否接地．(2)實際應用中金屬外殼不必嚴格完全封閉，用金屬網(wǎng)罩代替金屬殼體也能起到屏蔽作用．(2022·天津一中高二檢測)如圖所示，一個不帶電的導體球N，置于空心導體球M四周，現(xiàn)將另一個帶電荷量為Q的金屬球放于空腔導體M內(nèi)，則()A．若M接地，N上無感應電荷B．若M不接地，且M原來不帶電，N上無感應電荷C．若M不接地，且M原來不帶電，N上有感應電荷D．若M不接地，且M原來帶電，N上確定有感應電荷[思路探究]導體球M處于靜電平衡時，M外側是否有凈電荷？M外部是否有電場？[解析]若M接地，空心導體球M外沒有電場，N上無感應電荷，A正確，若M不接地，且M原來不帶電，則空心球M外有電場，N上有感應電荷，B錯誤，C正確．若M不接地，且M原來帶電，由于Q的放入，可能使空腔電荷集聚于內(nèi)表面，則N上可能有感應電荷，也可能沒有感應電荷，D錯誤．[答案]AC規(guī)律總結空腔可以屏蔽外界電場，接地的空腔可以屏蔽內(nèi)部的電場，其本質都是由于激發(fā)電場與感應電場疊加的結果，分析中應特殊留意分清是哪一部分電場，還是合電場作用的結果．3.(2022·福建三明一中高二檢測)如圖所示，將懸在絕緣細線上帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球殼B內(nèi)(與內(nèi)壁不接觸)．外加一個水平向右的場強為E的勻強電場，對于最終的結果，下列推斷正確的是()A．B的右端帶正電，A向左偏B．B的右端帶正電，A不偏左也不偏右C．B的左端帶正電，A向右偏D．B的左端帶負電，A不偏左也不偏右解析：選BD.導體空腔處于外電場中時，由于靜電感應的作用，導體球殼的左端將感應出負電荷，右端將感應出正電荷，而導體空腔內(nèi)部完全不受外加電場的影響．故A不會偏轉，故A、C錯誤，B、D正確．故選BD.方法技巧——“等效替代”法在靜電感應中的應用等效替代法是科學爭辯中常用的思維方法之一，是物理學中處理問題的一個基本方法．等效替代法就是在保持某種效果不變的前提下，用簡潔的、生疏的、易于爭辯的物理模型或物理過程替代原來簡潔的、生疏的物理模型或物理過程，使問題的爭辯和處理過程變得簡潔、便利．[范例]帶電荷量為Q的正電荷距一很大的接地金屬板的距離為a，如圖所示．試求金屬板對點電荷的作用力．[解析]由于接地金屬板很大，因此點電荷Q發(fā)出的電場線會全部終止并垂直于金屬板，可見板左側的電場和相距2a的等量異種點電荷產(chǎn)生的電場完全全都，