高一物理竞赛第9讲 静电屏蔽 电像法.教师版
高一物理竞赛第9讲 静电屏蔽 电像法.教师版
第9讲静电屏蔽电像法本讲提纲1.静电感应现象2.静电屏蔽3.电像法以及应用本讲对等效思维运用较多，思考的时候概念转化很快。
部分不适的同学可以先只关注物理现象以及原理的解释，对于负责的运算大家可以根据自己的兴趣尽力跟进老师的讲解，不妨把部分难题当作对自己能力极限的挑战。
知识模块引入：电场中的导体把一块不带电的导体放到电场周围，这个导体就会感应出电荷。
这个现象不难去理解，一般用电场对电荷的力就能解释。
静电感应:导体内自由电子在外电场的作用下定向移动,重新分布的现象.本讲研究的是这个现象的定量规律。
如图演示的是在外电场下金属内部自由电子从移动，到最后稳定分布的过程。
知识点睛一.静电平衡:导体中(包括表面)没有电荷的定向移动的状态.由于感应电荷形成新的电场，最终导致金属内部合场强降为零，静电感应现象才达到了稳定，我们不妨称之为静电平衡。
1.导体内部的场强处处为零.2.整个导体是个等势体,导体的表面是等势面.3.净电荷分布在导体的外表面.4.在导体表面附近,电场线一定与表面垂直.如图是一般形状的金属放入电场后的影响二．静电屏蔽导体壳（网罩）不接地时，可以实现外部对内部的屏蔽，但不能实现内部对外部的屏蔽；导体壳（网罩）接地后，既可实现外部对内部的屏蔽，也可实现内部对外部的屏蔽。
如下图的演示试验，当导体放到静电计周围，并用金属球壳把静电计包起来后，静电计的指针是不偏转的。
如图是静电屏蔽掉超高压的试验示意，在高压电线上工作的工人穿的也是用金属制作的衣服，屏蔽电线周围的强电场。
下面列了另外的一些关于静电屏蔽的应用，具体内容请同学们课后自己查阅资料或者咨询老师。
1.电子仪器，比如示波器的接线都是这样的屏蔽线；2.外的天线；3.电视信号线，外面就有一层金属丝，就为了静电屏蔽，使信号不受干扰；4.务区怕被人打手机，又不能关机，找个金属盒子装进去，就变成了“您拨打的用户不在服务区”；例题精讲【例1】如图所示，把一个带正电的小球放人原来不带电的金属空腔球壳内，其结果可能是（）A ．只有球壳外表面带正电。
高中物理竞赛 第9部分《磁场》教案 新人教版
第九部分 磁场第一讲 基本知识介绍《磁场》部分在奥赛考刚中的考点很少，和高考要求的区别不是很大，只是在两处有深化：a 、电流的磁场引进定量计算；b 、对带电粒子在复合场中的运动进行了更深入的分析。
一、磁场与安培力1、磁场a 、永磁体、电流磁场→磁现象的电本质b 、磁感强度、磁通量c 、稳恒电流的磁场*毕奥-萨伐尔定律（Biot-Savart law ）：对于电流强度为I 、长度为dI 的导体元段，在距离为r 的点激发的“元磁感应强度”为dB 。
矢量式d B= k 3rrl Id⨯，（d l 表示导体元段的方向沿电流的方向、r为导体元段到考查点的方向矢量）；或用大小关系式dB = k2r sin Idl θ结合安培定则寻求方向亦可。
其中 k = 1.0×10−7N/A 2。
应用毕萨定律再结合矢量叠加原理，可以求解任何形状导线在任何位置激发的磁感强度。
毕萨定律应用在“无限长”直导线的结论：B = 2k rI ；*毕萨定律应用在环形电流垂直中心轴线上的结论：B = 2πkI 2/3222)r R (R + ；*毕萨定律应用在“无限长”螺线管内部的结论：B = 2πknI 。
其中n 为单位长度螺线管的匝数。
2、安培力a 、对直导体，矢量式为 F= I B L⨯；或表达为大小关系式 F = BILsin θ再结合“左手定则”解决方向问题（θ为B 与L 的夹角）。
b 、弯曲导体的安培力⑴整体合力折线导体所受安培力的合力等于连接始末端连线导体（电流不变）的的安培力。
证明：参照图9-1，令MN 段导体的安培力F 1与NO 段导体的安培力F 2的合力为F ，则F 的大小为F = )cos(F F 2F F 212221θ-π++= BI )cos(L L 2L L 212221θ-π++= BI MO关于F 的方向，由于ΔFF 2P ∽ΔMNO ，可以证明图9-1中的两个灰色三角形相似，这也就证明了F 是垂直MO 的，再由于ΔPMO 是等腰三角形（这个证明很容易），故F 在MO 上的垂足就是MO 的中点了。
2018年高一物理竞赛完整讲义(word版)含答案解析第9讲 静电屏蔽 电像法.教师版
第9讲静电屏蔽电像法本讲提纲1.静电感应现象2.静电屏蔽3.电像法以及应用本讲对等效思维运用较多，思考的时候概念转化很快。
部分不适的同学可以先只关注物理现象以及原理的解释，对于负责的运算大家可以根据自己的兴趣尽力跟进老师的讲解，不妨把部分难题当作对自己能力极限的挑战。
知识模块引入：电场中的导体把一块不带电的导体放到电场周围，这个导体就会感应出电荷。
这个现象不难去理解，一般用电场对电荷的力就能解释。
静电感应:导体内自由电子在外电场的作用下定向移动,重新分布的现象.本讲研究的是这个现象的定量规律。
如图演示的是在外电场下金属内部自由电子从移动，到最后稳定分布的过程。
知识点睛一.静电平衡:导体中(包括表面)没有电荷的定向移动的状态.由于感应电荷形成新的电场，最终导致金属内部合场强降为零，静电感应现象才达到了稳定，我们不妨称之为静电平衡。
1.导体内部的场强处处为零.2.整个导体是个等势体,导体的表面是等势面.3.净电荷分布在导体的外表面.4.在导体表面附近,电场线一定与表面垂直.如图是一般形状的金属放入电场后的影响二．静电屏蔽导体壳（网罩）不接地时，可以实现外部对内部的屏蔽，但不能实现内部对外部的屏蔽；导体壳（网罩）接地后，既可实现外部对内部的屏蔽，也可实现内部对外部的屏蔽。
如下图的演示试验，当导体放到静电计周围，并用金属球壳把静电计包起来后，静电计的指针是不偏转的。
如图是静电屏蔽掉超高压的试验示意，在高压电线上工作的工人穿的也是用金属制作的衣服，屏蔽电线周围的强电场。
下面列了另外的一些关于静电屏蔽的应用，具体内容请同学们课后自己查阅资料或者咨询老师。
1.电子仪器，比如示波器的接线都是这样的屏蔽线；2.外的天线；3.电视信号线，外面就有一层金属丝，就为了静电屏蔽，使信号不受干扰；4.务区怕被人打手机，又不能关机，找个金属盒子装进去，就变成了“您拨打的用户不在服务区”；例题精讲【例1】如图所示，把一个带正电的小球放人原来不带电的金属空腔球壳内，其结果可能是（）A ．只有球壳外表面带正电。
第09讲静电场(解析版)
2020年强基计划物理专题讲解（核心素养提升）第9讲静电场目录知识精讲 (1)1．均匀带电球壳内外的电场 ............................................................................................................................. 1 2．计算电势的公式 ............................................................................................................................................. 2 3．电介质的极化 ................................................................................................................................................. 2 4．电容器 ............................................................................................................................................................. 2 典型例题 .. (3)题型一 库仑定律的理解与应用 ....................................................................................................................... 3 题型二 电场强度的理解与计算 ....................................................................................................................... 5 题型三 电场线及电场分布 ............................................................................................................................... 6 题型四 电势的理解与计算 ................................................................................................................................. 7 题型五 电容 ....................................................................................................................................................... 9 题型六 力电综合问题 . (11)知识精讲【扩展知识】1．均匀带电球壳内外的电场（1）均匀带电球壳内部的场强处处为零。
2023-2024学年高二物理竞赛课件：静电屏蔽
dl
R3 E4 dl
q
4π 0
1 R1
1 R2
4π 0 R3
q
4π 0 R1
q
4π 0 R2
4π 0 R3
Q+q
R3 R1
q R2 -q
球壳电势：
U2
E dl
R2
q
E R3
R2 3
q
dl
Q
E R3 4 q
dl
4π 0 R3
4π 0 R3 4π 0 R3 4π 0 R3
（3)腔外电场由导体外表面上的电荷及腔外其 他带电体的电荷分布决定，与腔内情况无关。
• 入射角大的光线路径长,由于折射率的变化,光速在沿路径变 化,虽然沿光纤轴线传输路径最短,但轴线上折射率最大,光传 播最慢.通过合理设计折射率分布, 使光线同时到达输出端， 降 低 模 间 色 散 。 优 化 设 计 的 渐 变 光 纤 ， 其 BL 积 达 约 10(Gb/s).km，比阶跃光纤提高了3个数量级。
+ +
O ---
r0
+q
q R q q
r0
q
EO感 4π 0r02
注意：接地只是给出了电势为零的条件，并非正 电荷要全部被中和。
类似题：《研讨教程》 P194 7-30
例2、两块大导体平板，面积为S，分别带电Qa和Qb，两 极板间距远小于平板的线度。求平板各表面的电荷密度。
解：电荷守恒：
尖端放电现象
带电导体尖端附近电场最强
使尖端附近的空气发生电离而成为导体产生放电 现象。
(2) 空腔导体且腔内无净电荷，静电平衡时的电荷分布
+
高中物理奥赛辅导第9讲 静电学问题的效处理
积盾市安家阳光实验学校 第9讲 静电学问题的效处理一、知识点击1．库仑律和电荷守恒⑴库仑律：真空中两个静止的点电荷之间的相互作用力的大小与两电荷电量的乘积成正比，与两电荷之间的距离的平方成反比；其作用力的方向沿着两电荷的连线，同号相斥，异号相吸．即122q qF K r=⑵电荷守恒律：摩擦起电和静电感都说明了：电荷既不能被创造、也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的这一转移到物体的另一部个律为电荷守恒律．它是物理学的重要律之一。
2．电场强度和电势⑴电场强度是一个从力的角度来描写电场的物理量，义为F E q= 根据库仑律，两个点电荷之间的作用力大小为2Qq F kr = 显然，F 是一个既与形成电场的电荷Q 有关，又与试探电荷q 有关的量，将E义成F q可以理解为从F 量中删去外加因素（即试探电荷q ），剩下的便是纯粹的场因素了。
物理大多数用两个物理量的商来义的物理量，都是起源于这样一个思想。
⑵电势：电势U 是从能量的角度来描写电场的物理量，义为W U q= 3．静电场中的导体和电介质⑴静电场中的导体：导体内部有能自由移动的电荷，置于外电场时，导体内部自由电荷移动，当电荷分布、电场分布不随时间变化时，我们则称达到静电平衡．静电平衡的条件是：导体内部场强处处为零．导体静电平衡时：（a)导体是势体，导体表面是势面；（b)净电荷分布在导体表面，孤立导体表面曲率大处表面电荷面密度也大；（c ）导体表面附近场强与表面垂直，其大小与导体表面对点的电荷面密度σ的关系为0E σε=。
⑵静电场中的电介质：电介质就是绝缘体，其中没有能自由移动的电荷，无外电场时对外不显电性．当有外电场存在时，电介质分子的正负电荷都会顺着和逆着电场线发生偏移，从而使介质表面甚至内部出现电荷，这种现象称为电介质的极化，出现的电荷称为极化电荷．极化电荷也要产生电场．在介质内部，极化电荷产生的电场与外电场方向相反，从而削弱原电场，削弱的程度与电介质本身的性质有关．为描绘电介质的这一性质，引人电介质的相对介电常数r ε．设真空中电场的场强为E 0，而各向同性均匀介质允满整个电场时，其场强为0rE E ε=，0r E Eε=．点电荷Q 在各向同性均匀无限大的电介质中204r Q E r πεε=平行板电容器充满均匀介质0r E σεε=4．电容 静电场的能量五、电容静电场的能量⑴1.孤立导体的电容：若孤立导体带有电荷q ，其电势为U ，则其电容为q C U=孤立导体的电容只与导体本身的大小、形状以及周围的介质有关．真空中半径为R 的导体球壳的电容为04R πε⑵电容器的电容：若电容器充有电荷q ，两极间的电势差为ΔU ，则其电容为q C U=∆ 电容器的电容仅由其大小、形状以及两极板间的电介质决；平行板电容器的电容0S C dε=；球形电容器的电容012214R R C R R πε=- ；柱形电容器的电容。
高中物理 第一章 静电场 第9节 带电粒子在电场中的运动课件 新人教版必修2
2qU m
.
[即学即用] 判断下列说法的正误. (1)质量很小的粒子不受重力的作用.(× ) (2)动能定理能分析匀强电场中的直线运动问题，也能分析非匀强电 场中的直线运动问题√.( ) (3)利用牛顿运动定律结合运动学公式可分析匀强电场中的直线运动 问题，也可分析非匀强电场中的直线运动问题×.( ) (4)当电子在电场中做加速直线运动时，电场力做负功，电势能增加， 动能增加.( × )
图6 答案 见解析
甲
乙
图7
解析 答案
技巧点拨
1.当空间存在交变电场时，粒子所受电场力方向将随着电场方向的 改变而改变，粒子的运动性质也具有周期性. 2.研究带电粒子在交变电场中的运动需要分段研究，并辅以v－t图 象.特别注意带电粒子进入交变电场时的时刻及交变电场的周期.
达标检测
1.(带电粒子的直线运动)(2018·山东济宁市高一 下期末)如图8所示，P和Q为两平行金属板，板 间恒定电压为U，一电子只在电场力作用下， 从P板由静止开始向Q板运动.关于电子到达Q板 时的速率，下列说法正确的是 A.两板间距离越大，电子获得的速率就越大 B.两板间距离越小，电子获得的速率就越大
距为d，电势差为U，一质量为m(不计重力)、电荷量为－
q的粒子，以速度v0通过等势面M垂直射入两等势面之间， 则该粒子穿过等势面N的速度应是
2qU A. m
B.v0＋
2qU m
图2
√C. v02＋2qmU
D. v02－2qmU
解析 qU＝12mv2－12mv02，v＝ v02＋2qmU，选 C.
解析 答案
√C.电子到达Q板时的速率，与两板间距离无关
D.以上说法都不正确
1234
图8
答案
高中物理 第一章 静电场 第9讲 静电现象的应用课件 新人教版选修3-1
一、静电平衡状态下导体的电场和电荷分布
知识梳理
1.静电平衡状态 发生静电感应现象时，感应电荷的电场与原电场 叠加 ，使导体内部电 场 减弱，直至为零，导体内部自由电子不再发生定向移动 的状态. 2.处于静电平衡状态下导体中电场的特征 (1)处于静电平衡状态的导体，内部电场 处处为0 . (2)处于静电平衡状态的导体，其外部表面附近任何一点的场强方向必 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 .
12
答案
典例精析
例3 如图3所示，把原来不带电的金属壳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( )
A.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
图3
总结提升
13
解析答案
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对点检测 自查自纠
123
1.(静电平衡状态下导体的电场)如图4所示，一个带负电的金
示，接地的金属板右侧有固定的点电荷＋Q，a、b是金属板
右侧表面附近的两点，其中a到＋Q的距离较小，下列说法
正确的是( )
A.由于静电感应，金属板右侧表面带负电，左侧表面带正电 图5
B.由于静电感应，金属板右侧表面带负电，左侧表面不带电
C.整个金属板是一个等势体，且电势等于零
D.a、b两点的电场强度不为零，且a、b两点的场强方向相同，但a点的
图所示，从电场线的疏密可确定a点场强大于c点场强，
而b点场强为零，故Ea＞Ec＞Eb，而沿着电场线电势降低， 故φa＞φb＞φc，D选项正确.
图210解析答案返回二、尖端放电和静电屏蔽
9《静电场》内容讲解
静电场【全国物理竞赛知识要点2003】库仑定律、电荷守恒定律、电场强度、电场线、点电荷的场强、场强叠加原理、均匀带电球壳壳内的场强和壳外的场强公式（不要求导出）、匀强电场、电场中的导体、静电屏蔽、电势和电势差、等势面、点电荷电场的电势公式（不要求导出）、电势叠加原理、均匀带电球壳壳内的电势和壳外的电势公式（不要求导出）、电容、电容器的连接、平行板电容器的电容公式（不要求导出）、电容器充电后的电能、电介质的极化、介电常数 【内容讲解】(一) 场强、电势的计算 1、点电荷的电场2、均匀线分布电荷产生的场强净电荷均匀分布在一条线上，在空间某点产生的场强，通常可用微积分的方法进行定量计算，但运用微积分的方法进行定量计算，必须确定场强的方向才能方便可行。
下面将介绍一种等效方法来求解均匀线分布电荷的场强问题。
如图所示，线段AB 上均匀分布着线电荷密度为ρ的正电荷，其旁边有一点P ，P 点到直线AB 的距离为R ，则P 点的电场强度大小、方向如何确定？现以P 点为圆心以R 为半径做一个与直线AB 相切的圆弧，认为圆弧上也均匀分布着线电荷密度为ρ的正电荷，今在AB 上C 点取一微元△L ，在圆弧上对应取下微元△L /（取法如图），令PC=r ，则微元△L 在P 点产生的场强是：2.rLkE i ∆=ρ而 θθsin ∆=∆r L ，rR=θsin 所以：Rk E i θρ∆=./l ∆在P 点产生的场强是： 22//...R R kR L kE i θρρ∆=∆=所以：RkE i θρ∆=./由以上论证可知：/i i E E =，且二者方向也相同。
可见L ∆在P 点产生的场强可由/L ∆在P 点产生的场强代替，不难得出，AB 直线上的电荷在P 点产生的场强，可由图中MEN 弧在P 点产生的场强来代替。
下面将介绍均匀分布在圆弧上的电荷在圆心处产生的场强的计算公式。
如图所示，半径为R 的圆弧AB ，其圆心角为θ，其上均匀分布着线电荷密度为ρ的正电荷，圆心O 点的场强设为E o ，由对称性可得，E o 的方向一定沿AB 的连线的中垂线向右，即图中x 方向，取圆弧上一微元△L i ，它在O 点的场强为2.R L k E ii ∆=ρ，所以：∑∑∑∆=∆==αραραcos cos .cos 22iii o L R k RL kE E而∑=∆AB L i αcos . 则：2sin 2.220θρρR R k AB R k E ==所以：2sin 20θρR k E =---------------------------------------------------------① 若对于无限长均匀带电直线，在距离直线为R 的一点（相当于①式中θ=π），场强为 Rk E ρ2=---------------------------------------------------------② 若在均匀带电线段的延长线上一点，场强公式又如何？如图所时，在线段AB 上均匀分布着线电荷密度为ρ的正电荷，其旁边有一点P ，P 点到线段AB 的A 、B 两点的距离分别为d 1、d 2，点P 到线段AB 的垂直距离为R ，线段AB 的长为L ，点P 与A 、B 两点的连线之间的夹角为θ，则由公式①得，P 点的场强为：2sin 2θρR k E =LR d d 21sin 2121=θ∴ Ld d R θsin 21=代入P 点的场强公式整理得： 2cos21θρd d Lk E =若在长为L 的均匀带电（线电荷密度为ρ）线段AB 的延长线上一点P ，P 点距离线段AB 较近的一点的距离为d ，则根据上述表达式，d d =1 L d d +=2 0=θ，代入得：)(L d d Lk E +=ρ 即 Ld k d k E +-=ρρ-----------------------------------------------------③3、均匀面分布电荷的场强（1）无限大的带电平面的场强（2）均匀带电球面的场强参考均匀带电圆弧在圆心处产生的场强公式的推导，同样可推出面电荷密度为σ的均匀带电球冠在球心处产生的场强为：S Rk E 2σ=式中S 为球冠的底面积，R 为球面半径。
2020年山大附中高中物理竞赛辅导课件(电磁学)静电屏蔽(共17张PPT)
=
4 0
r13
-
r23
Ey
=
-
Ez = - z
=
qy
4 0
1
r13
-
1 r23
=
q
4 0
z -a
r13
-
z a
r23
2)平板上电荷面密度 z = 0
= 0Ez
=
2
x2
- qa y2 a2
3 2
电像法小结 1)理论根据
唯一性定理 2)基本思想
在域外放置适当的电像等效导体边界上 未知的感应电荷对域内电场的影响 3)适用的对象 边界简单(球、柱、面)域内电荷简单(线、点) 4)原则 不能影响原边值
具体作法： 用与原电荷相似的若干点电荷或线电荷 代替实际导体上的感应电荷， 来计算原电荷与感应电荷合成的场。 这些相似的电荷称为镜象电荷。
例1 无限大接地导体平板附近有一点电荷q
求:1)点电荷一侧的场的分布
aq
2)导体表面的感应电荷面密度
（江苏省集训队讲义） 镜象电荷与原电荷产生的 合场满足同样的边界条件
不接地的导体腔
接地的导体腔
静电屏蔽
金属罩
仪器
带电体
++++
+ +
唯一性定理
1.唯一性定理 在给定的以导体为边界的区域中 若电荷分布确定 则边界上按下列条件之一给定 域内的静电场必唯一 这些条件是
条件是 1) 给定每个导体的电势 2) 给定每个导体上的总电量 3) 一部分导体上给定电势
另一部分导体上给定带电量 (混合条件)
Ｅ０
Ｅ
＋
１6、在空气平行板电容中，平行插入一块各向同性的 电介质板，如图所示，当电容器充电后，若忽略边缘效 应，电介质中的场强Ｅ与空气中的场强相比较，
2020_2021学年新教材高中物理第九章静电场及其应用第4节静电的防止与利用课件新人教版必修3
微思考 静电平衡状态的导体，为何外表面的电场线一定与外表面垂直？
【答案】若不垂直，则外表面自由电荷受力不与外表面垂直，必会 朝表面移动，最终达到垂直为止(逃不出表面)．
处于静电平衡中的导体，内部电场强度处处为零的原因是 ()
3．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__零____．
(2)处于静电平衡状态的导体，外部表面任何一点的场强方向必跟该 点的切面___垂__直___．
4．导体上电荷的分布 (1)静电平衡下的导体__内__部____没有净电荷，电荷只分布在导体的 __外__表__面____．
精例2 (多选)如图所示，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( )
A．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．用有绝缘皮套的导线把验电器A与取电棒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
2．“整体观”法：当两个或多个原来彼此绝缘的导体接触或用导 线连接时，就可把它们看作是一个大导体，再用“远近观”判断它们的 带电情况，如有些问题所提到的“用手触摸某导体”，其实就是导体通 过人体与大地构成一个大导体．不要认为导体内部没有电荷，用导线连 接带电体内部时，小球Q就不带电，其实它们连接后就已成为一个整体， 故小球通过导线得到了电荷，如图乙所示．
A．导体内部无任何电场 B．外电场不能进入导体内部 C．所有感应电荷在导体内部产生的合电场强度为零 D．外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为零 【答案】D
高中物理第9章静电场及其应用4静电的防止与利用课件新人教版必修第三册
D [由于静电感应，金属球左侧带正电，右侧带负电，A、B错 误；点电荷在球心产生的电场强度不为零，C错误；A的内部合电场 强度处处为零，D正确。]
3．(多选)关于静电感应和静电平衡，以下说法正确的是( ) A．静电感应是由于导体内的自由电子受静电力作用的结果 B．导体内的自由电子都不运动称为静电平衡 C．处于静电平衡状态时，导体所占空间各处电场强度均为零 D．处于静电平衡状态时，导体内部将没有多余的“净”电荷
2．静电的应用和防止
(1)静电的应用
利用静电的性质
应用举例
利用静电能吸引较小 静电复印、静电喷漆、静电喷雾、激光打
物体
印、静电除尘
利用高压产生的电场 静电保鲜、静电灭菌、农作物种子处理
利用放电产生物
臭氧防止紫外线、氮合成氨
(2)静电的防止 防止静电危害的基本办法是尽快把产生的静电导走，避免越积 越多。 防止静电的途径主要有： ①避免产生静电，例如，在可能情况下选用不易产生静电的材 料。 ②避免静电的积累，产生的静电要设法导走，例如，增加空气 湿度、接地等。
2．静电屏蔽的两种情况
导体外部电场不影响导体内 接地导体内部的电场不影响
部
导体外部
图示
因场源电荷产生的电场与导体 当空腔外部接地时，外表面
实现 球壳表面上感应电荷在空腔内 的感应电荷因接地将传给地
过程 的合场强为零，达到静电平衡 球，外部电场消失，起到屏
状态，起到屏蔽外电场的作用 蔽内电场的作用
最终
接地导体空腔外部不受内部
导体内空腔不受外界电荷影响
结论
电荷影响
静电屏蔽是激发电场与感应电场叠加的结果，所以做静电屏 本质
蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体
【例2】 如图所示，把原来不带电的金属壳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接触，达到静电 平衡后，则( )
2023新教材高中物理第九章静电场及其应用4静电的防止与利用课件新人教版必修第三册
静电屏蔽问题的三点注意 (1)空腔可以屏蔽外界电场，接地的空腔可以屏蔽内部的电场作用，其 本质都是因为激发电场与感应电场叠加的结果，分析中应特别注意分清是 哪一部分的电场作用。 (2)对静电感应，要掌握导体内部的自由电荷是如何移动的，是如何建 立起附加电场的，何处会出现感应电荷。 (3)对静电平衡，要理解导体达到静电平衡时所具有的特点。
主题探究二 对尖端放电、静电屏蔽的理解和应用 [问题驱动] 请观察建筑物上的避雷针(如图9.4-5)，看它们是如何巧妙设计的，分 析它们如何能安全引电避雷，它们的造型与建筑物是否协调，并与同学讨 论交流。
图9.4-5 提示：在古建筑物的屋顶、屋角设置各种造型的动物，避雷针一端以 动物头上的角须形式或巨兽的舌头向上探出的形式巧妙安装，另一端引入 大地，从而起到避雷效果。
【素养训练】
3. 如图9.4-9所示，把原来不带电的金属壳B的外表面接地，将一带正电的
小球A从小孔中放入金属壳内，但不与B接触，达到静电平衡状态后，
则
()
A．金属壳B的空腔内电场强度为零
B．金属壳B不带电
C．金属壳B的外表面带正电荷
图9.4-9
D．金属壳B的内表面带负电荷
解析：因为金属壳的外表面接地，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带正电荷，则B的内表面带负电荷，选项D正确， 选项B、C错误；B的空腔内有带正电荷的小球A产生的电场和金属壳内表 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，选项A错误。 答案：D
4. 如图9.4-10所示，A为空心金属球，B为实心金属球，A、B两球原来不带 电，将另一带正电荷的小球C从A球开口处放入A球中央，不接触A球， 然后用手接触一下A球，再用手接触一下B球，再移走C球，则 ( )
2020年南师附中高中物理竞赛辅导课件09导体和电介质中的静电场(G电场的能量)
外力需作功
dA d(q UaUb)
q C
dq
dq
b带电电容器的能量为
E
W q q dq 1 Q 2
0C
2C
A
B
12C(UA
UB)2
1 2Q(UA
UB)
三.电场的能量
1.以平板电容器为例：设极板面积为S，
两极板间距离为d,板间充满介电常数
为 的电介质
W12C(UAUB)2
1 S
2d
2020年
高中物理学奥林匹克竞赛
考前辅导
2020 江苏南京
1
§9-5 电场的能量
一.带电体的能量
a设物体带有电量q时，相应电势为U
将电荷元dq从无限远处移到该带电体
上，外力需作功
q qdq
dq
d Ad(ห้องสมุดไป่ตู้ qU)Udq
b带电体具有的电势能
U
WA Q0 Udq
二.带电电容器的能量
q
q
a.将dq由B板移到A板，
(Ed)2
1 2
E 2
V
2单位体积的能量(电场能量密度)为
e
W V
1 E 2 1 DE
2
2
3.任意电场中所储存的能量为
WV edV V
1 2
DEdV
讨论：
电场具有能量是电场物质性的一种表 现
[例7]真空中一个半径为R的薄球壳，其 上带有均匀分布的电荷Q，求静电场的 总能量
解：电场分布在球壳的外部空间
rR E内 0
r R
E外
1
4 0
Q r2
静电场的总能量为
W V wedV V 120E2dV 120 R(4Q0r2)24r2dr
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第9讲静电屏蔽电像法本讲提纲1.静电感应现象2.静电屏蔽3.电像法以及应用本讲对等效思维运用较多，思考的时候概念转化很快。
部分不适的同学可以先只关注物理现象以及原理的解释，对于负责的运算大家可以根据自己的兴趣尽力跟进老师的讲解，不妨把部分难题当作对自己能力极限的挑战。
知识模块引入：电场中的导体把一块不带电的导体放到电场周围，这个导体就会感应出电荷。
这个现象不难去理解，一般用电场对电荷的力就能解释。
静电感应:导体内自由电子在外电场的作用下定向移动,重新分布的现象.本讲研究的是这个现象的定量规律。
如图演示的是在外电场下金属内部自由电子从移动，到最后稳定分布的过程。
知识点睛一.静电平衡:导体中(包括表面)没有电荷的定向移动的状态.由于感应电荷形成新的电场，最终导致金属内部合场强降为零，静电感应现象才达到了稳定，我们不妨称之为静电平衡。
1.导体内部的场强处处为零.2.整个导体是个等势体,导体的表面是等势面.3.净电荷分布在导体的外表面.4.在导体表面附近,电场线一定与表面垂直.如图是一般形状的金属放入电场后的影响二．静电屏蔽导体壳（网罩）不接地时，可以实现外部对内部的屏蔽，但不能实现内部对外部的屏蔽；导体壳（网罩）接地后，既可实现外部对内部的屏蔽，也可实现内部对外部的屏蔽。
如下图的演示试验，当导体放到静电计周围，并用金属球壳把静电计包起来后，静电计的指针是不偏转的。
如图是静电屏蔽掉超高压的试验示意，在高压电线上工作的工人穿的也是用金属制作的衣服，屏蔽电线周围的强电场。
下面列了另外的一些关于静电屏蔽的应用，具体内容请同学们课后自己查阅资料或者咨询老师。
1.电子仪器，比如示波器的接线都是这样的屏蔽线；2.外的天线；3.电视信号线，外面就有一层金属丝，就为了静电屏蔽，使信号不受干扰；4.务区怕被人打手机，又不能关机，找个金属盒子装进去，就变成了“您拨打的用户不在服务区”；例题精讲【例1】如图所示，把一个带正电的小球放人原来不带电的金属空腔球壳内，其结果可能是（）A ．只有球壳外表面带正电。
B ．只有球壳内表面带正电。
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提示：可以引入法拉第圆筒 【例2】 如图带正电的小球C 放在A 球的中央，不接触A 球，然后用手接触一下A 球，再用手接触一下B 球，再移走C 球，则( ) A. A 球带负电，B 球不带电 B. A 、B 都带负电C.A 球带负电，B 球带正电D.A 、B 球都带正电答案：A 【例3】 如图所示，将悬在细线上的带正电的小球A 放在不带电的金属空心球C 内(不与球壁接触)，另有一个悬挂在细线上的带负电小球B 向C 靠近，于是( ). A ．A 往左偏离竖直方向，B 往右偏离竖直方向 B ．A 的位置不变，B 往右偏离竖直方向 C ．A 往左偏离竖直方向，B 的位置不变 D ．A 和B 的位置都不变答案：B 【例4】 如图所示为一具有金属罩壳的金箔验电器，A 为金属小球，B 为金属杆，C 为金箔，D 为金属罩壳。
验电器放在绝缘板S 上。
现将一定量的正电荷移至小球A 上，于是两金箔将__________。
然后用一有绝缘柄的金属叉K 将小球A 与金属罩壳D 相连，则两金箔将_______ 。
最后移去金属叉，再用手指触及小球A 、则两金箔将________________。
A＋CB答案：张开合上张开【例5】如图，两个半径分别为r1和r2的导体用导线相连，并且相隔很远，计算其带电q1和q2的比，小球上面的电荷密度之比，以及球附近的电场强度之比。
答案：【应用拓展】：尖端放电计算表明，当一个金属表明带电达到平衡后，其表面的电荷密度是反比与其曲率半径的，所以越是“尖”的部位电荷密度会越大，电场强度就越大。
当电场大到一定程度后，就会击穿空气，形成尖端放电现象。
下图左边是尖端放电的示意图，右图是利用尖端放电制作的避雷针其他的应用请同学们课后自己查阅资料或者咨询老师：1.高压输电中，把电极做成光滑球状2.范德格拉夫起电机的起电原理就是利用尖端放电使起电机起电；3.场离子显微镜（FIM）、场致发射显微镜(FEM)乃至扫描隧道显微镜(STM)等可以观察个别原子的显.微设备的原理都与尖端放电效应有关；4.静电复印机的也是利用加高电压的针尖产生电晕使硒鼓和复印纸产生静电感应，从而使复印纸获得与原稿一样的图象。
【例6】在内外半径分别为R1和R2的导体球壳内，有一个半径为r 的导体小球，小球与球壳同心，让小球与球壳分别带上电荷量q和Q。
试求：（1）小球的电势V r，球壳内、外表面的电势；（2）小球与球壳的电势差；（3）若球壳接地，再求小球与球壳的电势差。
2211rqrq=1221rrσσ=∴答案： 1）2）⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-10114R r q V V R r πε 3）⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-10114R r q V V R r πε 【例7】 如图所示，O 为半径等于R 的原来不带电的导体球的球心，O 1、O 2、O 3为位于球内的三个半径皆为r 的球形空腔的球心，它们与O 共面，已知．在OO 1、OO 2的连线上距O 1、O 2为的P 1、P 2点处分别放置带电量为q 1和q 2的线度很小的导体（视为点电荷），在O 3处放置一带电量为q 3的点电荷，设法使q 1、q 2和q 3固定不动．在导体球外的P 点放一个电量为Q 的点电荷，P 点与O 1、O 2、O 3共面，位于的延长线上，到O 的距离． 1．求q 3的电势能．2．将带有电量q 1、q 2的小导体释放，当重新达到静电平衡时，各表面上的电荷分布有何变化？ 此时q 3的电势能为多少？ （选讲）【解析】1．由静电感应知空腔1、2及3的表面分别出现电量为1q -、2q -和3q -的面电荷，由电荷守恒定律可知，在导体球的外表面呈现出电量321q q q ++．由静电屏蔽可知，点电荷q 1及感应电荷（1q -）在空腔外产生的电场为零；点电荷q 2及感应电荷（2q -）在空腔外产生的电场为零；点电荷q 3及感应电荷（3q -）在空腔外产生的电场为零．因此，在导体球外没有电荷时，球表面的电量⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=21041R Q q R q r q V r πε2021104411R Q q R Q q R q R q V R πεπε+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=2022204412R Q q R Q q R q R q V R πεπε+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=321q q q ++作球对称分布．当球外P 点处放置电荷Q 后，由于静电感应，球面上的总电量仍为()321q q q ++，但这些电荷在球面上不再均匀分布，由球外的Q 和重新分布在球面上的电荷在导体球内各点产生的合场强为零．O 3处的电势由位于P 点处的Q 、导体球表面的电荷()321q q q ++及空腔3表面的感应电荷（3q -）共同产生．无论()321q q q ++在球面上如何分布，球面上的面电荷到O 点的距离都是R ，因而在O 点产生的电势为R q q q k321++， Q 在O 点产生的电势为RQk 2，这两部分电荷在O 3点产生的电势U '与它们在O 点产生的电势相等，即有⎪⎭⎫⎝⎛+++=⎪⎭⎫ ⎝⎛+++='R q q q Q k R Q R q q q k U 22222321321 （1）因q 3放在空腔3的中心处，其感应电荷3q -在空腔3壁上均匀分布．这些电荷在O 3点产生的电势为rq kU 3-='' (2)根据电势叠加定理，O 3点的电势为⎪⎭⎫⎝⎛-+++=''+'=r q R q q q Q k U U U 33212222(3)故q 3的电势能⎪⎭⎫⎝⎛-+++==r q R q q q Q kq U q W 3321332222(4)2． 由于静电屏蔽，空腔1外所有电荷在空腔1内产生的合电场为零，空腔1内的电荷q 1仅受到腔内壁感应电荷1q -的静电力作用，因q 1不在空腔1的中心O 1点，所以感应电荷1q -在空腔表面分布不均匀，与q 1相距较近的区域电荷面密度较大，对q 1的吸力较大，在空腔表面感应电荷的静电力作用下，q 1最后到达空腔1表面，与感应电荷1q -中和．同理，空腔2中q 2也将在空腔表面感应电荷2q -的静电力作用下到达空腔2的表面与感应电荷2q -中和．达到平衡后，腔1、2表面上无电荷分布，腔3表面和导体球外表面的电荷分布没有变化．O 3的电势仍由球外的电荷Q 和导体球外表面的电量()321q q q ++及空腔3内壁的电荷3q -共同产生，故O 3处的电势U 与q 3的电势能W 仍如(3)式与(4)式所示． 知识点睛电像法的实质在于将一给定的静电场变换为另一易于计算的等效静电场，多用于求解在边界面（例如接地或保持电势不变的导体）前面有一个或一个以上点电荷的问题，在某些情况下，从边界面和电荷的几何位置能够推断：在所考察的区域外，适当放几个量值合适的电荷，就能够模拟所需要的边界条件．这些电荷称为像电荷，而这种用一个带有像电荷的、无界的扩大区域，来代替有界区域的实际问题的方法，就称为电像法．例如：①一无限大接地导体板A前面有一点电荷Q，如图所示，则导体板A有（图中左半平面）的空间电场，可看作是在没有导体板A存在情况下，由点电荷Q与其像电荷Q--所共同激发产生．像电荷Q 的位置就是把导体板A当作平面镜时，由电荷Q在此镜中的像点位置．电像法的正确性可用静电场的唯一性定理来论证，定性分析可从电场线等效的角度去说明．②一半径为r的接地导体球置于电荷q的电场中，点电荷到球心的距离为h，球上感应电荷同点电荷q之间的相互作用也可以用一像电荷替代．例题精讲【例8】一块无限大的导体板，左侧接地，在右侧离板d的A处放置一个负电荷-q，求静电平衡后：1）板上感应电荷在导体内任一点P产生的场强；2）感应电荷在导体外任意一点P′处产生的场强；3）证明导体表面附近处合场强垂直于导体表面4）求-q所受的库仑力；5）若切断接地线后，将+Q放在导体板上，+Q将如何分布？答案：略【例9】如图，水平放置的圆形导体薄板的半径为R，在其轴线上离圆板中心O的距离为a的A处有一静止的点电荷q，设a远远小于R，整个系统离地很远，忽略边缘效应．⑴将圆形导体薄板接地，求板上的电荷分布．⑵若将点电荷q沿轴线移向无穷远处，电场力做功多大？⑶若圆形导体薄板不接地且带有电量Q，点电荷q仍然放在A处，求板面电荷的分布状况？答案：略【例10】已知接地金属导体球附近存在1个点电荷时，该系统在球外空间产生的电场可以等效地看成是由原来的点电荷与另1个位于球内适当位置具有适当电量的点电荷q共同产生．设接地导体球半径为R，球外点电荷q距球心距离为d，如图所示，试确定另一电荷q'的位置和电量？并计算小球受的力答案：dR x dq qR q 2'==且 【例11】 一个点电荷带正电q ，一个半径为R 的金属球带电Q ，点电荷到球心距离为a ，要让两者间相互作用为零，q 电量满足什么要求。