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1、1.7 静电现象的应用第一章 静电场1.7 静电现象的应用张成进 江苏徐州睢宁魏集中学教学目标(一 知识与技能1.2.(二 过程与方法3.4.(三 情感态度与价值观5.6.教学重点1.2.教学难点1.2.教学方法 教学过程静电平衡状态下的导体 如图甲，把一个不带电的金属导体 ABCD放到场强为E0的电场中，会发生什么现象？答案：静电感应现象。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。这样，在导体的 AB面上将出现负电荷，在 CD面上将出现正电荷。 那是不是所有的电子都会移动 AB面？答案：不是。随着电子移动，导体两面会出现正负电荷。而导体两面的正负电荷在导 体内部也会
2、产生电场 E, E方向与E0方向相反。这两个电场叠加，使导体内部的电场减弱。但是，只要导体内部的场强不为零，自由电子就会继续做定向 移动，导体两面的正负电荷会继续增加，导体内部的合电场就会进一步减弱，直到导体内部各点的合场强等于零为止。于是，导体内的自由电子不再发 生定向移动。这时我们说，导体到达了静电平衡状态。 请从电场强度、电势及电场线等方面说说静电平衡的特点答案：1、内部电场处处为0; 2、整个导体是等势体；3、电场线与导体外表垂直。看 图：思路：电场=0;据胡知电势处处为相等，为等势体；电场线与等势面垂直。反证：如果静电平衡时导体内的场强不为零，那么自由电子就要在库仑力的作用下定 向移
3、动，那就不是静电平衡状态了；如果静电平衡时导体不是等势体，那么自由电子就要 向电势高的方向做定向移动，那就不是静电平衡状态。如果电场线与导体外表不垂直，那 场强就会有一个沿导体外表的分量，导体上的自由电子就会发生定向移动，这就不是静电 平衡了。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 们可以把大地选做零电势体的一个原因。二、导体上的电荷分布一个导体，不管原来是不是带电，放入电场中以后，都会由于静电感应而在导体上 的不同部位出现不同电荷。那么，在静电平衡状态下，导体上的电荷怎样分布呢？答案：1、导体内部没有净电荷，净电荷只分布在导体的外外表这是因为，假设导体内部
4、有净电荷，导体内部的场强就不可能为零，自由电荷就会发生定向移动，导体也就没有处于静电平衡状态。或解：与万有引力类似，地球半径R在离地心 r r2 、在导体外表，越锋利的位置，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。关于这一点，不妨设想一个极端情况的例子：一枝缝衣针，带电后由于同种电荷相互 排斥，电荷自然要“挤到针的两端。演示实验：研究空腔导体内外表的电荷取两个验电器A和B, B上装一个金属圆筒 C 法拉第圆筒，用起电机使法拉第圆筒 带电后，验电器B的箔片张开，用带有绝缘柄的金属小球d跟C的外部接触，然后让d跟A的金属球接触，经过假设干次后，可看到A的箔片张开，同时B的箔片张角
5、减小，如图a所示。让d接触C的内外表，重做上述实验，不管重复多少次，A的箔片都不张开，B的箔片张角也不减小，如图b所示.三、尖端放电什么是尖端放电现象？ 了解避雷针的原理。答案：导体尖端的电荷密度很大,附近的电场很强,空气中残留的带电粒子在强电场 的作用下发生剧烈的运动,把空气中的气体分子撞“散,也就是使分子中的正负电荷分 离。这个现象叫做空气的电离。中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带 正电的离子。这些带电粒子在强电场的作用下加速,撞击空气中的分子,使它们进一步电 离,产生更多的带电粒子。那些所带电荷与导体尖端电荷符号相反的粒子,由于被吸引而 奔向尖端,与尖端的电荷中和,这相当
6、于导体从尖端失去电荷。这个现象叫尖端放电。 避雷针是利用尖端放电防止雷击的一种设施。它是一个或几个锋利的金属棒,安装在建筑 物的顶端,用粗导线与埋在地下的金属板连接,保持与大地的良好接触。当带电的雷雨云 接近建筑物时,由于静电感应,金属棒出现与云层相反的电荷。通过尖端放电,这些电荷 不断向大气释放,中和空气中的电荷,到达防止雷击的目的。尖端放电会导致高压设备上的电能损失,所以高压设备中导体的外表应该尽量光滑。 夜间高压线周围有时会出现一层绿色光晕,俗称电晕,这是一种微弱的尖端放电。四、静电屏蔽什么是静电屏蔽？答案：我们讨论带空腔的导体。静电平衡时，导体壳壁W内的场强为0,内外表又没有电荷,即电
7、场线只能在空腔之外,不会进入空腔之内。所以导体壳内空腔里的场强也处 处为零。也就是说,无论导体外部电场是什么样的,电场都不会深入导体内部。导体壳的这种性质在技术上很有实用价值。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。金属壳的这种作用叫做静电屏蔽。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。野外高压输电 线受到雷击的可能性很大，所以在三条输电线的上方还有两条导线，它们与大地连接，形 成一个稀疏的金属“网，把高压线屏蔽起来，免遭雷击。演示实验：静电屏蔽如图a所示，用感应起电机使金属球带电，靠近验电器，验电器的箔片
8、张开，表 明验电器受到了外电场的影响现先将验电器用金属网罩罩住，让带电金属球靠近验电器， 验电器的箔片不张开，如图b所示，说明金属网罩能把外电场挡住，使罩内不受外电 场的影响1 静电屏蔽：空腔导体或金属网罩无论接地与否可以把外部电场遮住，使其内 部不受外电场的影响，这种现象叫做静电屏蔽2 静电屏蔽现象的解释：处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零，将导体挖 空，变成一个导体壳，壳内的场强仍处处为零，金属网罩可以起到导体壳的作用，所以能 使导体壳内或金属网罩内的区域不受外部电场的影响3 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，可以防止外 电场的干扰 2电力工人
9、高压带电作业，全身穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋，可以对 人体起到静电屏蔽作业，使人平安作业空腔导体不接地的屏蔽为外屏蔽，空腔导体接地的屏蔽为全屏蔽。空腔导体在外电场 中处于静电平衡，其内部的场强总等于零。因此外电场不可能对其内部空间发生任何影响。 假设空腔导体内有带电体，在静电平衡时，它的内外表将产生等量异号的感生电荷。如果外 壳不接地那么外外表会产生与内部带电体等量而同号的感生电荷，此时感应电荷的电场将对 外界产生影响，这时空腔导体只能对外电场屏蔽，却不能屏蔽内部带电体对外界的影响， 所以叫外屏蔽。如果外壳接地，即使内部有带电体存在，这时内外表感应的电荷与带电体 所带的电荷的代数和为零，而外外表产生的感应电荷通过接地线流入大地。外界对壳内无 法影响，内部带电体对外界的影响也随之而消除，所以这种屏蔽叫做全屏蔽。为了防止外 界信号的干扰，静电屏蔽被广泛地应用科学技术工作中。例如电子仪器设备外面的金属罩， 通讯电缆外面包的铅皮等等，都是用来防止外界电场干扰的屏蔽措施。在静电平衡状态下，不管是空心导体还是实心导体；不管导体本身带电多少，或者导 体是否处于外电场中，必定为等势体，其内部场强为零，这是静电屏蔽的理论根底。圭寸闭导体壳不管接地与否，内部电场不受壳外电荷与电场影响；接地圭寸闭导体壳外电 场不受壳内电荷的影响。这种现象，叫静电屏蔽。