浙江專用高中物理第一章靜電場1_7靜電現(xiàn)象的應用學案新人教版選修.docx

第7節(jié)靜電現(xiàn)象的應用研究學考明確要求知識內容靜電現(xiàn)象的應用考試要求選考b發(fā)展要求1.了解靜電平衡的概念。2知道處于靜電平衡的導體電荷分布的特點。3知道靜電平衡的導體表面是等勢面，整個導體是等勢體。4知道處于靜電平衡的導體腔內場強為零。5了解尖端放電現(xiàn)象和避雷針的工作原理，了解金屬殼的靜電屏蔽作用及其應用。6應用尖端放電、靜電屏蔽的相關知識解釋簡單的現(xiàn)象。基 礎 梳 理1靜電感應現(xiàn)象：如圖1所示，把一個不帶電的金屬導體ABCD放到場強為E0的電場中，導體內的自由電子受到庫侖力的作用，將向著與電場相反的方向定向移動。這樣，在導體的AB面上將出現(xiàn)負電荷，在CD面上將出現(xiàn)正電荷。這就是靜電感應現(xiàn)象。圖12靜電平衡狀態(tài)：導體兩面出現(xiàn)的正負電荷在導體內部產生與E0方向相反的電場E，當這兩個電場疊加使導體內部各點的合電場等于零時，導體內的自由電子不再發(fā)生定向移動，導體達到了靜電平衡狀態(tài)。3處于靜電平衡狀態(tài)下導體的特征(1)處于靜電平衡狀態(tài)下的導體，內部場強處處為零。(2)處于靜電平衡狀態(tài)的導體，其外部表面附近任何一點的場強方向必跟該點的表面垂直。(3)處于靜電平衡狀態(tài)的整個導體是個等勢體，它的表面是個等勢面，地球是一個等勢體。典 例 精 析【例1】 長為l的導體棒原來不帶電，現(xiàn)將一帶電荷量為q的點電荷放在距棒左端R處，如圖2所示。當棒達到靜電平衡后，棒上的感應電荷在棒內中點處產生的電場強度大小等于_，方向_。圖2解析導體棒在點電荷q產生的電場中發(fā)生靜電感應，左端表面出現(xiàn)負電荷，右端表面出現(xiàn)正電荷。棒內任何一點都有兩個電場，即外電場(q在該點形成的電場E0)和附加電場(棒上感應電荷在該點形成的電場E)。達到靜電平衡時棒內的電場為0，即EE0。題中所求的即為E，于是我們通過上述等式轉化為求E0。棒的中點到q的距離為rR，于是EE0，E和E0的方向相反，即方向向左。答案向左靜電平衡狀態(tài)下的導體內部的電場強度處處為零，即感應電荷產生電場的電場強度與外電場的電場強度等大反向。本題中感應電荷是面分布且電荷量未知，雖然不能用E求解感應電荷的電場，卻能用靜電平衡的特點巧妙地求解。即 學 即 練1如圖3所示，在原來不帶電的金屬細桿ab附近P處，放置一個正點電荷，達到靜電平衡后()圖3Aa端的電勢比b端的高Bb端的電勢比d點的低Ca端的電勢不一定比d點的低D桿內c處場強的方向由c指向b解析首先畫出電場線如圖所示，沿電場線方向電勢降低，b端的電勢比d點的低，選項B正確；金屬桿ab在靜電平衡后是一個等勢體，a端電勢等于b端電勢，二者均比d點電勢低，選項A、C均錯誤；靜電平衡后的導體內部場強為零，選項D錯誤。答案B基 礎 梳 理靜電平衡時，導體上的電荷分布有以下兩個特點：(1)導體內部沒有電荷，電荷只分布在導體的表面。(2)在導體外表面，越尖銳的位置電荷的密度(單位面積的電荷量)越大，凹陷的位置幾乎沒有電荷。典 例 精 析【例2】 如圖4所示，兩個相同的空心金屬球M和N，M帶電荷量為Q，N不帶電(M、N相距很遠，互不影響)，旁邊各放一個不帶電的金屬球P和R，當將帶正電Q的小球分別放入M和N的空腔中時()圖4AP、R上均有感應電荷BP、R上均沒有感應電荷CP上有而R上沒有感應電荷DP上沒有而R上有感應電荷解析本題考查靜電屏蔽問題。當將帶正電Q的小球放入M的空腔中時，由于靜電感應，M的內表面帶負電，而外表面帶正電，其電荷量為Q，它與原來金屬球M外表面所帶的電荷Q正好中和，使外表面不帶電。這實際上是M所帶電荷Q被吸引至內表面，所以金屬球M外部不存在電場，不能使P產生靜電感應，P上沒有感應電荷。當將帶正電Q的小球放入原來不帶電的N的空腔中時，由于靜電感應，N內表面帶負電荷，外表面帶正電荷，N外部有電場，使R產生靜電感應，故選項D正確。答案D(1)導體表面電荷分布往往不均勻，只有球形的帶電導體且沒有外界電場的影響下才會均勻分布。(2)對于孤立導體，表面各處的面電荷密度和該處表面的曲率有關。一般而言，曲率大處，面電荷密度大。即 學 即 練2如圖5所示，把一個帶正電的小球放入原來不帶電的金屬空腔球殼內并與內壁接觸，其結果是()圖5A只有球殼外表面帶正電B只有球殼內表面帶正電C球殼的內、外表面都帶正電D球殼的內表面帶正電，外表面帶負電解析小球與金屬球殼接觸，就成了一個導體，由于靜電平衡導體的電荷只分布在外表面上，故小球和內壁都不帶電，正電荷全部分布在球殼外表面。答案A基 礎 梳 理1尖端放電(1)尖端放電中性的分子電離后變成帶負電的自由電子和失去電子而帶正電的離子。這些帶電粒子在強電場的作用下加速，撞擊空氣中的分子，使它們進一步電離，產生更多的帶電粒子。那些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，這相當于導體從尖端失去電荷。這種現(xiàn)象叫做尖端放電。(2)生活實例避雷針是利用尖端放電避免雷擊的一種設施。當帶電的雷雨云接近建筑物時，由于靜電感應，金屬棒出現(xiàn)與云層相反的電荷。通過尖端放電，這些電荷不斷向大氣釋放，中和空氣中的電荷，同時將云層中的大量電荷導入地下，達到避免雷擊的目的?，F(xiàn)代避雷針往往具有很多組金屬尖棒，做成蒲公英花的形狀，以增強避雷效果。2靜電屏蔽(1)靜電屏蔽把一個電學儀器放在封閉的金屬殼里，即使殼外有電場，由于殼內電場強度保持為零，所以外電場對殼內的儀器不會產生影響。金屬殼的這種作用叫作靜電屏蔽。(2)靜電屏蔽的應用和危害應用：電子儀器和電子設備外面套有金屬網罩，通信電纜外包一層鉛皮等，可防止外電場的干擾；電力工人高壓帶電作業(yè)時，身著的用金屬絲網制成的衣帽、手套、鞋子，可以對人體起到靜電屏蔽作用，使人安全工作。危害：航天飛機、飛船返回地球大氣層時，由于飛船與大氣層的高速摩擦而產生高溫，在飛船的周圍形成一層等離子體，它對飛船產生靜電屏蔽作用，導致地面控制中心與飛船的通信聯(lián)系暫時中斷，對航天員來說，這是一個危險較大的時間段。典 例 精 析【例3】 下列防雷措施可行的是()A在大樹下避雷雨B停留在山頂、山脊的涼亭等地方避雷雨C要快速騎摩托車、快騎自行車和在雨中狂奔D在空礦地帶，最好關掉手機電源解析表面具有突出尖端的導體，在尖端的電荷分布密度很大，使得其周圍電場很強，就可能使其周圍的空氣發(fā)生電離而引發(fā)尖端放電。因此不要在大樹下避雨；別停留在山頂、山脊的涼亭等地方；快速騎摩托車、快騎自行車和在雨中狂奔，身體的跨步越大，電壓就越大，雷電也越容易傷人；在空曠地帶使用手機通話，手機很有可能成為閃電的放電對象。故C錯，D對。答案D夜間看到的高壓電線周圍籠罩著的一層綠色光暈(電暈)就是一種微弱的尖端放電現(xiàn)象。尖端放電致使高壓線及高壓電極上的電荷丟失，因此，凡對地有高壓的導體(或兩個相互有高壓的導體)，其表面都應盡量光滑。即 學 即 練3避雷針能夠避免建筑物被雷擊的原因是()A云層中帶的電荷被避雷針通過導線導入大地B避雷針的尖端向云層放電，中和了云層中的電荷C云層與避雷針發(fā)生摩擦，避雷針上產生的電荷被導入大地D以上說法都不對解析帶電荷的云層靠近避雷針時，在避雷針尖端感應出與云層相反的電荷，達到一定程度就向空中放電，中和云層中的電荷，從而避免建筑物遭受雷擊，所以只有B正確。答案B典 例 精 析【例4】 將懸掛在細線上的帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球C內(不和球壁接觸)，另有一個懸掛在細線上的帶負電的小球B向C靠近，如圖6所示，下列說法正確的有()圖6AA往左偏離豎直方向，B往右偏離豎直方向BA的位置不變，B往右偏離豎直方向CA往左偏離豎直方向，B的位置不變DA和B的位置都不變解析帶正電的小球A放在不帶電的空心球C內，通過靜電感應，空心球外殼帶正電，內壁帶負電。因此，金屬空心球C和帶電小球B帶異種電荷，所以B受C球的吸引往右偏離豎直方向。而由于空心球C能屏蔽小球B所產生的外部電場，使小球A不受外電場的作用，所以A的位置不變。答案B靜電屏蔽有兩種類型，當外殼不接地時，可以屏蔽外電場對殼內的影響，但不能屏蔽殼內電荷電場對殼外的影響。當外殼接地時，能屏蔽殼內電荷電場對殼外的影響。即 學 即 練4具有一定厚度的空心金屬球殼的球心位置處放一正電荷，圖中的四個圖畫出了其空間電場的電場線情況，符合實際情況的是()解析球殼處于正電荷的電場中，達到靜電平衡，球殼為等勢體，電場線不會穿過球殼，故D選項正確。答案D1人造飛船返回地球經過大氣層時，返回艙表面附近形成一個溫度高達幾千攝氏度的高溫區(qū)。高溫區(qū)內的氣體和返回艙表面材料的分子被分解和電離，這時返回艙與外界的聯(lián)系會中斷，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是()A返回艙受到的萬有引力消失B返回艙為了安全而暫時關閉通信系統(tǒng)C返回艙周圍高溫氣體被電離成等離子體，從而對飛船起屏蔽作用D返回艙表面溫度太高，如同火球，使得航天員看不見外面，外面也看不見返回艙里面解析由于高溫區(qū)內的氣體和返回艙表面材料的分子被分解和電離，對返回艙起到靜電屏蔽作用，所以返回艙與外界信號中斷，故A、B、D錯誤，C正確。答案C2在點電荷Q的電場中，一金屬圓盤處于靜電平衡狀態(tài)，若圓平面與點電荷在同一平面內，則盤上感應電荷在盤中A點所激發(fā)的附加場強E的方向在下圖中正確的是()解析感應電荷在盤中A點激發(fā)的附加場強E應與Q在A點產生的場強等大反向，故A正確。答案A3電工穿的高壓作業(yè)服是用銅絲編織的，下列說法正確的是()A銅絲編織的衣服不易拉破B電工被銅絲衣服所包裹，使體內電勢為零C電工被銅絲衣服所包裹，使體內電場強度為零D銅絲電阻小，能對人體起到保護作用解析高壓線路的檢修人員在進行高壓作業(yè)時，要穿上用金屬絲制成的高壓作業(yè)服，相當于把人體用金屬網罩起來。這樣，外部電場就不會影響到人體，從而避免了感應電流對人體的傷害。故選項C正確。答案C4如圖7所示，把一個架在絕緣支架上的枕形導體放在正電荷形成的電場中，導體處于靜電平衡時，下列說法正確的是()圖7AA、B兩點場強相等，且都不為零BA、B兩點的場強不相等C感應電荷產生的附加場強大小是|EA|bc0，所以B正確，A、C、D錯誤。答案B8(2018臺州教學質量檢測)將一帶電荷量為Q的小球放在不帶電的金屬球附近，所形成的電場線如圖5所示，金屬表面電勢處處相等，a、b為電場中的兩點，則以下說法錯誤的是()圖5Aa點的電場強度比b點大Ba點的電勢比b點的高C試探電荷q在a點的電勢能比b點的大D將試探電荷q從a點移動到b點的過程中，電場力做正功解析根據(jù)電場線越密集場強越大知，a點電場強度比b點大，A正確；a點離帶正電小球更近，電勢比b點的高，B正確；由電勢能公式知試探電荷q在a點的電勢能比b點的小，C錯誤；將試探電荷q從a點移動到b點的過程中，電勢能減小，電場力做正功，D正確。答案C9(20183月臺州質量評估)如圖6所示，在“中國達人秀”舞臺上，16歲的盧馭龍上演了這樣一幕表演：他站在電壓達幾萬伏的電極旁邊，輕松地把玩著“閃電”，卻安然無恙。據(jù)了解，他身上穿著一件特別的衣服叫“高壓屏蔽服”。制成這種“高壓屏蔽服”的材料可能是()圖6A玻璃 B木屑C塑料片 D金屬絲解析處于靜電平衡的導體是個等勢體，內部場強處處為0，金屬導體才能屏蔽外電場，故選項D正確。答案D10(2018浙江東陽中學模擬)如圖7為靜電除塵機理示意圖，廢氣先經過一個機械過濾裝置再進入靜電除塵區(qū)，帶負電的塵埃在電場力的作用下向集塵極遷移并沉積，以達到除塵目的，圖中虛線為電場線(方向未標)。不考慮塵埃在遷移過程中的相互作用和電量變化，則()圖7A電場線方向由放電極指向集塵極B圖中A點電勢高于B點電勢C塵埃在遷移過程中做勻變速運動D塵埃在遷移過程中電勢能減小解析帶負電的塵埃在電場力的作用下向集塵極遷移并沉積，故電場線應由集塵極指向放電極，A錯誤；由對稱性知，圖中A點與A點關于放電極中心對稱的A點電勢相等，均低于B點電勢，B錯誤；電場為非勻強電場，C錯誤；塵埃在遷移過程中向電場力的方向偏折，電場力做正功，電勢能減小，D正確。答案D11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8所示。試求金屬板對點電荷的作用力。圖8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生的電場完全一致，則可用求相距為2a的等量異種電荷間的相互作用力來“等效”代替求感應電荷對Q的作用力，如圖所示。故感應電荷對Q的作用力Fkk，方向由Q垂直指向金屬板。答案k方向由Q垂直指向金屬板12如圖9所示，一厚度不計的金屬圓桶帶電荷量為Q4106 C。圖9(1)此時，金屬圓桶內、外表面帶電荷量分別為多少？(2)如果用絲線在金屬圓桶內懸掛一帶電荷量q2106 C的金屬小球。求金屬圓桶內、外表面帶的電荷量；若讓金屬圓桶內金屬小球與內表面接觸一下，則金屬圓桶內、外表面帶電荷量分別為多少？若金屬小球懸掛時，先用手接觸一下金屬圓桶外表面，然后再將小球從金屬圓桶中取出，則金屬圓桶內、外表面帶電荷量又為多少？解析(1)由靜電平衡條件，凈電荷分布在導體的外表面，可得金屬圓桶內表面帶電荷量為0，外表面帶電荷量為4106 C。(2)帶負電金屬小球移入金屬圓桶內后，由于靜電感應，內壁感應出2106 C的正電荷，相當于負電荷將等量的正電荷