高中物理第一章第7节静电现象的应用导学案(含解析)新人教版选修3-1

第七节静电现象的应用

1.知道什么是静电平衡状态，理解处于静电平衡状态导体的特性.

2.知道什么是静电屏蔽及其有关应用.

3.知道导体上电荷的分配规律.,

4.了解尖端放电现象.

一、静电平衡状态下导体的电场

1．静电感应现象

放在电场中的导体其内部自由电荷在电场力作用下定向移动，而使导体两端出现等量异号电荷的现象．

2．静电平衡状态

导体中(包括表面) 自由电子不再发生定向移动，我们就认为导体达到了静电平衡状态．3．静电平衡状态下导体的特点

(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整个导体是一个等势体，它的表面是一个等势面．

(3)表面处的场强不为零，表面处的场强方向跟导体表面垂直．

4．导体上电荷的分布

(1)处于静电平衡状态的导体，内部没有电荷，电荷只分布在外表面上．

(2)在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积的电荷量)越大，凹陷的位置几乎无电荷．

[想一想] 1.处于静电平衡状态的导体，内部场强为什么是零？导体表面的电场沿什么方向？

提示：导体在电场中发生静电感应现象，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部各点的合电场为零.,导体表面电场方向与导体表面垂直.

二、尖端放电、静电屏蔽

1．尖端放电

(1)尖端放电：空气被电离后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，相当于导体从尖端失去电荷的现象．

(2)应用和防止

应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施．

防止：高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失．

2．静电屏蔽

(1)定义：当金属外壳达到静电平衡时，内部没有电场，因而金属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．[想一想] 2.绝缘球壳能否起到屏蔽外电场的作用？

提示：绝缘球壳中没有自由电荷，当放入外电场时，不会发生静电感应现象，壳内场强也不会为零.即不能起到屏蔽外电场的作用.

对静电平衡的理解

1．静电平衡实质

(1)在达到静电平衡的过程中，外电场引起导体内自由电荷的定向移动使导体两侧出现感应电荷，感应电荷的电场和外电场方向相反，使合场强减小，随着感应电荷的继续增加，合场强逐渐减小，直至合场强为零，自由电荷的定向移动停止．

(2)静电平衡的条件：导体内部的合场强为零，即E合＝0.

2．静电平衡状态下导体的特点

(1)导体内部某处感应电荷产生的场强E′与周围原电场场强E大小相等，方向相反，两者相互抵消，导体内部处处合场强E合为零，但导体表面的电场强度不为零．

(2)整个导体是一个等势体，导体表面是等势面，但电势不一定为零．

(3)电场线与导体表面垂直．

特别提醒：一个孤立的带电体，在自身所带电荷的电场中，处于静电平衡状态，具有静电平衡的所有特点．

AB是长为L的金属杆，P1、P2是位于AB 所在直线上的两点，位置如图所示，在P2点有一个带电量为＋Q的点电荷，试求出金属杆上的感应电荷在P1点产生的场强大小和方向．

[思路探究] 处于静电平衡的导体，内部场强是怎样的？

[解析] 由于金属杆处于静电平衡状态，P1点的合场强为零，因此金属杆上的感应电荷在P1点产生的场强与点电荷＋Q在P1点产生的场强大小相等、方向相反，从而得：

E＝k Q

L2

，方向向右．

[答案] k Q

L2

方向向右

规律总结

求处于静电平衡状态的导体感应电荷产生的场强的方法是：利用感应电荷产生的电场与外电场在导体内部的合场强为零进行分析．

1.一金属球，原来不带电，现沿球直径的延长线放置一均匀带电

的细杆MN，如图所示．金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、

b、c三点的场强大小分别为E a、E b、E c，三者相比，则( )

A．E a最大B．E b最大

C．E c最大D．E a＝E b＝E c

解析：选C.处于静电平衡的导体内部场强处处为零，故a、b、c三点的场强都为零．静电平衡在导体内部场强为零是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果，所以感应电荷在球内某点产生的电场的场强与MN在这一点形成的电场的场强等大、反向．比较a、b、c三点感应电场的场强，实质上是比较带电体MN在这三点的场强．由于c点离MN最近，故MN在c点的场强最大，感应电荷在c点场强也最大．故选C.

静电平衡导体的电荷分布及分析方法

1．电荷分布特点

(1)净电荷都分布在导体的表面，导体内部没有净电荷．

(2)感应电荷分布于导体两端，电性相反，电量相等，远同近异．

(3)净电荷在导体表面分布不均匀，导体表面尖锐处电荷分布密集，平滑处电荷分布稀疏，凹陷处几乎没有电荷．

2．电荷分布的分析方法

(1)“远近观”法：处于静电平衡状态的导体，离场源电荷较近和较远的两端感应出等量的异种电荷，而导体的中间部分因感应电荷较少，可认为无感应电荷产生，如图甲所示．

(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，就可把它们看做是一个大导体，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．

特别提醒：依据电场线和电势高低，判定导体中电荷受力和移动方向，进一步求解静电平衡问题，有时会起到事半功倍之效．

如图所示，接地的金属板右

侧有固定的点电荷＋Q，a、b点是金属板右侧表面的两点，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

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．整个导体，包括表面上的a、b点，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两点场强方向相同，但a点的场强比b点的场强要强(大)一些

[思路探究] 当导体接地时，远端是否发生变化？