PAGE11-靜電現(xiàn)象的應(yīng)用必備學問·自主學習一、靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的電場(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體,內(nèi)部的場強到處為0。(2)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體,外部表面旁邊任何一點的場強方向必與這點的表面垂直。(3)處于靜電平衡狀態(tài)的整個導(dǎo)體是個等勢體,導(dǎo)體的表面是個等勢面。二、導(dǎo)體上電荷的分布靜電平衡時,導(dǎo)體上的電荷分布有以下兩個特點:(1)導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷,電荷只分布在導(dǎo)體的外表面。(2)在導(dǎo)體外表面,越尖銳的位置電荷的密度越大,凹陷的位置幾乎沒有電荷。三、尖端放電和靜電屏蔽1.空氣的電離:導(dǎo)體尖端的電荷密度很大,旁邊的場強很強,空氣中的帶電粒子猛烈運動,使空氣分子被撞“散”而使正負電荷分別的現(xiàn)象。2.尖端放電:導(dǎo)體尖端的強電場使旁邊的空氣電離,電離后的異種離子與尖端的電荷中和,相當于導(dǎo)體從尖端失去電荷的現(xiàn)象。3.靜電屏蔽:靜電平衡時,導(dǎo)體殼內(nèi)空腔里的電場到處為0,外電場對殼內(nèi)不會產(chǎn)生影響。(1)避雷針是利用尖端放電避開雷擊的一種設(shè)施。 (×)(2)高壓設(shè)備中導(dǎo)體的表面盡量光滑會削減電能的損失。 (√)(3)電工高壓帶電作業(yè)時,穿戴金屬絲網(wǎng)制成的衣、帽、手套、鞋子,無法對人體起到愛護作用。 (×)(4)安裝了防盜網(wǎng)的室內(nèi)手機信號好,沒安防盜網(wǎng)的室內(nèi)手機信號不好。 (×)(5)電學儀器和電子設(shè)備外面會有金屬罩,通信電纜外面包一層鉛皮,可以防止外電場的干擾。 (√)關(guān)鍵實力·合作學習學問點一靜電平衡1.靜電平衡的導(dǎo)體的電場強度:達到靜電平衡時,導(dǎo)體內(nèi)部的場強到處為零。導(dǎo)體內(nèi)部場強為零的本質(zhì)是:感應(yīng)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部形成的電場與外電場在內(nèi)部任一處的電場強度的矢量和為零。2.對靜電平衡時導(dǎo)體上電荷的分布的理解(1)實心導(dǎo)體:導(dǎo)體內(nèi)部無電荷,電荷只分布在導(dǎo)體外表面上。(2)空腔導(dǎo)體:空腔內(nèi)無電荷時,電荷分布在外表面上(內(nèi)表面無電荷);空腔內(nèi)有電荷時,內(nèi)表面因靜電感應(yīng)出現(xiàn)等量的異號電荷,外表面有感應(yīng)電荷。3.靜電平衡的導(dǎo)體的電勢:處于靜電平衡的導(dǎo)體是等勢體,表面是等勢面,所以導(dǎo)體表面的電場線應(yīng)與導(dǎo)體表面垂直。【典例】(多選)如圖所示,帶負電的點電荷旁有一接地大金屬板,A為金屬板內(nèi)的一點,B為金屬板左側(cè)外表面上的一點,下列關(guān)于金屬板上感應(yīng)電荷在A點和B點的場強方向推斷正確的是 ()A.感應(yīng)電荷在A點的場強沿E1方向B.感應(yīng)電荷在A點的場強沿E2方向C.感應(yīng)電荷在B點的場強可能沿E3方向D.感應(yīng)電荷在B點的場強可能沿E4方向【解析】選B、C。金屬板內(nèi)部場強為0,點電荷在A點場強方向為E1,感應(yīng)電荷的場強為E2,二者疊加后才能為0,故A錯誤,B正確。B點在金屬板外表面上,那么B點合場強方向應(yīng)垂直金屬板向左,而點電荷引起的分場強指向負電荷,合場強分解,一個方向指向負電荷,一個方向則可能為題目所給的E3方向,故C正確,D錯誤。1.如圖所示,A、B兩點距離一處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體的兩端很近。場強EA∶EB=1∶10。有一電荷僅在電場力作用下第一次通過A運動至無限遠處,其次次通過B點運動至無限遠處,則當該電荷經(jīng)過A、B兩點時的加速度之比aA∶aB;這兩個過程中,電場力做功之比WA∶WB為 ()A.1∶101∶1 B.1∶101∶10C.10∶11∶1 D.無法確定【解析】選A。由于===,所以aA∶aB=1∶10。由于導(dǎo)體在靜電平衡時各處電勢相等,所以把電荷移到無限遠處,兩次電場力做的功相同,所以WA∶WB=1∶1。所以B、C、D錯誤,A正確,故選A。2.一金屬球,原來不帶電,現(xiàn)沿球直徑的延長線放置一勻稱帶電的細桿MN,如圖所示,金屬球上感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場在球內(nèi)直徑上a、b、c三點的場強大小分別為Ea、Eb、Ec,三者相比 ()A.Ea最大 B.Eb最大C.Ec最大 D.Ea=Eb=Ec【解析】選C。靜電平衡后,金屬球內(nèi)的合場強到處為零,金屬球上感應(yīng)電荷產(chǎn)生的附加電場與帶電的細桿MN產(chǎn)生的場強大小相等,方向相反,相互抵消。c點離帶電的細桿MN最近,帶電的細桿MN在c點產(chǎn)生的場強最大,則金屬球上感應(yīng)電荷在c點產(chǎn)生的場強最大,即Ec最大。故選C?！炯庸逃?xùn)練】1.如圖所示,一個帶負電的金屬球放在絕緣的支架上,處于靜電平衡狀態(tài),金屬球內(nèi)部的場強大小為E1,若削減金屬球的帶電荷量,再次處于靜電平衡狀態(tài)后,金屬球內(nèi)部的場強大小為E2,則 ()A.E2<E1 B.E2>E1C.E2=E1 D.無法確定【解析】選C。處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部的場強到處為零,選項C正確。2.如圖所示,在兩個帶等量異種電荷的絕緣導(dǎo)體球之間,對稱地放著兩個相同的導(dǎo)體ab、cd,則:(1)當用導(dǎo)線將a、b連接起來時,導(dǎo)線中有無電流通過?若有,方向如何?(2)當用導(dǎo)線將a、c連接起來時,導(dǎo)線中有無電流通過?若有,方向如何?【解析】導(dǎo)體ab、cd處于靜電場中,已達到靜電平衡狀態(tài),ab、cd均各自為一個等勢體,但因ab靠近正電荷,cd靠近負電荷,所以導(dǎo)體ab的電勢要高于cd的電勢,我們也可以在正、負電荷之間畫一條由左向右的電場線,也易推斷導(dǎo)體ab的電勢比導(dǎo)體cd的電勢高。當用導(dǎo)線將a、c連接起來時,將會有電流從a流到c;當用導(dǎo)線將a、b連接起來時,無電流通過。答案:(1)無(2)有由a→c學問點二靜電屏蔽1.靜電屏蔽的實質(zhì)靜電屏蔽的實質(zhì)是利用了靜電感應(yīng)現(xiàn)象,使金屬殼內(nèi)感應(yīng)電荷的電場和外加電場矢量和為零,似乎是金屬殼將外電場“擋”在外面,即所謂的屏蔽作用,其實是殼內(nèi)兩種電場并存,矢量和為零。2.靜電屏蔽的兩種狀況導(dǎo)體外部電場不影響導(dǎo)體內(nèi)部接地導(dǎo)體內(nèi)部的電場不影響導(dǎo)體外部圖示實現(xiàn)過程因場源電荷產(chǎn)生的電場與導(dǎo)體球殼表面上感應(yīng)電荷在空腔內(nèi)的合場強為零,達到靜電平衡狀態(tài),起到屏蔽外電場的作用當空腔外部接地時,外表面的感應(yīng)電荷因接地將傳給地球,外部電場消逝,起到屏蔽內(nèi)電場的作用最終結(jié)論導(dǎo)體內(nèi)空腔不受外界電荷影響接地導(dǎo)體空腔外部不受內(nèi)部電荷影響本質(zhì)利用了靜電感應(yīng)與靜電平衡,所以做靜電屏蔽的材料只能是導(dǎo)體,不能是絕緣體法拉第籠是一個由金屬或者良導(dǎo)體形成的籠子。籠體與大地連通,高壓電源通過限流電阻將10萬伏直流高壓輸送給放電桿,當放電桿尖端距籠體10厘米時,出現(xiàn)放電火花。探討:(1)放電時,籠內(nèi)的電場強度有什么特點?提示:籠內(nèi)的電場強度為零。(2)放電時,籠內(nèi)的電勢有什么特點?籠內(nèi)的人為什么安穩(wěn)無恙?提示:籠內(nèi)的電勢到處相等,人體沒有電流通過,所以人體是平安的。【典例】如圖為空腔球形導(dǎo)體(不帶電),現(xiàn)將一個帶正電的小金屬球A放入腔內(nèi),靜電平衡時,圖中a、b、c三點的場強E和電勢φ的關(guān)系是 ()A.Ea>Eb>Ec,φa>φb>φcB.Ea=Eb>Ec,φa=φb>φcC.Ea=Eb=Ec,φa=φb>φcD.Ea>Ec>Eb,φa>φb>φc【解析】選D。本題有許多同學認為Eb=0,所以φb=0,其實空腔球形導(dǎo)體處于靜電平衡后導(dǎo)體是等勢體,內(nèi)外表面是等勢面,如圖所示,明顯Ea>Ec>Eb=0;再考慮到沿電場線方向電勢降低,可以得到φa>φb>φc,答案為D。處理靜電屏蔽問題的兩點留意(1)空腔可以屏蔽外界電場,接地的空腔可以屏蔽內(nèi)部的電場作用,其本質(zhì)都是因為激發(fā)電場與感應(yīng)電場疊加的結(jié)果,分析中應(yīng)分清是一部分電場作用,還是合電場作用的結(jié)果。(2)分析導(dǎo)體內(nèi)部的自由電荷是如何移動的,如何建立起附加電場的,何處會出現(xiàn)感應(yīng)電荷是解決問題的關(guān)鍵。1.如圖所示,A是帶正電的物體,B是金屬網(wǎng),C是原來不帶電的金箔驗電器,能使驗電器的金箔張開的是 ()【解析】選C。圖A、B中,由于金屬網(wǎng)的屏蔽作用,帶電體A對驗電器無作用,故A、B錯誤;圖C中,受帶電體A的作用,金屬網(wǎng)內(nèi)外分別帶等量異種感應(yīng)電荷,在驗電器處有電場,即能使驗電器的金箔張開,故C正確;圖D中由于金屬網(wǎng)接地,網(wǎng)罩外無電場,無法使驗電器的金箔張開,故D錯誤。故選C。2.(多選)如圖所示,將懸在絕緣細線上帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球殼B內(nèi)(與內(nèi)壁不接觸)。外加一個水平向右的場強為E的勻強電場,對于最終的結(jié)果,下列推斷正確的是 ()A.B的右端帶正電,A向左偏B.B的右端帶正電,A不偏左也不偏右C.B的左端帶正電,A向右偏D.B的左端帶負電,A不偏左也不偏右【解析】選B、D。金屬空腔處于外電場中時,由于靜電感應(yīng)的作用,金屬球殼的左端將感應(yīng)出負電荷,右端將感應(yīng)出正電荷,而金屬空腔內(nèi)部完全不受外加電場的影響,故A不會偏轉(zhuǎn),故A、C錯誤,B、D正確。【加固訓(xùn)練】1.(多選)一個不帶電的空心金屬球,在它的球內(nèi)放一個正電荷如圖所示,其電場分布正確的是 ()【解析】選C、D?？招慕饘偾騼?nèi)放一正電荷,由于靜電感應(yīng)使金屬球外表面帶正電,球殼上達到靜電平衡,內(nèi)部場強為零,當金屬球外表面接地時,對內(nèi)電場具有屏蔽作用,故選項C、D正確。2.(多選)如圖所示,在絕緣板上放有一個不帶電的金箔驗電器A和一個帶正電荷的空腔導(dǎo)體B。下列試驗方法中能使驗電器箔片張開的是 ()A.取電棒C(帶絕緣柄的導(dǎo)體棒)先跟B的內(nèi)壁接觸一下后再跟A接觸B.取電棒C先跟B的外壁接觸一下后再跟A接觸C.用絕緣導(dǎo)線把驗電器A跟取電棒C的導(dǎo)體部分相連,再把取電棒C與B的內(nèi)壁接觸D.使驗電器A靠近B【解析】選B、C、D。A項中取電棒C先和B的內(nèi)壁接觸后,由于B的內(nèi)壁本身沒有電荷,所以再接觸A時驗電器箔片不張開;B項中可以使C帶電,從而使A帶電;C項中用絕緣導(dǎo)線事實上是將驗電器A和B連成了一個導(dǎo)體,A因接觸而帶電;D項中是感應(yīng)起電。所以B、C、D項正確?！就卣估}】考查內(nèi)容:靜電平衡的綜合應(yīng)用【典例】(多選)如圖所示,水平放置的金屬板正上方有一固定的正點電荷Q,一表面絕緣的帶電的小球(可視為質(zhì)點且不影響Q的電場),從左端以初速度v0滑上金屬板,沿光滑的上表面對右運動到右端,在該運動過程中 ()A.小球做勻速直線運動B.小球先做減速運動,后做加速運動C.小球的電勢能保持不變D.電場力對小球所做的功為零【解析】選A、C、D。水平放置的金屬板處于點電荷Q的電場中而達到靜電平衡狀態(tài),是一個等勢體,其表面處電場線到處與表面垂直,故帶電小球(表面絕緣,電量不變)在金屬板表面運動時,電場力不做功,小球的電勢能不變,小球做勻速直線運動,所以選項A、C、D正確。情境·模型·素養(yǎng)2024年,由于新冠病毒疫情影響,大家出門要戴口罩。醫(yī)用口罩的熔噴布經(jīng)過駐極處理,在保證常規(guī)濾材的物理碰撞阻隔作用的基礎(chǔ)上,增加了靜電吸附作用,吸附可簡化為如下過程:某根經(jīng)過駐極處理后的濾材纖維,其兩側(cè)分別帶有正負電荷,可吸附帶不同電荷的污染物顆粒,某帶負電的顆粒物在圖中A點時的速度方向如圖所示,在很短時間內(nèi)被吸附到纖維旁邊的B點,忽視空氣的作用力。探究:(1)則在此過程中顆粒在A點和B點的機械能、電勢能如何改變?(2)顆粒在A點和B點的電勢哪點高,哪點低?【解析】(1)顆粒被吸附到B點,故顆粒帶負電,從A點到B點過程中,電場力做正功,電勢能減小,機械能增大;(2)電場線從正電荷動身,依據(jù)沿電場線方向電勢降低可知,A點電勢低于B點電勢。答案:見解析電業(yè)工人創(chuàng)建了具有世界先進水平的超高壓帶電作業(yè)法。利用“絕緣梯”使輸電線間的電勢差漸漸變小,直到最終使人體的電勢與輸電線電勢相等。探究:(1)人與輸電線電勢相等時,為什么沒有危急?(2)超高壓輸電線四周存在強電場,人靠近輸電線時,人體會有什么現(xiàn)象發(fā)生?(3)工人帶電作業(yè)時穿著由金屬絲和棉紗織成的均壓服,有什么作用?【解析】(1)人與輸電線電勢相等時,隨意兩點間的電勢差均為0,則電荷不會發(fā)生定向移動,因此不會對人產(chǎn)生危急;(2)人體靠近高壓輸電線四周的強電場時,由于靜電感應(yīng),人體內(nèi)的自由電荷重新分布,瞬時間負電荷向電場方向的反方向運動,如圖所示形成了瞬時電流;(3)由于金屬絲和棉紗織成的均壓服可以起到靜電屏蔽的作用,從而使人體處于靜電平衡狀態(tài)。答案:見解析課堂檢測·素養(yǎng)達標1.在燃氣灶中安裝的電子點火器往往把放電電極做成針形,這種做法利用了靜電的 ()A.靜電屏蔽現(xiàn)象 B.尖端放電現(xiàn)象C.接觸起電現(xiàn)象 D.摩擦起電現(xiàn)象【解析】選B。靜電屏蔽是指利用金屬盒或金屬網(wǎng)罩屏蔽外部電場的現(xiàn)象,A錯誤;放電電極做成針形,更簡單累積電荷從而發(fā)生尖端放電現(xiàn)象,B正確;接觸起電現(xiàn)象是指不帶電的物體和帶電物體接觸而帶電的現(xiàn)象,C錯誤;摩擦起電現(xiàn)象指兩物體相互摩擦而帶電的現(xiàn)象,D錯誤;故選B。2.如圖所示,在原來不帶電的金屬細桿ab旁邊P處,放置一個正點電荷,達到靜電平衡后 ()A.a端的電勢比b端的高B.b端的電勢比d點的低C.a端的電勢不肯定比d點的低D.桿內(nèi)c處場強的方向由c指向b【解題指南】解答本題應(yīng)留意以下兩點:(1)靜電平衡時,導(dǎo)體內(nèi)部電勢到處相等,導(dǎo)體外部的電勢凹凸可依據(jù)電場線推斷。(2)靜電平衡時,導(dǎo)體內(nèi)部場強到處為零?！窘馕觥窟xB。首先畫出電場線(如圖所示),沿電場線方向電勢降低,b點電勢比d點低,B正確;金屬桿ab在靜電平衡后是一個等勢體,a點電勢等于b點電勢,也比d點低,選項A、C均錯誤;靜電平衡后的導(dǎo)體內(nèi)部場強為零,選項D錯誤。3.(多選)如圖所示,在一電場強度為E的勻強電場中放一金屬空心導(dǎo)體,圖中a、b分別為金屬導(dǎo)體內(nèi)部與空腔中的兩點,當達到靜電平衡狀態(tài)后,則有 ()A.a、b兩點的電場強度都為零B.a點電場強度為零,b點不為零C.a、b點的電勢相等D.a點電勢比b點電勢高【解析】選A、C。金屬空心導(dǎo)體放在勻強電場中,出現(xiàn)靜電感應(yīng)現(xiàn)象,最終處于靜電平衡狀態(tài),導(dǎo)體內(nèi)部的場強到處為零,所以a、b兩點的電場強度都為零,A正確,B錯誤;處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體上,以及導(dǎo)體的內(nèi)部的電勢到處相等,即為等勢體,則a點電勢等于b點電勢,C正確,D錯誤。故選A、C?！炯庸逃?xùn)練】(多選)如圖所示,原來不帶電的金屬球殼內(nèi)壁接地,將一帶正電的小球放入其中,但不與球殼接觸,則 ()A.球殼內(nèi)壁帶負電B.球殼外壁帶正電C.球殼外壁不帶電D.若將接地線去掉再移去正電荷,球殼外壁帶負電【解析】選A、C、D。球殼內(nèi)正電荷產(chǎn)生電場,使