第1章 第4节 电场中的导体—2020-2021鲁科版高中物理选修3-1课件(共48张PPT)

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)场强叠加原理仅适用于点电荷共同形成的电场。
(× )
[提示] 场强叠加原理适用于所有电场。
(2)在场强叠加区域，电场线可以相交叉。
(× )
[提示] 电场线是叠加场的电场线，空间不相交。
(3)在电场中导体处于静电平衡时，导体内任一点的场强为零。
(√ ) (4)处于静电平衡的导体，净电荷只能分布在导体的外表面上。
第1章 静电场
第4节 电场中的导体
[学习目标] 1.理解电场强度的叠加遵循平行四边形定则，掌握 电场强度叠加的运算。(科学思维)2.知道静电的原因及静电屏蔽的概 念。(物理观念)3.了解静电屏蔽现象及其在生活中的应用。(科学态度 与责任)
自主 预习 探新 知
一、场强叠加原理 1．概念 若有几个点电荷同时存在，它们产生的电场中任一点的电场强度 等于这几个点电荷各自在该点产生的电场强度的矢量和。这个结论叫 作场强叠加原理。 2．方法 场强的叠加遵循平行四边形 定则。
静电平衡的理解及应用
1.静电平衡的实质 静电平衡的实质是外电场和感应电荷的电场的叠加。静电平衡时 附加电场 E′与外电场 E0，方向相反、大小相等，导体内各位置的合 场强为零，自由电荷所受合力为零。
2．导体处于静电平衡状态的特点 (1)导体内没有电荷的定向移动。 (2)内部场强处处为零。 (3)导体表面上任何一点的场强方向都与该处表面垂直。 (4)净电荷只分布在导体表面(“净”即导体中正负电荷中和后净 剩的意思)，且越尖锐处电荷的密度越大，凹陷的位置几乎没有净电 荷。
课堂小结
1 个原理：场强叠加原理 1 个状态：静电平衡状态 2 种现象：屏蔽内电场、屏蔽外电场
知识脉络
当堂 达标 固双 击
1．对于处在静电平衡状态的导体，下列说法正确的是( ) 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强度均为零 C．导体处于静电平衡时，导体表面的电荷代数和为零 D．导体内部电场强度为零是外加电场与感应电荷产生的电场叠 加的结果
D [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，以至于该处电场强度 不为零，导体表面的电荷代数和不一定为零，故选项 D 正确。]
2．(多选)电力工作人员在几百万伏的高压线上进行带电作业，电 工全身穿戴带电作业用屏蔽服，屏蔽服是用导电金属材料与纺织纤维 混纺交织成布后再做成的服装，下列说法正确的是( )
3．特点 电场叠加具有普遍性，不仅点电荷的电场可以叠加，其他任何电 场的场强都可以进行叠加。
二、静电平衡与静电屏蔽 1．静电平衡 (1)定义：导体中没有电荷移动 的状态。 (2)特点 ①导体内部场强处处为零 。 ②电荷只分布在导体的外表面上。
2．静电屏蔽 (1)定义：当中空的导体达到静电平衡时，内部无 电场，因而导体 的外壳 会对其内部起屏蔽作用，使它内部不受外部电场影响的现象。 (2)应用：电子仪器和电子设备外面都有金属壳，通信电缆外面包 有一层金属网，高压线路的检修人员要穿屏蔽服等，都是利用静电屏 蔽现象消除外电场的影响。
A．A 球带负电荷，B 球带正电荷 B．A 球带负电荷，B 球不带电 C．A、B 两球都带负电荷 D．A、B 两球都带正电荷 思路点拨：对静电屏蔽问题的分析，关键是抓住静电平衡的特点， 区分两种屏蔽现象，认清感应电荷的分布。
B [首先带正电荷的小球 C 从 A 球开口处放入 A 球中央。根据 静电感应现象可知，A 球内表面带负电荷，外表面带正电荷，用手接 触 A 相当于把 A 接地，由大地传导过来的电子与 A 球外表面正电荷 中和，使 A 球外表面不带电，此时 A 球对外起静电屏蔽作用，A 球内 的电场不影响外部。用手接触 B 时，无电荷移动，B 球不带电。当带 正电荷的 C 球从 A 球内移走后，A 球内表面所带的负电荷移至外表面， 所以此时 A 球带负电荷。由上述可知，选项 B 正确。]
点合场强方向应垂直金属板向外
1.静电屏蔽的两种情况 屏蔽外电场
屏蔽内电场
图示
因场源电荷产生的电场与导体球 当空腔外部接地时，外表面
实现 壳表面上感应电荷在空腔内的电 的感应电荷因接地将传给地
过程 场的合场强为零，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
A．采用金属材料编织的衣服目的是使衣服不易拉破 B．采用金属材料编织的衣服目的是利用静电屏蔽 C．电工穿上屏蔽服后，使体内场强为零 D．电工穿上屏蔽服后，使体内电势为零
BC [屏蔽服作用是在穿上后，使处于高压电场中的人体外表面 各部位形成一个等电位屏蔽面，从而防护人体免受高压电场及电磁波 的危害。等电位说明电势相等而不是等于 0，等电势时电势差为 0， 电场强度为 0，B、C 正确，A、D 错误。]
ห้องสมุดไป่ตู้
[跟进训练] 1．直角坐标系 xOy 中，M、N 两点位于 x 轴上，G、H 两点坐标 如图。M、N 两点各固定一负点电荷，一电荷量为 Q 的正点电荷置于 O 点时，G 点处的电场强度恰好为零。静电力常量用 k 表示。若将该 正点电荷移到 G 点，则 H 点处场强的大小和方向分别为( ) A.34kaQ2 ，沿 y 轴正向 B.34kaQ2 ，沿 y 轴负向 C.54kaQ2 ，沿 y 轴正向 D.54kaQ2 ，沿 y 轴负向
[解析] (1)如图所示，A、B 两点电荷在 O 点产生的场强方向相
同，均由 A→B，A、B 两点电荷在 O 点产生的电场强度大小
EA＝EB＝krQ2＝4kr2Q。 2
(2)O 点的场强为 EO＝EA＋EB＝8kr2Q， 方向由 A→B。 [答案] (1)均为4kr2Q，方向由 A 到 B (2)8kr2Q，方向由 A→B
(√ ) (5)在电场中导体处于静电平衡时，导体内任一点的感应电荷的场
强为零。
(× )
[提示] 导体内合场强为零。
2．如图所示，用起电机使金属鸟笼带电，站在金属架上的鸟安 然无恙，且不带电，其原因是( )
A．鸟的脚爪与金属架绝缘 B．鸟能承受的安全电压比较高 C．起电机使笼带电，笼的电势不会很高 D．鸟笼内部场强为零，电荷分布在笼的外表面
3．如图所示，金属球壳的内外表面分别用 C、D 表示，B 球与 金属球壳内表面紧密接触。金属小球 A 原来带正电，金属球壳与金属 小球 B 原来不带电，当用一根导线将 A、B 两球连接时，以下判断中 正确的是( )
A．A 与 B 带正电，C 带负电，D 带正电 B．D 带正电，A 带正电，B 与 C 不带电 C．只有 A 带正电，其他均不带电 D．A 带正电，D 带负电，B 与 C 不带电
上例中在两点电荷连线的中垂线上，距 A、B 两点都为 r 的 O′
点的场强如何？ [解析] 如图所示，EA′＝EB′＝krQ2 ，由矢量图
所形成的等边三角形可知，O′点的场强 EO′＝EA′
＝EB′＝krQ2 ，方向由 A→B。 [答案] krQ2 ，方向由 A→B
计算合场强的三点注意 (1)明确有几个场源。 (2)分析各个场源在所考查的位置或空间激发电场的大小和方向。 (3)根据场强叠加原理，多个场源激发电场的合电场强度等于各个 电场单独存在时，在该点产生的电场强度的矢量和。
[跟进训练] 3．(多选)在如图所示的实验中，验电器的金属箔片会张开的是 ()
A
B
C
D
BD [题图 A 中验电器箔片不会张开，金属网可以屏蔽外电场； 题图 B 中验电器箔片会张开，因为金属网未接地，网内的带电体可以 对外界产生影响；题图 C 中验电器箔片不会张开，因为金属网已接地， 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；题图 D 中电荷 Q 由于网罩的作用对外无影响，但对内仍有电场，故验电器 箔片会张开。选项 B、D 正确。]
B [金属板内部场强为 0，点电荷在 A 点场强方向为 E1，感应电 荷在 A 点的场强为 E2，二者叠加后才能为 0，故选项 A 错误，B 正 确；B 点在金属板表面上，那么 B 点合场强方向应垂直金属板向外， 而点电荷引起的场强方向指向负电荷，则感应电荷引起的场强方向可 能为题目所给的 E3 方向，故选项 C、D 错误。]
对静电平衡的两点说明 (1)“内”仅指导体内部，导体的表面上的场强是否为零应看此表 面是否分布净电荷。 (2)明确三个场强，即原外电场 E0，感应电荷附加电场 E′，合电 场 E，“合”是指内、外电场(即外部电场与感应电荷产生的电场)的 矢量和。
[跟进训练] 2．如图所示，带电荷量－Q 的点电荷旁有一接地的大金属板，A 为金属板内一点，B 为金属板左侧外表面上一点，下列关于金属板上 感应电荷在 A 点和 B 点的场强方向判断正确的是( ) A．感应电荷在 A 点的场强沿 E1 方向 B．感应电荷在 A 点的场强沿 E2 方向 C．感应电荷在 B 点的场强一定沿 E3 方向 D．感应电荷在 B 点的场强可能沿 E4 方向
3．均匀带电球周围的场强：均匀带电球体(或球壳)外各点的电场 强度：E＝kQr2，式中 r 是球心到该点的距离(r≫R)，Q 为整个球体(或 球壳)所带的电荷量，如图乙所示。
【例 1】 如图所示，真空中，带电荷量分别为＋Q 和－Q 的点 电荷 A、B 相距 r，则：
(1)点电荷 A、B 在中点 O 产生的场强分别为多大？方向如何？ (2)两点电荷连线的中点 O 的场强为多大？方向如何？
D [金属鸟笼起到静电屏蔽的作用，内部场强为零，电荷分布在笼 的外表面。故 D 项正确。]
3．(多选)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，其电场分布图正确的是( )
A
B
C
D
CD [空心金属球内放一正电荷，由于静电感应使金属球外表带 正电，球壳上达到静电平衡，内部场强为零，当金属球接地时，对外 具有屏蔽作用，故选项 C、D 正确。]
【例 2】 处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零的 原因是( )
A．导体内部无任何电场 B．外加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．外加电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为零
D [处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零是感应电 荷的电场与外加电场叠加的结果，故选项 D 正确。]
合作 探究 攻重 难
对场强叠加原理的理解
1.场强叠加的适用条件：场强的叠加原理不仅适用于几个点电荷 的电场叠加，也适用于匀强电场和非匀强电场的叠加，都遵从平行四 边形定则。
2．某点场强的叠加：电场中某点的电场强度为各个点电荷单独 在该点产生的电场强度的矢量和。场强的叠加遵循平行四边形定则， 如图甲所示。
B [A 与 B 用导线连接后，A、B 两球以及球壳成为一个大导体， A 球表面及球壳的外表面 D 相当于大导体的外表面，B 球表面及球壳 内表面相当于大导体的内表面，因为静电平衡导体的电荷只分布在外 表面上，故 B 正确，A、C、D 错误。]
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
本质
静电感应与静电平衡
2.静电屏蔽的实质 利用静电感应现象，使金属壳内的感应电荷的电场和外加电场的 矢量和为零，好像金属壳将外电场“挡”在外面，即所谓的屏蔽作用， 其实是壳内两种电场并存，矢量和为零而已。
【例 3】 如图所示，A 为空心金属球，B 为金属球，A、B 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( )
B [处于 O 点的正点电荷在 G 点处产生的场强大小 E1＝kaQ2，方 向沿 y 轴负向；又因为 G 点处场强为零，所以 M、N 处两负点电荷在 G 点共同产生的场强大小 E2＝E1＝kaQ2，方向沿 y 轴正向；根据对称 性，M、N 处两负点电荷在 H 点共同产生的场强大小 E3＝E2＝kaQ2， 方向沿 y 轴负向；将该正点电荷移到 G 处，该正点电荷在 H 点产生 的场强大小 E4＝k2Qa2，方向沿 y 轴正向，所以 H 点的场强大小 E＝ E3－E4＝34kaQ2 ，方向沿 y 轴负向。]