1、高中物理选修3-1 第一章 静电场7 7静电现象的应用学习目标学习目标1.1.知道静电平衡现象，理解处于静电平衡状态知道静电平衡现象，理解处于静电平衡状态的导体的特点的导体的特点. .2 2通过实验了解静电平衡时带电导体上电荷的通过实验了解静电平衡时带电导体上电荷的分布特点分布特点. .3.3.了解尖端放电和静电屏蔽现象，关注生活、了解尖端放电和静电屏蔽现象，关注生活、生产中的静电现象生产中的静电现象把金属导体放在外电场把金属导体放在外电场E0 0中，由于导体内的自由电子受电场力中，由于导体内的自由电子受电场力作用而作用而定向移动定向移动，使导体表面出现感应电荷的现象叫静电感应。，使导体表面出
2、现感应电荷的现象叫静电感应。E0ABCD一、一、静电平衡状态下导体的电场静电平衡状态下导体的电场1 1、静电感应、静电感应-2.2.静电平衡状态静电平衡状态-1 1、导体中自由电荷、导体中自由电荷在电场力作用下将发在电场力作用下将发生定向移动生定向移动. .EEE2 2、 导体两端出现感应导体两端出现感应电荷电荷, ,感应电荷在导体中感应电荷在导体中中产生反方向的中产生反方向的附加场附加场. .E0-E-3 3、感应电荷的电场增到、感应电荷的电场增到与外电场相等时，导体内与外电场相等时，导体内合场强为零。自由电荷的合场强为零。自由电荷的定向移动停止定向移动停止 . .-E=04 4、静电平衡状
3、态：、静电平衡状态：导体中无电荷定向导体中无电荷定向移动的状态移动的状态, ,就叫静就叫静电平衡状态电平衡状态. .E0E0 静电平衡状态静电平衡状态 发生静电感应的导体，当感应电荷产生的附加电场发生静电感应的导体，当感应电荷产生的附加电场E E和原电场和原电场E E0 0在导体内叠加为零，即在导体内叠加为零，即E =EE =E0 0时，自由电子时，自由电子停止定向移动，这时导体所处的状态叫静电平衡状态。停止定向移动，这时导体所处的状态叫静电平衡状态。E0EE0E合=0（1 1）导体内部的场强处处为零）导体内部的场强处处为零静电平衡条件静电平衡条件（2 2）整个导体是一个等势体，表面是一个等势
4、面）整个导体是一个等势体，表面是一个等势面ABABAB()0WU qq所以：（3）导体处于静电平衡状态时，其表面任一点场强导体处于静电平衡状态时，其表面任一点场强方向跟该点表面垂直。方向跟该点表面垂直。+-E3 3、处于静电平衡状态导体的特点：、处于静电平衡状态导体的特点：导体发生了静电感应现象，感应电荷在导体导体发生了静电感应现象，感应电荷在导体内部产生一个附加电场内部产生一个附加电场E，跟外加电场，跟外加电场E0反向，反向，使自由电荷同时又受到使自由电荷同时又受到FEq的电场力，随着导的电场力，随着导体两端的感应电荷不断积累，体两端的感应电荷不断积累，E逐渐增大，当逐渐增大，当EE0时，导
5、体内合场强为零，自由电荷所受合力时，导体内合场强为零，自由电荷所受合力为零，这时导体中无自由电荷为零，这时导体中无自由电荷定向移动定向移动，即导体，即导体达到了静电平衡状态达到了静电平衡状态.4、静电平衡的实质、静电平衡的实质例例1 1：如图所示接地金属球：如图所示接地金属球A的半径为的半径为R，球外点电，球外点电荷的电量为荷的电量为Q，到球心的距离为，到球心的距离为r，该点电荷的电场，该点电荷的电场在球心的场强等于多少？在球心的场强等于多少？QRrA02QQEkrQOO点电荷产生的场强感应点荷无关，所以解:与,方向沿指向EE注意：注意：E0 0、E 和和E合合的区别的区别, ,E0 0由外电
6、场决定，由外电场决定，E = =E0 0，E合合=0=0oE是点电荷是点电荷Q产生的电产生的电场（即外电场），场（即外电场），E是是感应电荷产生的电场感应电荷产生的电场（附加场），（附加场），E合合是两是两个电场叠加后的合电场个电场叠加后的合电场法拉第圆筒实验:12用两个带有绝缘手柄的金用两个带有绝缘手柄的金属小球分别接触带有电荷属小球分别接触带有电荷的金属圆筒的内壁和外壁的金属圆筒的内壁和外壁. .二、导体上电荷的分布二、导体上电荷的分布法拉第圆筒实验:12和外壁接触的小球使验电和外壁接触的小球使验电器箔片张开器箔片张开, ,表明金属筒外表明金属筒外壁有电荷分布壁有电荷分布. .法拉第圆筒实
7、验:12和内壁接触的小球和内壁接触的小球不能使验电器箔片不能使验电器箔片张开张开, ,表明金属筒表明金属筒内壁没有电荷分布内壁没有电荷分布. .静电平衡时导体上电荷的分布的特点：静电平衡时导体上电荷的分布的特点：（1 1）导体内部没有电荷，电荷只分布在）导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面导体的外表面（2 2）在导体表面，越尖锐的位置，电荷）在导体表面，越尖锐的位置，电荷密度（单位面积的电荷量）越大，凹陷密度（单位面积的电荷量）越大，凹陷的位置几乎没有电荷的位置几乎没有电荷一个孤立的带电体，可视为导体一个孤立的带电体，可视为导体处处在自身所带电荷的电场中在自身所带电荷的电场中，处于静电，
8、处于静电平衡状态，具有静电平衡的所有特点平衡状态，具有静电平衡的所有特点.对孤立带电导体的理解：对孤立带电导体的理解：放电方式放电方式1 1、火花放电、火花放电2 2、接地放电、接地放电两种放电方式两种放电方式: :尖端放电的原理是什么？尖端放电的原理是什么？导体尖锐部位的电荷特别密集，尖端附近的导体尖锐部位的电荷特别密集，尖端附近的电场特别强，会把空气分子电场特别强，会把空气分子“撕裂撕裂”，使分子中，使分子中的正负电荷分离，这种现象叫的正负电荷分离，这种现象叫空气的电离空气的电离。尖端放电的原理有何应用？尖端放电的原理有何应用？中性的分子电离后变成带负电的自由电子和带中性的分子电离后变成带
9、负电的自由电子和带正电的离子，这些带电的粒子与导体尖端的电荷正电的离子，这些带电的粒子与导体尖端的电荷异号粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的异号粒子，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。这个电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷。这个现象叫现象叫尖端放电尖端放电。避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施三、尖端放电三、尖端放电-+ 思考思考: :空心导体壳内的验电器箔片会张开吗空心导体壳内的验电器箔片会张开吗? ?静电屏蔽静电屏蔽: :静电平衡时静电平衡时, ,空心导体壳可保护其空心导体壳可保护其 内部区域不受外电场影响内
10、部区域不受外电场影响 的现象的现象. .不会不会 因为导体壳因为导体壳内部合场强为零内部合场强为零. .四、静电屏蔽四、静电屏蔽+思考思考:用金属网罩将验电器罩住用金属网罩将验电器罩住,会怎样呢会怎样呢? +思考思考: :用用金属网罩金属网罩将验电器罩住将验电器罩住, ,会怎样呢会怎样呢? ?该现象表明该现象表明金属网罩金属网罩也能起到静电屏蔽作用也能起到静电屏蔽作用. .类似事例类似事例: :通讯电缆外包金属层通讯电缆外包金属层, ,电学仪器外套金属罩电学仪器外套金属罩. .思考思考:电力工作人员有时需要带电作业，怎样才能保电力工作人员有时需要带电作业，怎样才能保证他们的生命安全？证他们的生
11、命安全？ 全身穿戴金属丝网制成的衣，帽，鞋，手套等。全身穿戴金属丝网制成的衣，帽，鞋，手套等。 1 1现象：一个金属导体壳现象：一个金属导体壳( (网罩网罩) )能把壳外电场遮能把壳外电场遮住，使壳内部不受外电场影响，这种现象叫静电屏蔽住，使壳内部不受外电场影响，这种现象叫静电屏蔽. .2 2原理：静电屏蔽的原理是静电感应与静电平衡原理：静电屏蔽的原理是静电感应与静电平衡. .3两种情况(1)金属壳内部不受外部影响金属壳内部不受外部影响如图甲所示，使带电的金属球靠近验电器，由于静电感应，如图甲所示，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，这表示验电器受到了外电场的影响验电器的
12、箔片张开，这表示验电器受到了外电场的影响. .对静电屏蔽的理解如果事先用金属网罩把验电器罩住，如图乙所示，验电器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，箔片也不张开张开. .这表明金属网罩能把外电场挡住，使罩内不受外电场的影这表明金属网罩能把外电场挡住，使罩内不受外电场的影响响. .11111如一封闭的导体壳内部空间某点有一点电荷如一封闭的导体壳内部空间某点有一点电荷q q. .由于由于静电感应，导体壳内外表面感应出等量的异种电荷，其电场静电感应，导体壳内外表面感应出等量的异种电荷
13、，其电场线如图甲所示线如图甲所示. .当把导体壳接地后，当把导体壳接地后，q q在壳内的电场对壳外在壳内的电场对壳外空间就没有影响了，如图乙所示空间就没有影响了，如图乙所示. .(2)接地的封闭导体壳，内部电场对外部接地的封闭导体壳，内部电场对外部没影响没影响因为当把球壳接地后，壳因为当把球壳接地后，壳外表面感应的正电荷在静电力作外表面感应的正电荷在静电力作用下流入大地用下流入大地( (实际是大地的电实际是大地的电子在静电力作用下通过接地的导子在静电力作用下通过接地的导线流到壳面上与壳外表面的正电线流到壳面上与壳外表面的正电荷中和荷中和) )，使球壳外表面没有电，使球壳外表面没有电荷，壳外空间
14、就没有电场了荷，壳外空间就没有电场了. .这这样就出现了图乙所示的情况样就出现了图乙所示的情况. .AB例例2：如图所示，把原来不带电的金属球壳：如图所示，把原来不带电的金属球壳B的的外表面接地，将一带正电的小球外表面接地，将一带正电的小球A从小孔中放从小孔中放入球壳内，但不于入球壳内，但不于B发生接触，达到静电平衡发生接触，达到静电平衡后，则：后，则：A、B的空腔内电场强度为零的空腔内电场强度为零B、B不带电不带电C、B的内外表面电势相等的内外表面电势相等D、B带负电带负电B的外部电场强度为零吗？的外部电场强度为零吗？1、带电量分别为、带电量分别为+Q和和-Q的两个点电荷相距为的两个点电荷相
15、距为r，在两点电荷之间放入一个不带电的导体棒，如在两点电荷之间放入一个不带电的导体棒，如图所示，当导体达到静电平衡后，感应电荷在图所示，当导体达到静电平衡后，感应电荷在两点电荷连线中点两点电荷连线中点O处产生的场强大小为多大？处产生的场强大小为多大？方向怎样？方向怎样？+Q-QOEEE 1222122QQEEk4krr()2QEEE8kr 因为：所以：方向水平向左方向水平向左课堂练习 2 2、当导体达到静电平衡状态时，其场强的特征是：、当导体达到静电平衡状态时，其场强的特征是：( )( ) A. .外电场外电场E0消失。消失。 B. .感应电荷产生的电场感应电荷产生的电场E为零。为零。 C. .导体内部合场强导体内部合场强E内内 = E0 + E=0。 D. .导体表面和内部场强均为零。导体表面和内部场强均为零。C课堂练习
