高中物理 第一章 静电场 第4节 电场中的导体知识导航素材 鲁科版选修3-1（通用）

高中物理 第一章 静电场 第4节 电场中的导体知识导航素材 鲁科版选修3-1（通用）

第4节 电场中的导体 ‎ 思维激活 ‎1.飞机在云层与云层之间或起飞、着陆时都有可能遭遇雷击.但是当飞机遭遇雷击时，电流可能从雷电云达到飞机头部，纵向流过机身外壳，最后从机尾凌空打到地上或从其中一机翼打过另一机翼，横向流过机身.但不管怎样，闪电都只会沿着飞机外壳流过，而不会进入机内对乘客造成伤害，你知道这是为什么吗？‎ ‎2.某研究性学习小组学习电工知识后对电工穿的高压作业服进行研究，发现高压作业服是用铜丝编织的，你知道这是为什么吗？‎ 答案：1.提示：飞机外壳是金属材料的，它会在雷击时形成屏蔽，保护飞机内的乘客.‎ ‎2.提示：铜丝编织的衣服可以产生屏蔽，在高压环境下保护电工免受伤害.‎ 自主整理 ‎1.场强叠加原理 如果有几个点电荷同时存在，根据场强的定义和库仑力的可叠加性，可知电场中任一点的电场强度等于这几个点电荷各自在该点产生的电场强度的__________，这个结论叫__________.‎ ‎2.静电平衡与静电屏蔽 ‎(1)静电平衡：物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做__________.‎ ‎(2)静电屏蔽：中空的导体达到静电平衡时，内部场强为__________，使得内部空间不受外部电场的影响，这种现象叫做__________‎ ‎.接地的中空导体也可以将导体内部的电荷产生的电场屏蔽住，使其对外部不产生影响.‎ 答案：1.矢量和 场强叠加原理 ‎2.(1)静电平衡 ‎(2)零 静电屏蔽 高手笔记 ‎1.场强的叠加遵循平行四边形定则.‎ ‎2.处于静电平衡的导体内部场强处处为零.‎ 名师解惑 ‎1.导体达到静电平衡时，内部场强为什么处处为零？‎ 剖析:导体处在外电场中，由于静电感应在导体两端出现等量异种电荷，即感应电荷，感应电荷在导体中要产生附加电场.附加电场与外电场叠加，使导体内部的电场减弱，直到内部各点的合场强都等于零而达到静电平衡状态.这就是处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零的实质.‎ ‎2.导体球壳内(或金属网罩内)的电场能影响壳外吗？‎ 剖析:由静电屏蔽的定义可知，壳外的电场不影响导体球壳内.那么反过来，在导体球壳内放一个正电荷，如图，由静电感应可知，球壳内表面带负电，外表面带正电，球壳外部存在电场，即导体球壳不能屏蔽内部电场对外部的影响.要想使外部不受影响，就要将导体球壳接地，接地后金属壳外表面产生的感应电荷被导入地下，外部电场不影响球壳内部，内部电场也不影响球壳外部.‎ ‎3.等量同种电荷与等量异种电荷中垂线上的场强分布有什么特点？‎ 剖析:(1)等量同种电荷 如图，对于中垂线上任意一点P，由电场的叠加原理可知 E=cos2θsinθ.‎ 可见，电场强度E由O点向两边是先增大而后减小的.在O点和在无穷远处，电场强度最弱(为零)，而当sinθ=时，P点的电场强度达到最大值.电场强度的方向总是沿中垂线而背离O点的.‎ ‎(2)等量异种电荷 如图，对于中垂线上任意一点P，其电场强度为E=cos3θ.‎ 则电场强度由O点沿中垂线向两边一直减小，在O点场强最强，Emax=，电场强度的方向与中垂线垂直(或与两点电荷的连线平行)而指向负电荷的一边.‎ 讲练互动 ‎【例1】 在真空中有两个点电荷q1和q2，分别位于A和B，A、B相距‎20 cm，q1=4×10‎-8 C，q2=-8×10‎-8 C.则 ‎(1)如图，在AB连线上A的外侧距A为‎20 cm处的D点场强大小、方向如何？‎ ‎(2)能否在D处引入一个带负电的电荷-q，通过求出-q在D点处合电场力，然后根据E=F/q求出D处的场强大小和方向？‎ 解析：场强是矢量，根据E=k求出每个电荷在D点产生的电场强度的大小，判断出每个电荷的场强方向，然后根据平行四边形定则矢量叠加即可.‎ ‎(1)q1在D点产生的场强 E1=k=9×109×N/C=9×103 N/C，‎ 方向向右;q2在D点产生的场强 E2=k=9×109×N/C=4.5×103N/C，‎ 方向向左;D点合场强E=E1-E2=4.5×103 N/C，方向向右.‎ ‎(2)可以.因为电场中某点的场强由电场本身决定，与放入电荷无关，不论放入电荷电荷量如何，该点的场强大小、方向都不变.‎ 答案：(1)E=4.5×103 N/C，方向向右 (2)E=4.5×103 N/C，方向向右 绿色通道 电场强度是矢量，在计算过程中要明确其方向.电场的叠加也要遵循矢量合成法则.‎ 变式训练 ‎1.如图，在正六边形的a、c顶点上各放一个带正电的点电荷，电荷量的大小都为q1；在b、d两个顶点上各放一个带负电的点电荷，电荷量为q2，且q1>q2.已知正六边形中心O处的场强可用图中的四条有向线段中的一条来表示，它是哪一条( )‎ A.E1 B.E‎2 C.E3 D.E4‎ 解析：作出a、b、c、d四个点电荷在O点的场强方向如右图所示，由几何知识得Ea、Ec的夹角为120°，故Ea、Ec的矢量和大小E+=Ea=Ec，方向如图.Eb、Ed的夹角也为120°，Eb、Ed的矢量和大小E-=Eb=Ed，方向如图.‎ 又由点电荷形成的电场的场强公式E=k和q1>q2，得E+>E-，所以E+与E-的矢量和的方向只能是图中E2的方向.‎ B正确.‎ 答案：B ‎【例2】如图，长为L的金属杆原来不带电，在距其右端d处放一个电荷量为q的点电荷.问：‎ ‎(1)金属杆中点处的场强为多少？‎ ‎(2)金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的场强为多大？‎ 解析：导体棒处于静电平衡时内部场强处处为0，故金属杆中点处场强为0.‎ 所以E感-E=0.‎ E感=E=k.‎ 答案：(1)0 (2)k 绿色通道 正确理解“处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零”的含义是解题的关键.‎ 变式训练 ‎2.如图，在真空中有两个点电荷A和B，电荷量分别为-Q和＋2Q，它们相距L，如果在两点电荷连线的中点O有一个半径为r(2r＜L)的空心金属球，且球心位于O点，则球壳上的感应电荷在O点处的场强大小为___________,方向___________.‎ 解析：球壳处于静电平衡时内部场强处处为0，故O点场强为0,‎ 所以E感-E=0.‎ 球壳上的感应电荷在O点处的场强大小等于A、B在O点产生的合场强 E感=EA+EB=k=12kQ/L2.‎ 方向沿AB指向B.‎ 答案：12 kQ/L2 沿AB指向B 体验探究 问题:除了教材上介绍的以外，通过观察与查资料，了解静电屏蔽在生产与生活中还有哪些应用？‎ 导思:静电屏蔽在实际生活中有着重要的作用,应用中空的导体在静电平衡时内部没有电场的特点来起到隔离外来静电干扰的作用.从这一特点着眼,观察生活生产中的一些现象.‎ 探究:有一些实验设备需要在专门的电磁屏蔽室内运行以避免外界的干扰.有线电视信号线，外面就有一层金属丝，就为了静电屏蔽，使信号不受干扰.很多电子仪器，比如示波器的接线都是这样的屏蔽线,等等.‎ 打开收音机，收听某电台的节目，把收音机放入金属网罩内，收音机就不能正常收听了，这就是金属网罩对电磁波的静电屏蔽.‎