静电现象的应用教案(教师版)

1.7静电现象的应用

【重点难点】

1．静电场中静电平衡状态下导体的特性，即其电荷分布、电场分布等是重点。

2．运用电场有关知识，分析、推理出实验现象的成因是难点。

教学过程

静电感应——静电平衡——静电平衡的特点——导体上电荷分布特点——尖端电荷汇聚——尖端放电——避雷针——静电屏蔽——静电屏蔽的应用

一、静电感应

1、演示实验静电感应现象

静电感应现象：在电场中的导体沿着电场强度方向两端出现等量异种电荷，这种现象叫静电感应现象．当外电场撤掉，导体两端电荷又中和，可见静电感应现象中导体上净电荷仍然为零．

将不带电的导体置于电场中时，导体那自由电荷受力，发生定向移动，从而重新分布．重新分布的电荷在导体内产生一个与原电场反向的电场，阻碍电荷定向移动，该电场与外电场叠加，使导体内部的电场减弱，只要内部场强不为零，导体两面的正负电荷便继续增加，导体的内部电场就会继续削弱，直至导体内部的合场强都等于零的时候为止，这时导体内自由电子不再发生定向移动．

导体中（包括表面）没有电荷的定向移动的状态，叫做静电平衡状态．

总结：①静电平衡状态：导体上处处无电荷定向移动的状态．

②特征：导体内部处处场强为零．在这个特征基础上进行推论，可得静电场中导体的特点．

2、强调：处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零．而且处于静电平衡状态的导

体，电荷只能分布在导体外表面上．这是为什么呢？为了验证这一点，可采用反证法，若导体内部有净电荷，电荷周围有电场，那么导体内部电场强度将不为零，电荷将发生定向移动．

二、静电现象的应用

1、尖端放电

原因：因为在尖端附近强电场的作用下空气中残留的离子会发生激烈的运动。在激烈的运动过程中它们和空气分子相碰时，会使空气分子电离，从而产生大量新的离子，这就使空气边得易于导电。与尖端上电荷同号的离子受到排斥而飞向远方，蜡烛的火焰偏移就是受到这种离子形成的“电风”吹动的结果。

在强电场作用下，物体曲率大的地方(如尖锐、细小的顶端，弯曲很厉害处)附近，等电位面密，电场强度剧增，致使这里空气被电离而产生气体放电现象，称为电晕放电．而尖端放电为电晕放电的一种，专指尖端附近空气电离而产生气体放电的现象

2）、闪电防护

雷鸣电闪时在室外的人，为防雷击，应当遵从四条原则．

一是人体应尽量降低自己，以免作为凸出尖端而被闪电直接击中

二是人体与地面的接触面要尽量缩小以防止因“跨步电压”造成伤害．所谓跨步电压是雷击点附近，两点间很大的电位差，如若人的两脚分得很开，分别接触相距远的两点，则两脚间便形成较大的电位差，有强电流通过人体使人受伤害．

三是不可到孤立大树下和无避雷装置的高大建筑体附近，不可手持金属体高举头顶．

四是不要进水中，因水体导电好，易遭雷击．

总之，应当到较低处，双脚合拢地站立或蹲下，以减少遭遇雷的机会．

【知识总结】

一、静电平衡状态下导体的电场

1．静电平衡状态

处于电场中的导体内外电场相互叠加，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的特点

(1)处于静电平衡状态下的导体，内部场强处处为零．

(2)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，地球是一个等势体.

二、导体上电荷的分布特点

1．导体内部没有净电荷，净电荷分布在导体的外表面．

2．在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度越大，凹陷的位置几乎没有电荷．

三、尖端放电

1．空气的电离：导体尖端电荷密度很大，电场很强，带电粒子在强电场的作用下剧烈运动撞击空气分子，从而使分子的正负电荷分离的现象．

2．尖端放电：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．

四、静电屏蔽

1．定义：把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，由于壳内场强保持为零，外电场对壳内的仪器也不会产生影响的现象．

2．实现静电屏蔽不一定要用密封的金属容器，金属网也能起到屏蔽作用．

3．应用

(1) 避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施．

(2)电学仪器和电子设备外面套有金属罩；通信电缆表面包一层铅皮；高压带电作业人员穿金属网衣；通讯工具在钢筋结构房屋中接收信号较弱.

【知识拓展】

静电屏蔽的两种情况及本质

(1)导体内部不受外部电场的影响

①现象：由于静电感应，验电器箔片张开．如图甲，将验电器放入导体网罩内部后验电器箔片不张开，如图乙，即外部电场影响不到导体内部．

②本质：是静电感应，导体外表面感应电荷与外电场在导体内部任一点的场强的叠加结果为零．a

(2)接地的封闭导体壳内部电场对壳外空间没有影响

①现象：a．如右图甲导体壳没有接地时，处于内部电场中，达到静电平衡，导体壳内外表面出现等量异种电荷，空间电场的电场线起于场源正电荷，终于导体壳内表面负电荷，再起于导体壳外表面正电荷，终于无穷远，壳内外表面之间场强处处为零，壳外场强不为零．

b.导体壳接地后，如图乙所示，导体壳外的正电荷被大地负电荷中和，正电荷出现在地球的另一端无穷远处，空间电场起于场源正电荷终于导体壳内表面负电荷，导体壳内外表面之间及导体外部场强处处为零，导体外部空间不受内部电场影响．

②本质：仍然是静电感应，导体内表面感应电荷与壳内电场在导体壳表面以外空间叠加结果为零．

【考点】①静电平衡的特点及应用

例题1：

图7－10

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7－10所示。当棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在棒内中点P 处产生的场强大小和方向分别是怎样的？

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，棒中任何一点都有两个电场，即外电场——＋q 在该点形成的电场E 0，附加电场——棒上感应电荷在该点形成的电场E ′。达到静电平衡时E ′＝E 0，题中所求的即为E ′。

棒的中点距离＋q 为r ＝R ＋l /2，于是

E ′＝E 0＝kq

(R ＋l 2)2。E ′和E 0方向相反，方向向左。 同理，我们还能求棒中其他的附加电场的场强。

答案：kq

(R ＋l 2)2 向左 ②静电平衡状态下导体的特点

例题2：

如右图所示，点电荷A 和B 带电荷量分别为3.0×10－8 C 和－2.4×10－8 C ，彼此相距6 cm.若在两点电荷连线中点O 处放一个半径为1 cm 的金属球壳，求球壳感应电荷在该中点处产生的电场强度．

解析： ＋q1在O 点的场强大小为E1＝k q1⎝⎛⎭

⎫d 22＝3×105 N/C ，方向由O 指向B ；－q2在O 点的场强大小为E2＝k q2⎝⎛⎭

⎫d 22＝2.4×105 N/C ，方向由O 指向B ；设感应电荷在O 点的场强为E3，由静电平衡条件知E3＝E1＋E2＝5.4×105 N/C ，方向由O 指向A.

③静电屏蔽现象的分析

例题3：将悬挂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(不与球接触)，另有一个悬挂在细线上的带负电的小球

B 向

C 靠近，如右图所示，于是有( )

A ．A 向左偏离竖直方向，

B 向右偏离竖直方向