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人教版 (新课标)选修37 静电现象的应用学案设计
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这是一份人教版 (新课标)选修37 静电现象的应用学案设计，共5页。学案主要包含了静电平衡状态下导体的电场，导体上电荷的分布，尖端放电，静电屏蔽等内容，欢迎下载使用。
一、静电平衡状态下导体的电场
1．静电平衡状态：导体中(包括表面)________不再发生移动，我们就认为导体达到了静电平衡状态．
2．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____________处处为零．
(2)处于静电平衡状态的整个导体是一个________，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________．
答案 1.自由电子 2.(1)场强 (2)等势体 (3)垂直
二、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________．
2．在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积上的电荷量)________，凹陷的位置________电荷．
答案 1.外表面 2.越大 几乎没有
三、尖端放电
1．电离：使空气分子中的________分离，这种现象叫做空气的电离．
2．尖端放电：导体尖端的电荷密度很大，附近的____________很强，使周围中性空气分子电离，变成带电粒子，这些带电粒子在强电场加速下，会使更多的空气分子电离，产生大量的____________，与导体尖端的电荷符号相反的粒子被________到尖端，跟尖端上的电荷________，这相当于尖端________电荷，这种现象叫做尖端放电．
3．应用与防止：①应用：________；②防止：高压输电设备的表面尽量做得光滑，避免放电．
答案 1.正负电荷 2.电场 带电粒子 吸引 中和 失去 3.避雷针
四、静电屏蔽
导体处于静电平衡时，内部场强处处为零，表现为电中性，若导体是空腔的，空腔部分的____________也处处为零，无论导体外部的电场是什么样的，电场都不会____________导体内部，金属壳的这种作用叫做静电屏蔽．
答案 场强 深入
一、静电平衡状态下导体的电场
[问题情境]
当一个带电体靠近不带电导体时，由于导体内的自由电子受到库仑力的作用，将向着与电场相反的方向定向移动，从而使导体两端出现等量异种电荷，这就是前面学习的静电感应现象．这种定向移动是无休止的吗？电荷的移动对导体内部的电场有何影响？
1．自由电子定向移动的原因是什么？
2．此处涉及到几个电场？它们分别是来自哪里？
3．什么是静电平衡状态？为什么处于静电平衡状态的导体是等势体，它的表面是等势面？
答案 1.电子受外加电场的电场力作用而移动．
2．这里有两个电场，它们分别是外加的电场和导体内部自由电子定向移动后产生的电场．
3．在课本“静电平衡状态下导体的电场”中找答案．
[要点提炼]
1．处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为______．
2．处于静电平衡状态的整个导体是个________，它的表面是个________．
答案 1.零 2.等势体 等势面
二、导体上电荷的分布
[问题情境]
在课本“研究空腔导体内表面的电荷”的演示实验中，甲、乙图对应的操作步骤有何不同？得出怎样的结论？
答案 两图中D接触了圆筒C的不同部位． 圆筒内部无电荷．
[要点提炼]
1．处于静电平衡状态的导体内部没有电荷，电荷只能分布在导体的________上．
2．静电平衡时，电荷在导体表面的分布是不均匀的，越是尖锐的地方，电荷的密度越________，其附近的场强也越________．
答案 1.外表面 2.大 强
三、尖端放电 静电屏蔽
[问题情境]
1．导体的尖端与空气的电离有什么关系？
2．尖端放电是不是电荷都从导体尖端跑到空气中去了？
3．简述避雷针的避雷原理？
4．处于静电平衡状态的导体，其内部场强处处为零，若导体是空心的，则空心部分的场强怎样？
5．静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的？
答案 1、2、3答案见课本“尖端放电”部分．
4．空心部分场强为零．
5．静电屏蔽是利用“处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零”的原理对导体内部起到屏蔽作用的．
例1 长为L的导体棒原来不带电，现将一电荷量为＋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，棒上感应电荷在棒内中点处产生的场强大小等于________，方向为________．
图1
解析 达到静电平衡后的导体棒，其内部合场强处处为零，此合场强为点电荷q和导体棒上感应电荷分别在O处产生的场强的矢量和，因此两场强应大小相等、方向相反．欲知感应电荷在O处产生的场强大小，只需求q在O处的场强，该场强的大小E＝eq \f(kq,R＋\f(L,2)2)，方向水平向右．所以，感应电荷在O处产生的场强大小E＝eq \f(kq,R＋\f(L,2)2)，方向与q在O处的场强方向相反，即水平向左．
答案 eq \f(kq,R＋\f(L,2)2) 水平向左
点拨与技巧 (1)解决此类问题通常根据静电平衡原理、感应电荷产生的场强E′与原场强E0关系，把求感应电荷的场强转化为原来的场强．
(2)注意：E′与E0关系是等大反向，合场强为零，解题首先要弄清求的是感应电荷的场强还是合场强．
变式训练1 如图2所示，在孤立点电荷＋Q形成的电场中，金属圆盘A处于静电平衡状态．若金属圆盘平面与点电荷在同一平面内，试在圆盘A内作出由盘上感应电荷形成的附加电场的三条电场线(用实线表示，要求严格作图)．
图2
答案 如图所示.
解析 圆盘A处于静电平衡状态，因此内部各点的合场强都为零，即圆盘A内的每一点处，感应电荷产生的电场强度都与点电荷＋Q在那点产生的电场强度大小相等、方向相反．
例2 如图3所示为一空腔球形导体(不带电)，现在将一个带正电的小金属球A放入空腔中，当静电平衡时，图中a、b、c三点的场强E和电势φ的关系是( )
图3
A．Ea>Eb>Ec，φa>φb>φc
B．Ea＝Eb>Ec，φa＝φb>φc
C．Ea＝Eb＝Ec，φa＝φb>φc
D．Ea>Ec>Eb，φa>φb>φc
解析 画出空腔导体内外的电场线分布，可以看出Eb＝0，但φb＞0，由内向外电势依次降低，φa＞φb＞φc；由电场线疏密可看出Ea＞Ec＞Eb.处于静电平衡的导体内部场强处处为零，导体是一个等势体，但其电势并不一定为零．
答案 D
点拨与技巧 本题应先找出原电场，再找出哪是电场中的导体，然后由本节知识求解．
变式训练2 如图4所示，A、B为两个带等量异号电荷的金属球，将两根不带电的金属棒C、D放在两球之间，则下列叙述正确的是( )
图4
A．C棒的电势一定高于D棒的电势
B．若用导线将C棒的x端与D棒的y端连接起来的瞬间，将有从y流向x的电子流
C．若将B球接地，B所带的负电荷全部流入大地
D．若将B球接地，B所带的负电荷还将保留一部分
答案 ABD
解析 由右图所示的电场线方向可知A、B、C、D的电势高低为φA＞φC＞φD＞φB.当用导线将C棒的x端与D棒的y端连接的瞬间，将有自由电子从电势低的D棒流向电势高的C棒，这时C与D已通过导线连接为一个导体了，静电平衡后，它们的电势相等，C的x端仍带负电，D的y端仍带正电，而C的右端及D的左端均不带电，即C右端的正电荷与D左端的负电荷中和掉了．当将B球接地时，一部分自由电子从低于大地电势的B球上流向大地，而一部分电子受到D棒y端正电荷的吸引而保留在靠近y的近端处，如果把带正电的A球移走，接地的B球上的负电荷才全部流入大地．
【即学即练】
1．下列关于静电感应和静电平衡的说法中，正确的是( )
A．静电感应是由于导体内的自由电子受电场力作用的结果
B．导体内的自由电荷都不运动称为静电平衡
C．导体静电平衡时，导体所占空间各处场强均为零
D．导体静电平衡时，导体内部将没有“净”电荷
答案 AD
解析 静电感应是由于导体内的自由电子受电场力的作用而发生定向移动，最后达到稳定状态，选项A正确；达到静电平衡后，自由电子不再定向移动，但是仍然做无规则的热运动，选项B错误；处于静电平衡的导体，电荷只分布在外表面上，内部没有“净”电荷，选项D正确；导体静电平衡时，内部场强为零，但表面场强不为零，选项C错误．
2．某农村小塑料场的高频热合机产生的电磁波频率和电视信号频率接近，由于该村尚未接通有线电视信号，空中的信号常常受到干扰，在电视荧屏上出现网状条纹，影响正常收看．为了使电视机不受干扰，可采取的办法是( )
A．将电视机用一金属笼子罩起来
B．将电视机用一金属笼子罩起来，并将金属笼子接地
C．将高频热合机用一金属笼子罩起来
D．将高频热合机用一金属笼子罩起来，并将金属笼子接地
答案 D
解析 为了使电视机能接收电磁波信号，但又不接收高频热合机产生的电磁波，应将高频热合机(焊缝用)产生的电磁波信号屏蔽，而接地金属笼子具有屏蔽内电场的作用，故选项D正确．
3．一个带电的金属球，当它带的电荷量增加后(稳定)，其内部的场强( )
A．一定增强
B．不变
C．一定减弱
D．可能增强也可能减弱
答案 B
解析 处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零，故选项B正确．
4. 如图5所示，在真空中把一原来不带电的绝缘导体向带负电的小球P缓缓靠近(不相碰)，下列说法正确的是( )
图5
A．B端的感应电荷越来越多
B．导体内场强越来越大
C．导体的感应电荷在M点产生的场强恒大于N点产生的场强
D．导体的感应电荷在M、N两点产生的场强相等
答案 AC
解析 在绝缘导体向带电小球移动过程中，导体中电荷受到外电场的作用力变大，使电荷不断定向移动，故选项A正确．由于导体缓慢移动，所以移动过程中导体可视为总是处于静电平衡状态，其内部场强应等于零，故选项B错误．要使合场强等于零，感应电荷在M、N两端的场强应与带电小球P在M、N两端产生的场强大小相等、方向相反，由E＝eq \f(kQ,r2)可知选项C正确、D错误.
一、静电平衡状态下导体的电场
1．静电平衡状态：导体中(包括表面)________不再发生移动，我们就认为导体达到了静电平衡状态．
2．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____________处处为零．
(2)处于静电平衡状态的整个导体是一个________，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________．
答案 1.自由电子 2.(1)场强 (2)等势体 (3)垂直
二、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________．
2．在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积上的电荷量)________，凹陷的位置________电荷．
答案 1.外表面 2.越大 几乎没有
三、尖端放电
1．电离：使空气分子中的________分离，这种现象叫做空气的电离．
2．尖端放电：导体尖端的电荷密度很大，附近的____________很强，使周围中性空气分子电离，变成带电粒子，这些带电粒子在强电场加速下，会使更多的空气分子电离，产生大量的____________，与导体尖端的电荷符号相反的粒子被________到尖端，跟尖端上的电荷________，这相当于尖端________电荷，这种现象叫做尖端放电．
3．应用与防止：①应用：________；②防止：高压输电设备的表面尽量做得光滑，避免放电．
答案 1.正负电荷 2.电场 带电粒子 吸引 中和 失去 3.避雷针
四、静电屏蔽
导体处于静电平衡时，内部场强处处为零，表现为电中性，若导体是空腔的，空腔部分的____________也处处为零，无论导体外部的电场是什么样的，电场都不会____________导体内部，金属壳的这种作用叫做静电屏蔽．
答案 场强 深入
一、静电平衡状态下导体的电场
[问题情境]
当一个带电体靠近不带电导体时，由于导体内的自由电子受到库仑力的作用，将向着与电场相反的方向定向移动，从而使导体两端出现等量异种电荷，这就是前面学习的静电感应现象．这种定向移动是无休止的吗？电荷的移动对导体内部的电场有何影响？
1．自由电子定向移动的原因是什么？
2．此处涉及到几个电场？它们分别是来自哪里？
3．什么是静电平衡状态？为什么处于静电平衡状态的导体是等势体，它的表面是等势面？
答案 1.电子受外加电场的电场力作用而移动．
2．这里有两个电场，它们分别是外加的电场和导体内部自由电子定向移动后产生的电场．
3．在课本“静电平衡状态下导体的电场”中找答案．
[要点提炼]
1．处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为______．
2．处于静电平衡状态的整个导体是个________，它的表面是个________．
答案 1.零 2.等势体 等势面
二、导体上电荷的分布
[问题情境]
在课本“研究空腔导体内表面的电荷”的演示实验中，甲、乙图对应的操作步骤有何不同？得出怎样的结论？
答案 两图中D接触了圆筒C的不同部位． 圆筒内部无电荷．
[要点提炼]
1．处于静电平衡状态的导体内部没有电荷，电荷只能分布在导体的________上．
2．静电平衡时，电荷在导体表面的分布是不均匀的，越是尖锐的地方，电荷的密度越________，其附近的场强也越________．
答案 1.外表面 2.大 强
三、尖端放电 静电屏蔽
[问题情境]
1．导体的尖端与空气的电离有什么关系？
2．尖端放电是不是电荷都从导体尖端跑到空气中去了？
3．简述避雷针的避雷原理？
4．处于静电平衡状态的导体，其内部场强处处为零，若导体是空心的，则空心部分的场强怎样？
5．静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的？
答案 1、2、3答案见课本“尖端放电”部分．
4．空心部分场强为零．
5．静电屏蔽是利用“处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零”的原理对导体内部起到屏蔽作用的．
例1 长为L的导体棒原来不带电，现将一电荷量为＋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，棒上感应电荷在棒内中点处产生的场强大小等于________，方向为________．
图1
解析 达到静电平衡后的导体棒，其内部合场强处处为零，此合场强为点电荷q和导体棒上感应电荷分别在O处产生的场强的矢量和，因此两场强应大小相等、方向相反．欲知感应电荷在O处产生的场强大小，只需求q在O处的场强，该场强的大小E＝eq \f(kq,R＋\f(L,2)2)，方向水平向右．所以，感应电荷在O处产生的场强大小E＝eq \f(kq,R＋\f(L,2)2)，方向与q在O处的场强方向相反，即水平向左．
答案 eq \f(kq,R＋\f(L,2)2) 水平向左
点拨与技巧 (1)解决此类问题通常根据静电平衡原理、感应电荷产生的场强E′与原场强E0关系，把求感应电荷的场强转化为原来的场强．
(2)注意：E′与E0关系是等大反向，合场强为零，解题首先要弄清求的是感应电荷的场强还是合场强．
变式训练1 如图2所示，在孤立点电荷＋Q形成的电场中，金属圆盘A处于静电平衡状态．若金属圆盘平面与点电荷在同一平面内，试在圆盘A内作出由盘上感应电荷形成的附加电场的三条电场线(用实线表示，要求严格作图)．
图2
答案 如图所示.
解析 圆盘A处于静电平衡状态，因此内部各点的合场强都为零，即圆盘A内的每一点处，感应电荷产生的电场强度都与点电荷＋Q在那点产生的电场强度大小相等、方向相反．
例2 如图3所示为一空腔球形导体(不带电)，现在将一个带正电的小金属球A放入空腔中，当静电平衡时，图中a、b、c三点的场强E和电势φ的关系是( )
图3
A．Ea>Eb>Ec，φa>φb>φc
B．Ea＝Eb>Ec，φa＝φb>φc
C．Ea＝Eb＝Ec，φa＝φb>φc
D．Ea>Ec>Eb，φa>φb>φc
解析 画出空腔导体内外的电场线分布，可以看出Eb＝0，但φb＞0，由内向外电势依次降低，φa＞φb＞φc；由电场线疏密可看出Ea＞Ec＞Eb.处于静电平衡的导体内部场强处处为零，导体是一个等势体，但其电势并不一定为零．
答案 D
点拨与技巧 本题应先找出原电场，再找出哪是电场中的导体，然后由本节知识求解．
变式训练2 如图4所示，A、B为两个带等量异号电荷的金属球，将两根不带电的金属棒C、D放在两球之间，则下列叙述正确的是( )
图4
A．C棒的电势一定高于D棒的电势
B．若用导线将C棒的x端与D棒的y端连接起来的瞬间，将有从y流向x的电子流
C．若将B球接地，B所带的负电荷全部流入大地
D．若将B球接地，B所带的负电荷还将保留一部分
答案 ABD
解析 由右图所示的电场线方向可知A、B、C、D的电势高低为φA＞φC＞φD＞φB.当用导线将C棒的x端与D棒的y端连接的瞬间，将有自由电子从电势低的D棒流向电势高的C棒，这时C与D已通过导线连接为一个导体了，静电平衡后，它们的电势相等，C的x端仍带负电，D的y端仍带正电，而C的右端及D的左端均不带电，即C右端的正电荷与D左端的负电荷中和掉了．当将B球接地时，一部分自由电子从低于大地电势的B球上流向大地，而一部分电子受到D棒y端正电荷的吸引而保留在靠近y的近端处，如果把带正电的A球移走，接地的B球上的负电荷才全部流入大地．
【即学即练】
1．下列关于静电感应和静电平衡的说法中，正确的是( )
A．静电感应是由于导体内的自由电子受电场力作用的结果
B．导体内的自由电荷都不运动称为静电平衡
C．导体静电平衡时，导体所占空间各处场强均为零
D．导体静电平衡时，导体内部将没有“净”电荷
答案 AD
解析 静电感应是由于导体内的自由电子受电场力的作用而发生定向移动，最后达到稳定状态，选项A正确；达到静电平衡后，自由电子不再定向移动，但是仍然做无规则的热运动，选项B错误；处于静电平衡的导体，电荷只分布在外表面上，内部没有“净”电荷，选项D正确；导体静电平衡时，内部场强为零，但表面场强不为零，选项C错误．
2．某农村小塑料场的高频热合机产生的电磁波频率和电视信号频率接近，由于该村尚未接通有线电视信号，空中的信号常常受到干扰，在电视荧屏上出现网状条纹，影响正常收看．为了使电视机不受干扰，可采取的办法是( )
A．将电视机用一金属笼子罩起来
B．将电视机用一金属笼子罩起来，并将金属笼子接地
C．将高频热合机用一金属笼子罩起来
D．将高频热合机用一金属笼子罩起来，并将金属笼子接地
答案 D
解析 为了使电视机能接收电磁波信号，但又不接收高频热合机产生的电磁波，应将高频热合机(焊缝用)产生的电磁波信号屏蔽，而接地金属笼子具有屏蔽内电场的作用，故选项D正确．
3．一个带电的金属球，当它带的电荷量增加后(稳定)，其内部的场强( )
A．一定增强
B．不变
C．一定减弱
D．可能增强也可能减弱
答案 B
解析 处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零，故选项B正确．
4. 如图5所示，在真空中把一原来不带电的绝缘导体向带负电的小球P缓缓靠近(不相碰)，下列说法正确的是( )
图5
A．B端的感应电荷越来越多
B．导体内场强越来越大
C．导体的感应电荷在M点产生的场强恒大于N点产生的场强
D．导体的感应电荷在M、N两点产生的场强相等
答案 AC
解析 在绝缘导体向带电小球移动过程中，导体中电荷受到外电场的作用力变大，使电荷不断定向移动，故选项A正确．由于导体缓慢移动，所以移动过程中导体可视为总是处于静电平衡状态，其内部场强应等于零，故选项B错误．要使合场强等于零，感应电荷在M、N两端的场强应与带电小球P在M、N两端产生的场强大小相等、方向相反，由E＝eq \f(kQ,r2)可知选项C正确、D错误.
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