高中物理学案：静电现象的应用

高中物理学案：静电现象的应用

[学科素养与目标要求]

物理观念：1.知道什么是静电平衡状态,能说出静电平衡状态下的导体特点.2.知道导体上电荷的分布特征,了解尖端放电、静电屏蔽现象及其成因.

科学探究：1.观察演示实验并对实验现象分析,体会运用所学知识进行分析推理的方法.2.查阅并搜集资料,了解静电屏蔽在技术和生活中的应用.

科学思维：会根据静电平衡条件求解感应电荷产生的场强.

一、静电平衡状态下导体的电场和电荷分布

1.静电平衡状态：导体中(包括表面上)没有电荷定向移动的状态.

2.静电平衡状态的特征：

(1)处于静电平衡状态的导体,内部的电场处处为0.

(2)处于静电平衡状态的导体,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,导体的表面为等势面.

3.导体上电荷的分布：

(1)导体内部没有电荷,电荷只分布在导体的表面.

(2)在导体外表面,越尖锐的位置,电荷的密度(单位面积的电荷量)越大,凹陷的位置几乎没有电荷.

二、尖端放电和静电屏蔽

1.空气的电离：导体尖端电荷密度很大,附近的电场很强,强电场作用下的带电粒子剧烈运动,使分子中的正负电荷分离的现象.

2.尖端放电：与导体尖端异号的粒子,由于被吸引,而与尖端上电荷中和,相当于导体从尖端失去电荷的现象.

尖端放电的应用与防止：

(1)应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施.

(2)防止：高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失.

3.静电屏蔽：金属壳(网)内电场强度保持为0,外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响的作用叫做静电屏蔽.

静电屏蔽的应用：电学仪器外面有金属壳、野外高压线上方还有两条导线与大地相连.

判断下列说法的正误.

(1)处于静电平衡状态的导体内部任意两点间的电势差为零.(√)

(2)静电平衡时,导体内的自由电子处于静止状态.(×)

(3)避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地.(×)

(4)用金属网把验电器罩起来,再使带电金属球靠近验电器,则验电器箔片能张开.(×)

(5)电工穿的高压作业服是用铜丝编织的,目的是铜丝衣服有屏蔽作用,使体内场强为零.(√)

一、静电平衡状态下的导体

如图所示,不带电的金属导体放到电场中,导体内的自由电子将发生定向移动,使导体两端出现等量异号电荷.请思考下列问题：

(1)自由电子定向移动的原因是什么？定向移动的方向如何？

(2)自由电子能否一直定向移动？为什么？

答案(1)自由电子受外加电场的电场力作用而移动,向着与电场相反的方向定向移动. (2)不能.感应电荷产生的电场与外加电场反向,阻碍电子的定向移动,当这两个电场大小相等时,电子的定向移动终止.

1.处于静电平衡状态的导体内部场强为零的本质是外电场E0和感应电荷产生的电场E′的合场强为0,即E0＝－E′.

2.孤立的带电导体处于静电平衡状态,内部场强为0的本质是分布在导体外表面的电荷在导体内部的合场强为0.

3.处于静电平衡的导体是等势体,表面是等势面,所以导体表面的电场线应与导体表面垂直. 例1长为l的导体棒原来不带电,现将一带电荷量为＋q的点电荷放在距棒左端R处,如图1所示.当棒达到静电平衡后,棒上的感应电荷在棒内中点P处产生的电场强度大小等于________,方向为________.

图1

答案

4kq

(2R＋l)2

向左

解析导体棒在点电荷＋q的电场中发生静电感应,左端出现负电荷,右端出现正电荷,棒中任意一点都受两个电场的影响,即外电场(＋q在该点形成的电场E0)和附加电场(棒上感应电荷在该点形成的电场E′),达到静电平衡状态时E′＝－E0.题中所求的即为E′,E′＝－E0＝－kq

(R＋l

2

)2

＝－

4kq

(2R＋l)2

,负号代表E′和E0方向相反,即方向向左.

点拨：求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的场强的方法是：

(1)先求出外电场场强E外的大小和方向.

(2)由于导体处于静电平衡状态,则满足静电平衡条件E合＝0.

(3)由E外＋E感＝0,求出感应电场E感的大小和方向.

针对训练1 (多选)如图2所示,带负电的点电荷旁有一接地大金属板,A为金属板内的一点,B 为金属板左侧外表面上的一点,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( )

图2

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点的场强可能沿E3方向

D.感应电荷在B点的场强可能沿E4方向

答案BC

解析金属板内的电场强度处处为0,则感应电荷的电场与点电荷的电场等大反向,即感应电荷在A点的场强沿E

方向,选项B正确；金属板表面的电场强度垂直表面向外,即为感应电荷的电场与

2

点电荷的电场的合场强,则感应电荷在B点的场强可能沿E3方向,选项C正确.

[学科素养] 静电平衡是外部电荷电场与感应电荷电场叠加的总体效果,通过分析以上两个题目,锻炼了学生的思维能力,体现了“科学思维”的学科素养.

二、导体上电荷的分布

静电平衡时,导体上的电荷分布有：

(1)净电荷只分布在导体表面,内部没有净电荷.

(2)感应电荷分布于导体两端,电性相反,电荷量相等,近异远同,如图3甲所示.

(3)净电荷在导体表面的分布不均匀,一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集,如图乙所示.

甲乙

图3

例2如图4所示,把一个带正电的小球放入原来不带电的金属空腔球壳内并接触,其结果可能是( )

图4

A.只有球壳外表面带正电

B.球壳的内表面带负电,外表面带正电

C.球壳的内、外表面都带正电