关于“接地”的几个问题--《中学物理》2010年15期
关于“接地”的几个问题
【摘要】：正"接地"是高中物理中常用的一个术语,一般情况下,认为接地点的电势为零.也有学生提出:"电流流入大地时有没有电阻?如果有电阻,在电流流入大地的过程中一定会有电势的降落,大地各点的电势将不相等,究竟哪一点的电势为零?"这样的问题,教师往往用:"大地可以认为是截面积无穷大的导体,所以电阻为零."来搪塞.可事实是这样吗?本文以接地的导体为半球状这一特殊情况为例来讨论和接地有关的几个问题.
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：G634.7【正文快照】：
“接地”是高中物理中常用的一个术语，一般情况下，认为接地点的电势为零．也有学生提出：“电流流入大地时有没有电阻?如果有电阻，在电流流人大地的过程中一定会有电势的降落，大地各点的电势将不相等，究竟哪一点的电势为零?”这样的问题，教师往往用：“大地可以认为是
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“静电屏蔽时导体接地后,电势为零.”请问有没有什么深的含义啊
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没有什么深的含义了,电势为零就是没有电荷了,没有静电了,静电屏蔽设施上面就没有静电了.
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高中物理人教版选修3-1 1.7 静电现象的应用
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(1)Q不跟A接触,如图(a)所示. (2)Q跟A接触,如图(b)所示. (3)Q不跟A接触,但A接地,如图(c)所示. (4)Q不跟A接触,A先接地然后断开,再取走Q. 答案:(1)B球受到A的吸引力而向右偏 (2)B球受到吸引力而向右偏 (3)B球不受A的作用力 (4)B球受到排斥力向左偏 A.A?B两点场强均为零 B.EA&EB&EC C.EB=EC=0 D.以地面电势为零,则&A&0 解析:金属球壳接地,则C处场强为零,即EC=0,B在导体内处于静电平衡,所以EB=0,故C选项正确,画出球壳内电场线分布如图,沿电场线电势降低,D选项正确. 答案:CD 名师点拨:利用静电平衡状态导体的特点来解决此类问题,当导体接地后,导体与地球形成一个大导体,接地后导体的电势就为零. [巩固练习] 3.一个不带电的空心金属球,放在点电荷-Q的附近,如图所示.当达到静电平衡时,下列说法中正确的是( ) A.电荷-Q在球内产生的场强为零 B.球外表面的感应电荷在球内的场强为零 C.电荷-Q与球外表面的电荷在球内的合场强为零 D.球内的电场不受外部电荷的影响 解析:处于静电平衡的导体,内部场强处处为零,导体内任一点的场强是外加电场和感应电场的叠加,故C选项正确;球内空间处于静电屏蔽中,故D选项正确. 答案:CD 课后巩固提升 巩固基础 1.导体处于静电平衡时,下列说法正确的是( ) A.导体内没有电场 B.导体内没有电荷,电荷只分布在导体外表面 C.导体内部没有电荷运动 D.以上说法均不对 解析:处于静电平衡的导体内部场强为零,是合场强为零,内部仍有电荷,而且也在运动,只是没有净电荷,没有定向移动,故D选项正确. 答案:D 2.具有一定厚度的空心金属球壳的球心位置处放一正电荷,下图中的四个图画出了其空间电场的电场线情况,符合实际情况的是( ) 解析:球壳处于正电荷的电场中,达到静电平衡,球壳为等势体,电场线不会穿过球壳,故D选项正确. 答案:D 3.如右图所示,把原来不带电的金属壳B的外表面接地,将一带正电的小球A从小孔中放入球壳内,但不与B发生接触,达到静电平衡后,则( ) A.B的空腔内电场强度为零 B.B不带电 C.B的外表面带正电 D.B的内表面带负电 解析:因为金属壳的外表面接地,所以外表面没有感应电荷,C错误;只有内表面有感应负电荷分布,所以B带负电,即所谓感应起电,B错误,D正确;B的空腔内有正电荷和内壁的感应负电荷共同激发的电场,所以空腔内电场强度不为零,A错误. 答案:D 4.已知验电器带正电荷,当一导体移近它时,金箔张角变小,则此导体( ) A.一定带正电荷 B.一定带负电荷 C.一定是中性的 D.可能带负电也可能不带电 解析:由静电感应可知,验电器带正电,当金箔张角变小时,金箔上分布的电荷减少了,移近它的导体对金箔的验电器的电荷分布产生影响,且使金箔电荷减少,则移近的导体应为不带电的中性导体或带负电荷的导体,故D选项正确. 答案:D 5.如图所示,原来不带电的金属球,现沿球直径的延长线上放置一个点电荷,球内直径上三点a?b?c,三点场强大小分别为Ea?Eb?Ec三者相比( ) A.Ea最大 B.Eb最大 C.Ec最大 D.Ea=Eb=Ec 解析:金属球处于电场中达到静电平衡,内部场强处处为零,故D选项正确. 答案:D 6.如下图所示,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( ) A. a端电势比b端高 B. b端电势比d点的低 C. a端电势不一定比d点低 D.杆内c处的场强方向由a指向b 解析:处于静电平衡的导体,内部场强处处为零,导体是一个等势体,故B选项正确. 答案:B 提升能力 7.一带有绝缘座的空心球壳A带有4&10-8 C的正电荷,有绝缘柄的金属小球B带有2&10-8 C的负电荷,使B球与A的内壁接触,如图所示,则A?B带电量分别为( ) A.QA=1&10-8 C QB=1&10-8 C B.QA=2&10-8 C QB=0 C.QA=0 QB=2&10-8 C D.QA=4&10-8 C QB=-2&10-8 C 解析:将B与A的内表面接触后,正负电荷中和,净电荷分布在导体的外表面,故B选项正确. 答案:B 8.如图所示,在真空中把一绝缘导体AB向带负电的小球P缓慢靠近(不接触,且未发生放电现象)时,下列说法中正确的是( ) A.B端感应电荷越来越多 B.导体内部场强越来越大 C.导体的感应电荷在M点产生的场强大于在N点产生的场强 D.导体感应电荷在M?N两点产生场强相等 解析:绝缘导体移近带负电的小球P时,导体中自由电子受到带负电小球P的电场作用变大,使自由电子不断地向B端移动,A?B两端感应电荷不断增多,故A选项正确. 由于AB缓慢移动,导体处于静电平衡是在很短时间内完成的,缓慢移动过程中各个状态,带负电小球P产生的电场和导体AB上感应电荷的电场叠加的结果均会使导体内部的合场强总等于零,故B项错误.M点距小球P近,由 可知,小球P在M点产生场强大于在N点产生场强,而导体内部场强处处为零,那么感应电荷在M点产生场强大于在N点产生的场强,故C项正确,D项错误. 答案:AC 9.如图,把一个不带电的枕型导体靠近带正电的小球,由于静电感应,在a?b两端分别出现负?正电荷,则以下说法正确的是( ) A.闭合开关S1,有电子从枕型导体流向大地 B.闭合开关S2,有电子从枕型导体流向大地 C.闭合开关S1,有电子从大地流向枕型导体 D.闭合开关S2,没有电子通过开关S2 解析:在S1S2都闭合前,对枕型导体,它的电荷是守恒的,a?b出现负?正电荷等量,当闭合开关S1?S2中的任何一个以后,便把大地与导体连通,使大地也参与了电荷转移,因此,导体本身的电荷不再守恒,而是导体与大地构成的系统中电荷守恒,由于静电感应,a端仍为负电荷,大地远处应感应出正电荷,因此无论闭合开关S1还是开关S2,都应有电子从大地流向导体,故C选项正确. 答案:C 10.如图所示,接地的金属板右侧有固定的点电荷+Q,a?b点是金属板右侧表面上的两点,其中a到+Q的距离较小,下列说法正确的是( ) A.由于静电感应,金属板右侧表面带负电,左侧表面带正电 B.由于静电感应,金属板右侧表面带负电,左侧表面不带电 C.整个导体,包括表面上的a?b点,是一个等势体,且电势等于零 D.a?b两点的电场强度不为零,且a,b两点场强方向相同,但a点场强比b点场强要大一些 解析:金属板若不接地,右侧表面将有感应的负电荷,左侧表面将有感应的正电荷,现金属板左侧接地,金属板与地球形成了一个的导体,金属板相当于近端,而地球相当于远端,故A选项错误,B选项正确,由处于静电平衡状态导体的特点可知,a?b等势,接地后电势等于零,故C选项正确;金属板是一个等势体,电场线垂直于导体表面,所以a?b两端的场强方向相同.由a距+Q较近,b距+Q较远,a处的电场线较密集,故a处的场强比b处的场强要大些,D选项正确. 答案:BCD 11.在真空中有两个点电荷A和B,电荷量分别为-Q和+2Q,相距2l,如果在两个点电荷连线的中点O有一个半径为r(r?l)的空心金属球,且球心位于O点,如图所示,则球壳上的感应电荷在O处的场强的大小为多少?方向如何? 解析:球壳上感应电荷在球心O点的场强为E&,A?B处的点电荷在D点产生的场强为E,当球壳处于静电平衡状时E=E&,方向相反, 方向向左.所以E&= 方向水平向右. 12.在开口的绝缘金属壳A的内部有一带正电的小球Q,球壳外用绝缘线吊有一带负电的小球B,如图所示,在下列四种情况中,B球受到A的作用力吗?若受A的作用,是吸引力还是排斥力? 第七节 静电现象的应用 课标解读 1.知道什么是静电平衡状态,理解处于静电平衡状态导体的特征 2.知道处于静电平衡状态的导体上电荷的分布规律 3.了解尖端放电现象 4.理解静电屏蔽现象的形成原因,及其在技术上的应用 课前自主学习 一?静电平衡状态下导体的电场 1.静电感应现象:把导体放入电场中,导体内部的自由电荷在电场力作用下发生定向移动,使导体两端出现等量异种电荷的现象 2.静电平衡状态:导体中(包括表面)没有电荷定向移动的状态叫做静电平衡状态 3.处于静电平衡的导体特点 (1)导体内部场强处处为零 (2)导体是个等势体,表面是个等势面 (3)导体表面上任一点的电场线跟该点的表面垂直 (4)静电平衡时,导体内部没有净电荷,净电荷只分布在导体的外表面,在导体的表面,越尖锐的位置,电荷的密度越大,凹陷的位置几乎没有电荷 二?尖端放电 1.导体尖端的电荷密度很大,附近的电场很强,空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈运动,把空气中的气体&撞&散,也就是使分子中的正负电荷分离,这个现象叫做空气的电离 2.空气中所带的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,这就相当于异体从尖端失去电荷,这个现象叫尖端放电 三?静电屏蔽 1.静电屏蔽,当金属外壳达到静电平衡时,内部没有电场,因而金属外壳会对其内部起保护作用,使它内部不受外部电场的影响的现象. 2.静电屏蔽的应用:电学仪器外面金属壳;野外高压线上方还有两条导线,它们与大地相通,形成一个稀疏的金属&网&把高压线屏蔽起来,免遭雷击. 知识梳理图 课堂互动探究 一?静电感应现象?静电平衡状态 1.静电感应现象 (1)金属导体的微观结构 金属导体内有自由电子和金属阳离子,电子和金属阳离子带电荷量相等,电性相反,所以呈中性.自由电子在整块金属中做无规则的热运动,金属阳离子只能在自身平衡位置附近做无规则振动,如图所示,?表示金属阳离子,&表示电子. (2)静电感应现象 将不带电的金属导体ABCD放到场强为E0的电场中,导体中的自由电子在电场力作用下逆着电场线方向定向移动,使导体一侧聚集负电荷,而导体一端聚集等量的正电荷,这种现象叫做静电感应现象.如图 2.静电平衡状态 在电场中受静电感应的导体,电荷重新分布,出现感应电场.感应电场将阻碍电荷的重新分布,这样最终放入电场中的导体内部没有电荷定向移动时,则达到一种平衡状态,这种状态称为静电平衡状态. 静电平衡状态的导体的特点 (1)处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零,内部场强为外界电场和感应电场的矢量和,当达到静电平衡时,外界电场和感应电场处处等大反向,叠加的结果是处处为零. (2)达到静电平衡的导体是一个等势体,导体上各点电势相等?表面是等势面. (3)处于静电平衡的导体,感应电荷分布在导体的外表面,内部没有净电荷. (4)处于静电平衡的导体,电场线与表面垂直,即导体表面任何一点的场强方向跟该处表面垂直. 二?尖端放电 带电的导体净电荷分布在导体的外表面,导体带有某种电荷,由于同种电荷互相排斥,所以电荷在导体上尽量远离,即分布在导体的外表面,但由于导体表面曲率不同,电荷的密度不同,在导体的曲率半径越小的地方即越尖的地方电荷密度大,电荷在尖端十分拥挤,不断的有些电荷被排挤出去.这种现象称为尖端放电.避雷针就是尖端放电的应用. 三?静电屏蔽 如图,将一个带正电的小球A用绝缘细线悬挂放入一个不带电的空心金属球壳内.现用一个带正电小球B靠近金属球壳发现球A并不发生偏移,为什么呢? 因为B电荷形成电场,金属球壳处于B的电场中而达到静电平衡状态,即球壳内部场强处处为零,而A在球壳内,所处位置的合场强为零,故A不动,这种现象叫做静电屏蔽. 静电屏蔽的两种情况 (1)利用金属壳或金属网封闭一定区域,使该区域不受外界电场影响.如图甲,球壳内场强为零,E=0. (2)接地导体空腔外部不受内部电场影响,如图乙所示E=0.当空腔接地时,外表面的感应电荷将因接地传给地球,外部电场已消失,对外起到屏蔽作用. 静电屏蔽在实际生产和生活中经常利用,我们使用的一些电子设备都要用金属外壳就是要起到屏蔽作用.有些设备的外壳需要接地,除了安全因素外,有的要产生电场影响其他的元件,所以接地后,仪器本身产生的电场就被屏蔽了. 典例分析 一?静电感应?静电平衡状态 例1:如下图所示,带正电小球A靠近不带电的金属导体B,由于静电感应导体B的左端出现负电荷,右端出现正电荷,下列说法,正确的是( ) A.用手摸一下B的左端,B将带正电 B.用手摸一下B的右端,B将带正电 C.用手摸一下B的中部,B将不带电 D.用手摸一下B的任何部分,B都将带负电 解析:达到静电平衡的导体在靠近源电荷的一端出现异种电荷,远离源电荷的一端出现与源电荷同种性质的电荷,无论用手触摸B的哪一部分.B与人体及地球形成一个大的导体,B离源电荷近,将出现与源电荷电性相反的电荷,地球的另一面距源电荷远, 将出现与源电荷同种性质的电荷,所以无论触摸B的什么位置,触摸时将使B带上与源电荷电性相反的电荷即负电荷,所以手离开后,导体B将带负电,故D选项正确. 答案:D 名师点拨: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,确定各端感应电荷的电性. [巩固练习] 1.如右图所示,带负电的小球C靠近不带电的导体AB的A端,由于静电感应,导体A端出现正电荷,B端出现负电荷,关于导体AB感应起电的说法正确的是( ) A.用手接触一下导体的A端,导体将带负电 B.用手接触一下导体AB的正中部位,导体仍不带电 C.用手接触一下导体AB的任何部位,导体将带正电 D.用手接触一下导体AB后,只要将带电小球不移走,AB不可能带电 解析:因无穷远处和大地的电势为零,因此带负电的小球所形成的电场中某一点的电势均小于零.由于导体AB是一等势体并且低于大地的电势(也可以画出电荷-Q产生电场的电场线方向来判断AB电势),而且人体和大地是连在一起的,因此当人接触导体AB时,不管接触哪一端,电场力作用都使导体AB中自由电子从电势低处(AB导体)移向电势高处(大地),从而使AB带正电. 答案:C 二?静电平衡的特点 例2: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处如图所示,当棒达到静电平衡后,棒上感应电荷在棒内中点P处产生的场强大小等于多少?方向怎样? 解析:导体棒在点电荷+q的电场发生静电感应,左端出现负电荷,右端出现正电荷,达到静电平衡.导体棒内任一点的场强为零,即外加电场&&+q在该点形成的电场E0,感应电场在该点形成的电场E&,E0=E& 名师点拨:要想直接求感应电荷在某点产生的场强是行不通的,但可以利用导体达到静电平衡状态时内部场强为零的特点来解;先求出外电场在此点产生的电场,则所求场强与此场强等大反向. [巩固练习] 2.如图所示,带正电的导体球A置于原来不带电的空腔导体球B内,a?c分别为导体A?B内的点,b为导体A和B之间的一点,下列说法正确的是( ) A.a?b?c三点的电势都相等 B.a点的场强为零,但电势最高 C.b点的场强为零,但电势大于零 D.a?b?c三点的场强都为零 解析:导体A?B各为一个等势体,其内各点场强均为零,即Ea=0,Ec=0.带正电的A在此B的内外表面各感应出负?正电荷,A外B内的空间电场线方向由A指向B,Eb&0,且&a&&b&&c&0.故B选项正确. 答案:B 三?静电屏蔽 例3:如图所示,在球壳内部球心放置带电量为+Q的点电荷,球壳内有A点,壳壁中有B点,壳外有C点,则下列说法正确的是( )
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