第7节 静电现象的应用
[研究学考·明确要求] 知识内容 静电现象的应用 1.了解静电平衡的概念。 2．知道处于静电平衡的导体电荷分布的特点。 3．知道静电平衡的导体表面是等势面，整个导体是等势体。 发展要求 4．知道处于静电平衡的导体腔内场强为零。 5．了解尖端放电现象和避雷针的工作原理，了解金属壳的静电屏蔽作用及其应用。 6．应用尖端放电、静电屏蔽的相关知识解释简单的现象。
考试要求 选考b
[基 础 梳 理]
1．静电感应现象：
如图1所示，把一个不带电的金属导体ABCD放到场强为E0的电场中，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。这就是静电感应现象。
图1
2．静电平衡状态：导体两面出现的正负电荷在导体内部产生与E0方向相反的电场E′，当这两个电场叠加使导体内部各点的合电场等于零时，导体内的自由电子不再发生定向移动，导体达到了静电平衡状态。 3．处于静电平衡状态下导体的特征
(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导体，其外部表面附近任何一点的场强方向必跟该点的表面垂直。 (3)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。
[典 例 精 析]
【例1】 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2所示。当棒达到静电平衡后，棒上的感应电荷在棒内中点处产生的电场强度大小等于________，方向________。
图2
解析 导体棒在点电荷＋q产生的电场中发生静电感应，左端表面出现负电荷，右端表面出现正电荷。棒内任何一点都有两个电场，即外电场(＋q在该点形成的电场E0)和附加电场(棒上感应电荷在该点形成的电场E′)。达到静电平衡时棒内的电场为0，即E′＝E0。题中所求的即为E′，于是我们通过上述等式转化为求E0。 棒的中点到＋q的距离为r＝R＋，于是E′＝E0＝
2向左。 答案
LR＋
kqL2
，E′和E0的方向相反，即方向
2
R＋
kqL2
向左
2
静电平衡状态下的导体内部的电场强度处处为零，即感应电荷产生电场的电场强度与外电场的电场强度等大反向。本题中感应电荷是面分布且电荷量未知，虽然不能用E＝2求解感应电荷的电场，却能用静电平衡的特点巧妙地求解。
[即 学 即 练]
1．如图3所示，在原来不带电的金属细杆ab附近P处，放置一个正点电荷，达到静电平衡后( )
kQr
图3
A．a端的电势比b端的高 B．b端的电势比d点的低 C．a端的电势不一定比d点的低 D．杆内c处场强的方向由c指向b
解析 首先画出电场线如图所示，沿电场线方向电势降低，b端的电势比d点的低，选项B正确；金属杆ab在静电平衡后是一个等势
体，a端电势等于b端电势，二者均比d点电势低，选项A、C均错误；静电平衡后的导体
内部场强为零，选项D错误。 答案 B
[基 础 梳 理]
静电平衡时，导体上的电荷分布有以下两个特点： (1)导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的表面。
(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。
[典 例 精 析]
【例2】 如图4所示，两个相同的空心金属球M和N，M带电荷量为－Q，N不带电(M、N相距很远，互不影响)，旁边各放一个不带电的金属球P和R，当将带正电Q的小球分别放入M和N的空腔中时( )
图4
A．P、R上均有感应电荷 B．P、R上均没有感应电荷 C．P上有而R上没有感应电荷 D．P上没有而R上有感应电荷
解析 本题考查静电屏蔽问题。当将带正电Q的小球放入M的空腔中时，由于静电感应，M的内表面带负电，而外表面带正电，其电荷量为Q，它与原来金属球M外表面所带的电荷－
Q正好中和，使外表面不带电。这实际上是M所带电荷－Q被吸引至内表面，所以金属球M外部不存在电场，不能使P产生静电感应，P上没有感应电荷。当将带正电Q的小球放入原来不带电的N的空腔中时，由于静电感应，N内表面带负电荷，外表面带正电荷，N外部有电场，使R产生静电感应，故选项D正确。 答案 D
(1)导体表面电荷分布往往不均匀，只有球形的带电导体且没有外界电场的影响下才会均匀分布。
(2)对于孤立导体，表面各处的面电荷密度和该处表面的曲率有关。一般而言，曲率大处，面电荷密度大。
[即 学 即 练]
2．如图5所示，把一个带正电的小球放入原来不带电的金属空腔球壳内并与内壁接触，其结果是( )
图5
A．只有球壳外表面带正电 B．只有球壳内表面带正电 C．球壳的内、外表面都带正电 D．球壳的内表面带正电，外表面带负电
解析 小球与金属球壳接触，就成了一个导体，由于静电平衡导体的电荷只分布在外表面上，故小球和内壁都不带电，正电荷全部分布在球壳外表面。 答案 A
[基 础 梳 理]
1．尖端放电 (1)尖端放电
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，这相当于导体从尖端失去电荷。这种现象叫做尖端放电。 (2)生活实例
避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。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，同时将云层中的大量电荷导入地下，达到避免雷击的目的。现代避雷针往往具有很多组金属尖棒，做成蒲公英花的形状，以增强避雷效果。 2．静电屏蔽 (1)静电屏蔽
把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，由于壳内电场强度保持为零，所以外电场对壳内的仪器不会产生影响。金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。 (2)静电屏蔽的应用和危害
①应用：电子仪器和电子设备外面套有金属网罩，通信电缆外包一层铅皮等，可防止外电场的干扰；电力工人高压带电作业时，身着的用金属丝网制成的衣帽、手套、鞋子，可以对人
体起到静电屏蔽作用，使人安全工作。
②危害：航天飞机、飞船返回地球大气层时，由于飞船与大气层的高速摩擦而产生高温，在飞船的周围形成一层等离子体，它对飞船产生静电屏蔽作用，导致地面控制中心与飞船的通信联系暂时中断，对航天员来说，这是一个危险较大的时间段。
[典 例 精 析]
【例3】 下列防雷措施可行的是( ) A．在大树下避雷雨
B．停留在山顶、山脊的凉亭等地方避雷雨 C．要快速骑摩托车、快骑自行车和在雨中狂奔 D．在空矿地带，最好关掉手机电源
解析 表面具有突出尖端的导体，在尖端的电荷分布密度很大，使得其周围电场很强，就可能使其周围的空气发生电离而引发尖端放电。因此不要在大树下避雨；别停留在山顶、山脊的凉亭等地方；快速骑摩托车、快骑自行车和在雨中狂奔，身体的跨步越大，电压就越大，雷电也越容易伤人；在空旷地带使用手机通话，手机很有可能成为闪电的放电对象。故C错，D对。 答案 D
夜间看到的高压电线周围笼罩着的一层绿色光晕(电晕)就是一种微弱的尖端放电现象。尖端放电致使高压线及高压电极上的电荷丢失，因此，凡对地有高压的导体(或两个相互有高压的导体)，其表面都应尽量光滑。
[即 学 即 练]
3．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 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，在避雷针尖端感应出与云层相反的电荷，达到一定程度就向空中放电，中和云层中的电荷，从而避免建筑物遭受雷击，所以只有B正确。 答案 B
[典 例 精 析]
【例4】 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(不和球壁接触)，另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，如图6所示，下列说法正确的有( )
高中物理 第一章 静电场 1-7 静电现象的应用学案 新人教版选修3-1.doc
