高考物理 核心要点突破系列 第13章 第四节《静电屏蔽》课件 新人教版选修31.ppt

第四节静电屏蔽 目标概览学习目标 1 知道静电感应产生的原因 知道什么是静电平衡状态 2 知道静电平衡的导体内部场强处处为零 3 知道静电屏蔽及应用 重点难点 1 重点 处于静电平衡状态的导体特点 2 难点 静电平衡的原因 学法指导 利用电荷只受电场力会发生运动及场强叠加的特点 理解静电平衡的特点 第四节静电屏蔽 课堂互动讲练 随堂达标自测 课时活页训练 基础知识梳理 核心要点突破 基础知识梳理 一 静电平衡状态1 处于电场中导体的静电感应过程 把金属导体放在电场中 导体内部的 受到电场力的作用 向电场的 做定向的移动 结果会使导体的两端分别出现 这种现象叫做静电感应 自由电子 反方向 正 负电荷 提示 1 处于静电平衡的导体 净电荷为什么只能分布在表面 而内部没有电荷 2 静电平衡导体表面的场强等于零吗 2 静电平衡状态 导体中 包括表面 的状态 叫做静电平衡状态 3 处于静电平衡状态下导体的特点 处于静电平衡状态的导体 内部的场强 4 处于静电平衡的导体内部尽管没有电荷定向移动 但仍有电荷在运动 处处为零 思考 提示 1 因为处于静电平衡状态的导体内部场强为零 所以内部没有净电荷 2 表面有净电荷 所以表面场强不等于零 二 静电屏蔽1 静电屏蔽 导体壳可以保护它所包围的区域 使这个区域不受 的影响 这种现象叫做静电屏蔽 2 静电屏蔽的应用 有的电学仪器和电子设备外面套有 有的通信电缆的外面包一层金属网 都是用来 起屏蔽作用的 外电场 金属壳 保护内部不受外电场作用 核心要点突破 一 静电感应1 现象的产生当金属导体处于电场e0中时 导体内的自由电子便受电场力ee0而沿e0的反向运动 正电荷即原子核也受电场力 只是它不能自由移动而已 从而使导体内的电荷分布不均衡 一端聚集了正电荷 而另一端聚集了等量的负电荷 这种现象就叫静电感应 2 静电感应的结果 静电平衡静电感应出现在导体两端的多余电荷叫感应电荷 感应电荷也要产生电场e 它与外电场e0方向相反 二者在导体内叠加后 使导体内的总电场e内减弱 随着静电感应的持续进行 导体两端的电荷继续增加 e 随之增大 使合电场e内越来越小 最终变为零即e内 0 此时导体内的电荷不再受电场力作用 定向移动终止 达到平衡 这就是静电平衡 导体中的自由电子在外界电场的作用下重新分布 最终达到静电平衡状态 其过程可以概括如下 外加电场e 自由电子受力 自由电子定向移动 导体两侧聚集等量异种电荷 形成附加场强e e 和e等大反向 内部合场强为零 自由电子不再定向移动 静电平衡 特别提醒1 不能将 导体内部场强为零 误解为 导体内部无电场 实际上导体内部既有外电场 又有感应电荷形成的电场 只是它们叠加之后使导体内部合场强为零 2 金属导体达到静电平衡状态的时间是非常短暂的 二 处于静电平衡状态的导体1 导体表面的电荷分布往往是不均匀的 越尖的地方 电荷密度越大 附近的电场越强 2 处于静电平衡状态时 导体中 包括表面 没有电荷定向移动 3 内部场强处处为零 4 净电荷分布在导体的外表面上 5 电场线垂直于导体的外表面 解析 选d 本题主要考查对静电平衡状态的理解 达到静电平衡时 导体为等势体 电场线与导体表面垂直 故d错 其他几个选项都正确 三 对静电屏蔽的理解1 导体壳对外部电场的屏蔽如图13 4 1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 如果事先用导体壳把验电器罩住 如图13 4 1乙所示 验电器的箔片就不张开 即使把验电器和导体壳连接起来 箔片也不张开 这表明导体壳能把外电场挡住 使罩内不受外电场的影响 即导体壳屏蔽了外部电场 图13 4 1 2 导体壳对内部电场的屏蔽如一封闭的导体壳内部空间某点有一点电荷 q 由于静电感应 导体壳内外表面感应出等量的异种电荷 其电场线如图13 4 2甲所示 当把导体壳接地后 q在壳内的电场对壳外空间就没有影响了 如图13 4 2乙所示 图13 4 2 由以上两种情况可知 静电屏蔽不是金属罩把电场挡住 而是金属罩感应电荷的电场与原电场叠加 合场强为零 特别提醒1 网 外不影响 网 内 2 网 接地 网 内不影响 网 外 四 正确理解电场中的导体接地问题图13 4 3在静电场中 关于金属导体接地的问题是一个常见但又难以理解的问题 如图13 4 3所示 带正电荷的导体p附近放有一个不带电的金属导体m 由于静电感应 在金属导体m的左端a和右端b分别感应出等量的负电荷和正电荷 1 无论金属导体何处接地 电子都从大地流向导体m而且右端b不带电 地球是一个大导体 无论金属导体m上何处接地 都可以把地球和m看成是一个导体 如图13 4 4所示的虚线框 这个导体距p的近端仍在m的左端a处 远端在地球的另一端c 其余部分为导体的中部或内部 当这个大导体重新处于静电平衡状态时 在距p近端a处感应出与导体p异种的负电荷 在距p远端c处感应出与导体p同种的正电荷 即电子从大地流向金属导体m 而导体的其余部分没有净电荷 故导体右端b处没有净电荷 图13 4 4 2 接地导线断开后再接地时导线中没有电流即导体的电荷分布不再变化 根据上面的分析可知 m接地时 由于大地c处的感应正电荷在m内任何一点产生的电场强度为零 而且m内部任何一点场强为零 所以接地导线断开后 m内部任何一点场强仍然为零 电荷分布不发生变化 当再接地时导线中没有电流 即使应用2 有一接地的导体球壳 如图13 4 5所示 球心o处放一点电荷q 达到静电平衡时 则 a q的电量变化时 壳外电场随之改变b q在壳外产生的电场强度为零c 球壳内 外表面的电荷在壳外的场强为零d q与壳内表面的电荷在壳外的合场强为零 图13 4 5 解析 选d 壳外电场由壳外带电体和壳外表面上的电荷所决定 当导体球壳接地时 壳与大地等电势 壳内点电荷在壳外表面所产生的感应电荷流入大地 严格地说是壳与大地构成一个大导体 壳内点电荷在壳外表面产生的感应电荷分布在整个大导体的外表面 因球壳的半径远小于地球的半径 故球壳外表面分配到的电荷可忽略不 这时球壳外表面的电荷仅由壳外带电体的感应而 带电 而不受壳内点电荷的影响 即所谓 接地导体壳外部的电场不受壳内点电荷的影响 但是 这句话并不是说壳内点电荷不在壳外产生电场 而是壳内点电荷与壳内表面的感应电荷在壳内壁以外 包含导体壳层 任一点的合场强为零 因此 本题应是q与球壳内表面上的感应电荷 q在壳外的合场强为零 如图13 4 6所示 q是一个绝缘金属导体 一个带正电的绝缘金属球p靠近q 由于静电感应 q的a端电荷量大小为qa b端电荷量大小为qb 则 课堂互动讲练 图13 4 6 a 用手接触一下q的a端 拿走p后q带正电b 用手接触一下q的b端 拿走p后q带负电c 导体q上 qa qbd 导体q上 qa qb 解析 由于静电感应 离金属球p近的a端将感应出负电荷 电荷量大小为qa 离金属球p远的b端将感应出等量大小的qb 因而d选项正确 用手接触一下q的任一部分时 人 q和大地构成一个新导体 整个q看成近端 而地球的另一侧是远端 a端带负电 地球的另一侧带正电 当手离开q后 无论是否移走球p q都带负电 b选项正确 答案 bd 思维升华 本例为一典型的感应起电实例 首先应确定产生电场的带电体的电性 明确感应导体的远端和近端 不论导体的哪一端接地 大地和导体组成一个新的 导体 即大地总是远端 然后根据 远同近异 确定导体各端感应电荷的电性 长为l的导体棒原来不带电 现将一电荷量为 q的点电荷放在与棒的左端距离为r的地方 如图13 4 7所示 达到静电平衡后 棒上的感应电荷在棒的中心o处产生的场强有多大 方向如何 图13 4 7 解析 将导体棒放在点电荷的电场中 由于静电感应 在棒的右端和左端 将出现等量的正负电荷 达到静电平衡时 导体棒内部的场强为零 即点电荷在导体棒中某点产生的场强与感应电荷在该点产生的场强的合场强为零 因此 所求棒上感应电荷在中心处产生的场强 应与点电荷q在该点产生的场强大小相等 方向相反 点电荷 q在棒中心o处产生的场强大小为 思维升华 对于此类问题一定要理解导体内场强为什么处处为零 要区分外电场和感应电荷产生的电场 要认清所求的是一个什么电场 如图13 4 8所示 金属球壳内部有一个带电荷量为q的正电荷 在距离球壳中心为r处有一个带负电的点电荷q 试分析这两个电荷的受力情况 图13 4 8 解析