第九章 静电场及其应用（知识清单）物理人教版2019必修第三册

第九章 静电场及其应用（知识清单） 思维导图 第1节 电荷 一、电荷 1．两种电荷 自然界只存在两种电荷，即 和 。 规定 2．电荷间的作用 同种电荷相互 ，异种电荷相互 。 3．原子的组成 原子由 和核外电子组成，原子核由带正电的 和不带电的 组成，核外电子带 。通常原子内正、负电荷的数量相同，故整个原子对外表现为电中性。 4．自由电子和离子 金属中离原子核最远的电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由活动，这种能自由活动的电子叫作 ，失去这种电子的原子便成为带正电的离子。 二、起电方式 1．摩擦起电 当两个物体互相摩擦时，一些束缚得不紧的电子往往从一个物体 到另一个物体，于是原来电中性的物体由于得到电子而带负电，失去电子的物体则带正电。如玻璃棒与丝绸摩擦时，玻璃棒容易失去 而带正电，丝绸因有了 而带负电。 2．接触起电 当一个带电体与不带电的导体 时，电荷会从带电体 到导体上，使导体带上与带电体 的电荷，这种现象叫作 。利用电荷转移使金属导体带电的过程叫作 。 3．感应起电 当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带 电荷，远离带电体的一端带同号电荷，这种现象叫作 。利用静电感应使金属导体带电的过程叫作 。 规律方法 （1）只有导体中的电子才能自由移动，绝缘体中的电子不能自由移动，所以导体能够发生感应起电，而绝缘体不能。 （2）凡是遇到接地问题时，该导体与地球可视为一个导体，而且该导体可视为近端，带异种电荷，地球就成为远端，带同种电荷。 甲　　　 　　　乙　　　　　丙 三种起电方式的比较 摩擦起电 接触起电 感应起电 产生条件 两种物体摩擦 导体与带电体接触 导体靠近带电体 现象 两物体带上等量异种电荷 导体带上与带电体相同电性的电荷 导体两端出现等量异种电荷，且电性与原带电体“近异远同” 原因 不同物质的原子核对核外电子的束缚力不同而发生电子得失 自由电荷在带电体与导体之间发生转移 导体中的自由电子受带正(负)电物体吸引(排斥)而靠近(远离) 实质 电荷在物体之间或物体内部的转移 注意 无论哪种起电方式，发生转移的都是电子，正电荷不会发生转移 三、电荷守恒定律及元电荷 1．电荷守恒定律的两种表述方式 （1）电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体 到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持 。 （2）一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的 保持不变。 2．元电荷 （1）电荷量：电荷的 叫电荷量，常用符号Q或q表示，其国际单位是 ，符号为 。 （2）元电荷：科学实验发现 所带的电荷量最小，且其他带电体所带电荷量是质子电荷量的 ，这个最小的电荷量叫元电荷，用e表示，在计算中通常取 C。 （3）比荷：电子的电荷量e跟电子的质量me之 ，叫作电子的比荷，其值为。 第2节 库仑定律 一、探究电荷之间的作用力 【课堂探究】 1.带正电的带电体C置于铁架台旁，把系在丝线上质量为m，带正电的小球先后挂在P1、P2、P3 等位置。 （1） 本实验如何计算电荷之间相互作用力的大小？ （2） 带正电的小球先后挂在P1、P2、P3 等位置，随着距离的变远，小球之间的作用力如何变化？ 实验现象 (1)小球带电荷量不变时，距离带电物体越远，丝线偏离竖直方向的角度越 (2)小球处于同一位置时，小球所带的电荷量越大，丝线偏离竖直方向的角度越 实验结论 电荷之间的作用力随着电荷量的增大而 ，随着距离的增大而 二、库仑定律 1．静电力 间的相互作用力叫静电力，也叫库仑力。 2．点电荷 当带电体之间的距离比它们自身的大小 得多，以致带电体的形状、大小以及电荷分布状况对它们之间的作用力的影响可以 时，这样的带电体可以看作带电的点，叫作点电荷。点电荷是 模型。 3．点电荷的特点 （1）带电体间的距离比它们自身的大小 ； （2）带电体的形状、大小及电荷分布状况对电荷之间的 的影响可以忽略。 4．库仑定律的内容 真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成 ，与它们的 的二次方成 ，作用力的方向在它们的连线上。这种电荷之间的相互作用叫作 或库仑力。 适用条件 真空中两个静止的 库仑力大小 与它们的电荷量的 成正比， 与它们的距离的 成反比 库仑力方向 在它们的 上，吸引或排斥 5.表达式 ，式中k叫作静电力常量，k＝ 。 6．静电力的叠加 （1）两个点电荷间的作用力 因第三个点电荷的存在而有所改变。 （2）两个或者两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的 。 第3节 电场 电场强度 一、电场 英国科学家法拉第提出一种观点，认为在电荷的周围存在着由它产生的 。法拉第提出的是“力线”的概念，“场”是由麦克斯韦等人完善后形成的概念。 1．电场的产生：电荷在其周围产生 ，电场是 周围存在的一种特殊物质。 2．基本性质：电场对放入其中的电荷产生 。 3．电场和磁场统称为 ，电磁场是一种客观存在的特殊物质，也有能量、动量。 二、电场强度 1．试探电荷与场源电荷 （1）试探电荷：如图所示，带电小球q是用来检验电场是否存在及其强弱分布情况的，称为 ，或 。 （2）场源电荷：被检验的电场是电荷Q所 的，电荷Q称为 ，或 。 2．电场强度 （1）定义：放入电场中某点的电荷所受的 跟它的 的比值，叫作该点的电场强度。 （2）定义式： 。 （3）单位：牛/库(N/C)，伏/米(V/m)。1 N/C＝1 V/m。 （4）方向：电场强度是矢量，电场中某点的电场强度的方向与 在该点所受的静电力的方向相同。 （5）物理意义：电场强度是描述电场的力的性质的物理量，与试探电荷受到的静电力大小 。 三、点电荷的电场　电场强度的叠加 1．点电荷的电场 如图所示， 电荷Q与 电荷q相距为r，则它们的库仑力F＝k＝qk，所以电荷q处的电场强度E＝＝k。 （1）公式： 。 （2）方向：如果以电荷量为Q的点电荷为中心作一个球面，当Q为正电荷时，E的方向沿半径 ；当Q为负电荷时，E的方向沿半径 ． 与的比较 公式 本质区别 定义式 决定式 适用范围 一切电场 真空中点电荷的电场 Q或q的意义 q表示引入电场的检验(试探)电荷的电荷量 Q表示产生电场的点电荷(场源电荷)的电荷量 关系 E用F与q的比值来表示，但E的大小与F、q的大小无关 E不仅用Q、r来表示，且E∝Q，E∝ 2．电场强度的叠加 （1）电场中某点的电场强度为各个点电荷单独在该点产生的电场强度的 。这种关系叫作电场强度的 。 例如，图中P点的电场强度，等于电荷＋Q1在该点产生的电场强度E1与电荷－Q2在该点产生的电场强度E2的 。 （2）如图所示， 带电球体(或球壳)外某点的电场强度：E＝k，式中r是球心到 的距离(r≫R)，Q为整个 所带的电荷量。 （3）电场强度是 ，电场强度的叠加本质是 叠加，所以应该用 。 四、电场线　匀强电场 1．电场线 （1）定义：电场线是画在电场中的一条条有方向的曲线，曲线上每点的 表示该点的电场强度方向。 （2）特点： ①电场线从 或 出发，终止于 或 ，是不闭合曲线。 ②电场线在电场中不 ，因为电场中任意一点的电场强度方向具有唯一性。 ③在同一幅图中，电场线的 反映了电场强度的相对大小，电场线 的地方电场强度越大。 ④电场线不是实际存在的线，而是为了形象地描述电场而 的线。 2．匀强电场 （1）定义：电场强度的大小 、 相同的电场。 （2）电场线特点：匀强电场的电场线是间隔相等的 。 （3）实例：两块等大、靠近、正对的平行金属板，带等量异种电荷时，它们之间的电场除边缘附近外就是匀强电场。 3．几种常见的电场的电场线 （1）单一点电荷电场 ①点电荷的电场线呈辐射状，正电荷的电场线向外至无限远，负电荷则相反，如图所示。 ②以点电荷为球心的球面上，电场线疏密相同，但方向不同，说明电场强度大小相等，但方向不同。 ③同一条电场线上，电场强度方向相同，但大小不等。实际上，点电荷形成的电场中，任意两点的电场强度都不同。 （2）等量异种点电荷与等量同种点电荷的电场线 （3）匀强电场电场线 第4节 静电的防止与利用 一、静电平衡 1．静电感应现象：处于电场中的导体，由于 的作用，电荷出现 的现象。 2．静电平衡：导体内的自由电子不再发生 的状态。 3．静电平衡状态的特征 （1）处于静电平衡状态的导体，内部的场强 。 （2）处于静电平衡状态的导体，外部表面附近任何一点的场强方向必跟该点的表面 。 （3）处于静电平衡状态的整个导体是个 ，导体的表面为 。 4．导体上电荷的分布 （1）静电平衡时，导体 没有净剩电荷，电荷只分布在导体的 。 （2）在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积的电荷量) ， 的位置几乎没有电荷。 二、尖端放电 1．空气的电离：导体尖端的电荷密度 ，附近的场强 ，空气中的带电粒子剧烈运动，使空气分子被撞“散”而使正、负电荷 的现象。 2．尖端放电：导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异种离子与尖端的电荷 ，相当于导体从尖端失去电荷的现象。 4．尖端放电的应用与防止 （1）尖端放电 ①应用： 是利用尖端放电避免雷击的一种设施。 ②防止：高压设备中导体的表面尽量 ，减少电能的损失。 三、静电屏蔽 1．静电屏蔽 静电平衡时，空腔导体内表面没有电荷，导体壳内空腔里的电场强度处处为0。外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响，金属壳的这种作用叫作 。 2．静电屏蔽的应用 ①电学仪器和电子设备外面会有 ，通讯电缆外面包一层铅皮，可以防止外电场的干扰。 ②电工高压带电作业时，穿戴 制成的衣、帽、手套、鞋子，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全作业。 3．静电屏蔽的两种情况 项目 导体外部电场不影响导体内部 接地导体内部的电场不影响导体外部 图示 实现过程 因场源电荷产生的电场与导体球壳表面上感应电荷产生的电场在空腔内的合电场强度为零，达到静电平衡状态，起到屏蔽外电场的作用 当空腔外部接地时，外表面的感应电荷因接地将传给地球，外部电场消失，起到屏蔽内电场的作用 最终结论 导体内空腔不受外界电荷影响 接地导体空腔外部不受内部电荷影响 本质 静电感应与静电平衡，所以做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体 四、静电吸附 1．静电吸附：在电场中，带电粒子在 作用下，向着电极运动，最后被吸附在电极上的现象。 2．静电除尘：当空气中的尘埃带电时，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来的过程。 3．静电喷漆：接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电，在静电力作用下，这些微粒向着作为 的工件运动，并沉积在工件表面。 4．静电复印：复印机应用了 的原理，复印机的有机光导体鼓表面涂覆有机光导体(OPC)，无光照时，OPC是 ，受光照时变成导体。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第九章 静电场及其应用（知识清单） 思维导图 第1节 电荷 一、电荷 1．两种电荷 自然界只存在两种电荷，即正电荷和负电荷。 规定 2．电荷间的作用 同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。 3．原子的组成 原子由原子核和核外电子组成，原子核由带正电的质子和不带电的中子组成，核外电子带负电。通常原子内正、负电荷的数量相同，故整个原子对外表现为电中性。 4．自由电子和离子 金属中离原子核最远的电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由活动，这种能自由活动的电子叫作自由电子，失去这种电子的原子便成为带正电的离子。 二、起电方式 1．摩擦起电 当两个物体互相摩擦时，一些束缚得不紧的电子往往从一个物体转移到另一个物体，于是原来电中性的物体由于得到电子而带负电，失去电子的物体则带正电。如玻璃棒与丝绸摩擦时，玻璃棒容易失去电子而带正电，丝绸因有了多余电子而带负电。 2．接触起电 当一个带电体与不带电的导体直接接触时，电荷会从带电体转移到导体上，使导体带上与带电体同种的电荷，这种现象叫作电荷转移。利用电荷转移使金属导体带电的过程叫作接触起电。 3．感应起电 当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带异号电荷，远离带电体的一端带同号电荷，这种现象叫作静电感应。利用静电感应使金属导体带电的过程叫作感应起电。 规律方法 （1）只有导体中的电子才能自由移动，绝缘体中的电子不能自由移动，所以导体能够发生感应起电，而绝缘体不能。 （2）凡是遇到接地问题时，该导体与地球可视为一个导体，而且该导体可视为近端，带异种电荷，地球就成为远端，带同种电荷。 甲　　　 　　　乙　　　　　丙 三种起电方式的比较 摩擦起电 接触起电 感应起电 产生条件 两种物体摩擦 导体与带电体接触 导体靠近带电体 现象 两物体带上等量异种电荷 导体带上与带电体相同电性的电荷 导体两端出现等量异种电荷，且电性与原带电体“近异远同” 原因 不同物质的原子核对核外电子的束缚力不同而发生电子得失 自由电荷在带电体与导体之间发生转移 导体中的自由电子受带正(负)电物体吸引(排斥)而靠近(远离) 实质 电荷在物体之间或物体内部的转移 注意 无论哪种起电方式，发生转移的都是电子，正电荷不会发生转移 三、电荷守恒定律及元电荷 1．电荷守恒定律的两种表述方式 （1）电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变。 （2）一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。 2．元电荷 （1）电荷量：电荷的多少叫电荷量，常用符号Q或q表示，其国际单位是库仑，符号为C。 （2）元电荷：科学实验发现电子所带的电荷量最小，且其他带电体所带电荷量是质子电荷量的整数倍，这个最小的电荷量叫元电荷，用e表示，在计算中通常取e＝1.60×10－19 C。 （3）比荷：电子的电荷量e跟电子的质量me之比，叫作电子的比荷，其值为。 第2节 库仑定律 一、探究电荷之间的作用力 【课堂探究】 1.带正电的带电体C置于铁架台旁，把系在丝线上质量为m，带正电的小球先后挂在P1、P2、P3 等位置。 （1） 本实验如何计算电荷之间相互作用力的大小？ 两个带正电的小球相互排斥，测出绳子与竖直方向上的角度为θ，通过受力分析，可知F=mgtan θ。 （2） 带正电的小球先后挂在P1、P2、P3 等位置，随着距离的变远，小球之间的作用力如何变化？ 观察绳子与竖直方向的夹角，我们会发现θ越来越小，故作用力越来越小。 实验现象 (1)小球带电荷量不变时，距离带电物体越远，丝线偏离竖直方向的角度越小 (2)小球处于同一位置时，小球所带的电荷量越大，丝线偏离竖直方向的角度越大 实验结论 电荷之间的作用力随着电荷量的增大而增大，随着距离的增大而减小 二、库仑定律 1．静电力 电荷间的相互作用力叫静电力，也叫库仑力。 2．点电荷 当带电体之间的距离比它们自身的大小大得多，以致带电体的形状、大小以及电荷分布状况对它们之间的作用力的影响可以忽略时，这样的带电体可以看作带电的点，叫作点电荷。点电荷是理想化模型。 3．点电荷的特点 （1）带电体间的距离比它们自身的大小大很多； （2）带电体的形状、大小及电荷分布状况对电荷之间的作用力的影响可以忽略。 4．库仑定律的内容 真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。这种电荷之间的相互作用叫作静电力或库仑力。 适用条件 真空中两个静止的点电荷 库仑力大小 与它们的电荷量的乘积成正比， 与它们的距离的二次方成反比 库仑力方向 在它们的连线上，吸引或排斥 5.表达式 ，式中k叫作静电力常量，k＝9.0×109 N·m2/C2。 6．静电力的叠加 （1）两个点电荷间的作用力不会因第三个点电荷的存在而有所改变。 （2）两个或者两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的矢量和。 第3节 电场 电场强度 一、电场 英国科学家法拉第提出一种观点，认为在电荷的周围存在着由它产生的电场。法拉第提出的是“力线”的概念，“场”是由麦克斯韦等人完善后形成的概念。 1．电场的产生：电荷在其周围产生电场，电场是电荷周围存在的一种特殊物质。 2．基本性质：电场对放入其中的电荷产生力的作用。 3．电场和磁场统称为电磁场，电磁场是一种客观存在的特殊物质，也有能量、动量。 二、电场强度 1．试探电荷与场源电荷 （1）试探电荷：如图所示，带电小球q是用来检验电场是否存在及其强弱分布情况的，称为试探电荷，或检验电荷。 （2）场源电荷：被检验的电场是电荷Q所激发的，电荷Q称为场源电荷，或源电荷。 2．电场强度 （1）定义：放入电场中某点的电荷所受的静电力F跟它的电荷量q的比值，叫作该点的电场强度。 （2）定义式：。 （3）单位：牛/库(N/C)，伏/米(V/m)。1 N/C＝1 V/m。 （4）方向：电场强度是矢量，电场中某点的电场强度的方向与正电荷在该点所受的静电力的方向相同。 （5）物理意义：电场强度是描述电场的力的性质的物理量，与试探电荷受到的静电力大小无关。 三、点电荷的电场　电场强度的叠加 1．点电荷的电场 如图所示，场源电荷Q与试探电荷q相距为r，则它们的库仑力F＝k＝qk，所以电荷q处的电场强度E＝＝k。 （1）公式：。 （2）方向：如果以电荷量为Q的点电荷为中心作一个球面，当Q为正电荷时，E的方向沿半径向外；当Q为负电荷时，E的方向沿半径向内． 与的比较 公式 本质区别 定义式 决定式 适用范围 一切电场 真空中点电荷的电场 Q或q的意义 q表示引入电场的检验(试探)电荷的电荷量 Q表示产生电场的点电荷(场源电荷)的电荷量 关系 E用F与q的比值来表示，但E的大小与F、q的大小无关 E不仅用Q、r来表示，且E∝Q，E∝ 2．电场强度的叠加 （1）电场中某点的电场强度为各个点电荷单独在该点产生的电场强度的矢量和。这种关系叫作电场强度的叠加。 例如，图中P点的电场强度，等于电荷＋Q1在该点产生的电场强度E1与电荷－Q2在该点产生的电场强度E2的矢量和。 （2）如图所示，均匀带电球体(或球壳)外某点的电场强度：E＝k，式中r是球心到该点的距离(r≫R)，Q为整个球体所带的电荷量。 （3）电场强度是矢量，电场强度的叠加本质是矢量叠加，所以应该用平行四边形定则。 四、电场线　匀强电场 1．电场线 （1）定义：电场线是画在电场中的一条条有方向的曲线，曲线上每点的切线方向表示该点的电场强度方向。 （2）特点： ①电场线从正电荷或无限远出发，终止于无限远或负电荷，是不闭合曲线。 ②电场线在电场中不相交，因为电场中任意一点的电场强度方向具有唯一性。 ③在同一幅图中，电场线的疏密反映了电场强度的相对大小，电场线越密的地方电场强度越大。 ④电场线不是实际存在的线，而是为了形象地描述电场而假想的线。 2．匀强电场 （1）定义：电场强度的大小相等、方向相同的电场。 （2）电场线特点：匀强电场的电场线是间隔相等的平行线。 （3）实例：两块等大、靠近、正对的平行金属板，带等量异种电荷时，它们之间的电场除边缘附近外就是匀强电场。 3．几种常见的电场的电场线 （1）单一点电荷电场 ①点电荷的电场线呈辐射状，正电荷的电场线向外至无限远，负电荷则相反，如图所示。 ②以点电荷为球心的球面上，电场线疏密相同，但方向不同，说明电场强度大小相等，但方向不同。 ③同一条电场线上，电场强度方向相同，但大小不等。实际上，点电荷形成的电场中，任意两点的电场强度都不同。 （2）等量异种点电荷与等量同种点电荷的电场线 （3）匀强电场电场线 第4节 静电的防止与利用 一、静电平衡 1．静电感应现象：处于电场中的导体，由于静电力的作用，电荷出现重新分布的现象。 2．静电平衡：导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。 3．静电平衡状态的特征 （1）处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零。 （2）处于静电平衡状态的导体，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，导体的表面为等势面。 4．导体上电荷的分布 （1）静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面。 （2）在导体表面，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。 二、尖端放电 1．空气的电离：导体尖端的电荷密度很大，附近的场强很强，空气中的带电粒子剧烈运动，使空气分子被撞“散”而使正、负电荷分离的现象。 2．尖端放电：导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异种离子与尖端的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象。 4．尖端放电的应用与防止 （1）尖端放电 ①应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。 ②防止：高压设备中导体的表面尽量光滑，减少电能的损失。 三、静电屏蔽 1．静电屏蔽 静电平衡时，空腔导体内表面没有电荷，导体壳内空腔里的电场强度处处为0。外电场对壳(网)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 ①电学仪器和电子设备外面会有金属罩，通讯电缆外面包一层铅皮，可以防止外电场的干扰。 ②电工高压带电作业时，穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋子，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全作业。 3．静电屏蔽的两种情况 项目 导体外部电场不影响导体内部 接地导体内部的电场不影响导体外部 图示 实现过程 因场源电荷产生的电场与导体球壳表面上感应电荷产生的电场在空腔内的合电场强度为零，达到静电平衡状态，起到屏蔽外电场的作用 当空腔外部接地时，外表面的感应电荷因接地将传给地球，外部电场消失，起到屏蔽内电场的作用 最终结论 导体内空腔不受外界电荷影响 接地导体空腔外部不受内部电荷影响 本质 静电感应与静电平衡，所以做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体 四、静电吸附 1．静电吸附：在电场中，带电粒子在静电力作用下，向着电极运动，最后被吸附在电极上的现象。 2．静电除尘：当空气中的尘埃带电时，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来的过程。 3．静电喷漆：接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电，在静电力作用下，这些微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件表面。 4．静电复印：复印机应用了静电吸附的原理，复印机的有机光导体鼓表面涂覆有机光导体(OPC)，无光照时，OPC是绝缘体，受光照时变成导体。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$