选修3-1第一章 第7节 静电现象的应用

(2)导体是个等势体，而且它的表面是个等势面． (3)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．
2．地球是一个极大的导体，可以认为处于静电平衡状态， 所以它是一个等势体．这是我们常常把大地选做零电势体的一 个原因． 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外表面．
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静电现象的应用
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．
密度 2．空气的电离：导体尖端的电荷________很大，附近的电 强 场很________，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下剧烈 运动撞击空气中的气体分子，从而使分子的正负电荷分离的现 象．
知识点 2
尖端放电
1752 年 7 月在费城一次雷雨天气中，富兰克林把风筝放入 空中，冒着极大的生命危险，把“天电”引入了莱顿瓶，成功 地证实了闪电的特性.1753 年他在充分研究了“天电”特性并 进行大量实验的基础上发现了尖端放电现象，从而发明了避雷 针．这是人类在征服大自然的道路上迈出的具有重大意义的一 步．
图 1－7－13
(2)接地的封闭导体壳内部电场对壳外空间没有影响． 若一封闭的导体壳内部空间某点有一点电荷＋q，由于静电 感应，导体壳内外表面感应出等量的异种电荷，其电场线如图
1－7－14 甲所示．当把导体壳接地后，＋q 在壳内的电场对壳
外空间就没有影响了，如图乙所示．
图 Байду номын сангаас－7－14
2．静电屏蔽的应用 (1)电学仪器和电子设备外面的金属罩，通讯电缆外面包的 一层铅皮，可以防止电场的干扰． (2)电力工人高压带电作业，全身穿着用金属丝网制成的 衣、帽、手套、鞋，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全 作业．
解：因为闪电时，每米长度的电压达到 6.0×105 V，所以
发生闪电前瞬间两云层之间的电压大约为 U＝Ed＝6.0×105 V/m×500 m＝3.0×108 V.
知识点 3
静电屏蔽
“法拉第笼”是一种用于演示等电势、静电屏蔽等原理的
设备．它由笼体、高压电源、电压显示器和控制部分组成．其 笼体与大地连通，高压电源将电流输送到放电杆，根据接地导 体静电平衡的条件，笼体是一个等势体，内部电势为零，电场 为零，电荷分布在接近放电杆的外表面上．“法拉第笼”还可 以有效地隔绝笼体内外的电场和电磁波干扰，这叫做“静电屏 蔽”．
图 1－7－9 答案：CD
【触类旁通】 1．如图 1－7－10 所示，在真空中把一绝缘导体 AB 向带 负电小球 P 缓慢地靠近的过程中，下列说法不正确的是( A．B 端的感应电荷越来越多 B．导体内部场强越来越大 C．导体的感应电荷在 M 点产生 的场强恒大于在 N 点产生的场强 D．稳定时导体中 M、N 两点的 电势相等 图 1－7－10 )
电场强→空气中残留的带电粒子剧烈运动→空气电离→正负电
荷奔向异种电荷→尖端失去电荷→尖端放电． 3．避雷针的原理：当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静 电感应，建筑物会感应上与云层相反的电荷，这些电荷会聚集
到避雷针的尖端．通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，
中和空气的电荷，达到避免雷击的目的．
【例 2】避雷针能够避免建筑物被雷击的原因是( A．云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地 B．避雷针的尖端向云层放电，中和了云层中的电荷
图 1－7－3
图 1－7－4
(3)如图 1－7－4，感应电荷在导体内部产生电场 E′，与 叠加 原电场__________．只要内部合场强不为零，自由电子就会继 定向移动 续做__________．
2．导体处于静电平衡状态 零 (1)如图 1 －7－5，当内部合场强为______时，即 E′＝E 时，自由电子不再发生定向移动．
答案：C
5．将悬挂在细线上的带正电的小球 A 放在不带电的固定的 金属空心球壳 C 内 (不和球壁接触)，另有一个悬挂在细线上的 带负电的小球 B，如图 1－7－1 所示，于是有( B ) 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 图 1－7－1
)
C．云层与避雷针发生摩擦，避雷针上产生的电荷被导入
大地
D．以上说法都不对 解析：带电荷的云层靠近避雷针时，在避雷针的尖端感应 出与云层相反的静电，达到一定程度就向空中放电，中和云层 中的电荷，从而避免遭受雷击．所以只有 B 正确． 答案：B
【触类旁通】 2．通常情况下空气是不导电的，但是当在每米长度的电压 达到 6.0×105 V 时，空气将被电离而发生放电现象．已知某次 闪电的长度为 500 m，发生闪电前瞬间两云层之间的电压大约 为多少？
解析：首先带正电的小球 C 从球壳 A 开口处被放入球壳中
央，根据静电感应现象可知，球壳内表面感应出负电荷，外表
面感应出正电荷．手接触球壳相当于球壳接地，由地面上来的
电子与球壳表面正电荷中和，使球壳外表面不带电，球壳外表
面电势为零，此时球壳对外起静电屏蔽作用，球壳内的电场不 影响外部． 答案：B
【触类旁通】 3．下列图中，金属壳放在光滑的绝缘水平垫上，不能起到
图 1－7－11
讨论： (1)文中的“天电”就是我们日常所说的闪电，闪电是怎 样产生的？ 当雷雨云过境时，云的中下部是强大负电荷中心，云底相 对的下垫面变成正电荷中心，于是在云底与地面间形成强电场． 在地面凸出物如建筑物尖顶、树木、山顶草、林木、岩石等尖 端附近，等电势面就会很密集，这里电场强度极大，空气发生 电离，因而形成从地表向大气的尖端放电，这就是闪电的形成
解析：达到静电平衡的导体是等势体，内部场强处处为零； 导体 AB 因感应起电，左端A 带正电，右端B 带负电，电场线 分布如图 1－7－9 所示，因有电场线从无限远处到 B 端、从 A 端到Q，故导体AB 的电势小于零，高于Q.因导体 AB 是等势体， 故电场线不可能从 A 出发到B 终止，否则A 端电势将高于B 端．
相反 3．尖端放电：所带电荷与导体尖端的电荷符号________ 中和 的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷________， 相当于导体从尖端失去电荷的现象． 4．处于静电平衡中的导体，内部场强处处为零的原因是 ( C )
A．外电场不能进入导体内部
B．所有感应电荷在导体内部产生的合场强为零 C．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 D．以上解释都不正确
1．静电屏蔽的两种情况 (1)金属壳内部空间不受外部电场的影响． 如图 1－7－13 甲所示，使带电的金属球靠近验电器．由于 静电感应，验电器的箔片张开，这表明验电器受到了外电场的 影响．如果事先用金属网罩把验电器罩住，如图乙所示，验电 器的箔片就不张开，即使把验电器和金属网罩连接起来，箔片 也不张开．这表明金属网罩能把外电场挡住，使罩内仪器不受 外电场影响．
2005 年，两位英国科学家在伦敦进行了一次危险的电力学 表演．其中一名科学家把另一位科学家关进一个名叫“法拉第 笼”的特殊铁笼子里，然后用数百万伏特的电流对其进行电击． 鉴于表演的危险性，两名科学家事先都买好了价值 1 200 万英 镑的保险．
图 1－7－12
讨论： (1)空腔导体的特点：空腔导体能把外电场挡住，空腔内 没有 外电场 ________(填“有”或“没有”)电场，空腔内不受________的 影响． 内部 (2)静电屏蔽：导体的外壳( 金属网罩)对它的______ 起到 内部 外电场 “保护”作用，使它的______不受__________的影响，这种现 象称为静电屏蔽．
知识点 1 静电平衡状态下导体的电场及其电荷的分布
1．静电感应 (1)如图 1－7－2，将金属导体置于电场强度为 E 的电场中， 自由电子 导体内的 _______________在电场力的作用下 ， 将发生 定向移动 _______________．
图 1－7－2
等量异种 (2)如图 1－7－3，在导体两端，积聚____________电荷， 即静电感应现象．
(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．
【例 1】(双选)如图 1－7－8 所示，Q 为带负电的绝缘小球，
AB 为一原来不带电的中性导体且放在 Q 附近，达到静电平衡
状态时，下列判断正确的是( )
A．A 端的电势高于 B 端的电势 B．以无限远处或大地为电势零 点，导体 AB 的电势大于零 C．A、B 两端电势相等 D．导体内的场强大小均为零 图 1－7－8
图 1－7－5
图 1－7－6
(2)如图 1－7－6，处于静电平衡状态的导体，内部的电场处
零 处为________．
3．讨论 (1)若静电平衡时导体内部场强不为零，会出现什么现象？
(2)若静电平衡时导体不是等势体，会出现什么现象？
(3)若静电平衡时导体外部表面附近任何一点的场强方向 不与该点的表面垂直，会出现什么现象？
【例 3】如图 1－7－15 所示，A 为空心金属球壳，B 为金 属球．将另一带正电的小球 C 从球壳 A 开口处放入球壳中央， 不接触球壳，然后用手摸一下球壳，再用手接触一下 B 球，再 移走 C 球，则( )
A．球壳 A 带负电，B 球带正电 B．球壳 A 带负电，B 球不带电 C．球壳 A 和 B 球都带负电 D．球壳 A 和 B 球都带正电 图 1－7－15
屏蔽外电场或内电场作用的是(
)
A
B
C
D
解析：A 图中，由于金属壳发生静电感应，内部场强为零，
金属壳起到屏蔽外电场的作用；B 图中金属壳同大地连为一体，
同 A 一样，外壳起到屏蔽外电场的作用；C 图中电荷会引起金
属壳内外表面带电，外表面电荷会在壳外空间中产生电场，即 金属壳不起屏蔽作用；D 图中，将金属壳接地后，外表面不带 电，壳外不产生电场，金属壳起屏蔽内电场的作用．
4．研究静电平衡时导体内表面的电荷
图 1－7－7
张开 (1)现象：图 1－7－7 甲中，A 的箔片____________；图乙 没有张开 中，A 的箔片____________. 没有 (2)结论：静电平衡时，导体内表面________(填“有”或 “没有”)电荷．
1．静电平衡状态下导体的特点 (1)导体内部场强处处为零(不为零则自由电子将继续移动 直至合场强为零)．
原因．
相反 (2)尖端放电：所带电荷与导体尖端的电荷符号______的粒
中和 子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷________，相当
于导体从尖端失去电荷的现象． 尖端放电 (3)避雷针：利用__________避免雷击的一种设施．
1．空气的电离：强电场使空气分子中正负电荷分离的现象．
2．尖端放电的过程：导体尖端的电荷密度大→尖端附近的