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06
静电场及其应用
导入 从神秘的雷电说起
电闪雷鸣是常见的自然现象，全世界每秒就有上百次雷电发生。雷电有利也有害，它可以使空气中部分氧气激变成能吸收宇宙射线的臭氧，使地球上的生物免遭过量紫外线照射的危害，还可使空气变得纯净宜人；但由雷电引起的雷击会给人、畜、建筑物以及电子电气设备造成极大危害。雷电是怎样形成的？怎样才能避免雷电造成的危害？
本章将学习静电场的知识及其在生产生活中的应用，同时揭开上面问题的谜底。
第二节 电势能与电势差
实际应用中，常常需要确定带电体周围电场的分布，通常的做法是先测量电场中的电势。什么电势？电势差又是什么？本节将从能量角度研究电场，学习电势能、电势差的相关内容。
如果一电荷在电场中只受电场力，它会在电场力的作用下加速运动。由于电场力做正功，电荷加速运动后将具有一定的动能。是什么形式的能转化为电荷的动能呢？
电荷在电场力作用下的运动与物体在地球表面附近在重力作用下的运动类似。我们知道，物体从高处下落的过程中速度增大，重力势能转化为物体的动能。同样，电荷在电场力作用下速度增大，实际上是电势能转化为电荷的动能。电荷在电场中由于受电场力作用而具有由位置决定的能叫电势能。
一、电势能
第二节 电势能与电势差
电场力做正功，电势能减小；电场力做负功，电势能增大，电场力做的功始终等于电势能的变化量。如图 6-10 所 示，用 表示电荷从 点移动到 点过程中电场力所做的功， 和 分别表示电荷在 点和 点的电势能，那么
一、电势能
第二节 电势能与电势差
选择不同的零电势能点，电荷在电场中同一点的电势能的值不同，但电场中两点间的电势能之差不会因零电势能点的选择不同而发生变化。如图 6-10 中，对于在 点的电荷 ，若选择 点为零电势能点，它的电势能为零；若选择 点为零电势能点，它的电势能不为零。但 、 两点的电势能之差始终等于。
一、电势能
第二节 电势能与电势差
选择恰当的零电势能点，可使问题简化。实际应用中，通常将电荷在大地表面的电势能规定为零，或者将电荷在离场源电荷无穷远处的电势能规定为零。
电荷在电场中具有电势能，为了描述电场的这种性质，物理学中，把电荷在电场中某点的电势能与它的电荷量之比，称为该点的电势。若用 表示电荷 在电场中某点 的电势能，表示该点的电势，则
二、电势 电势差
第二节 电势能与电势差
在国际单位制中，电势的单位是伏特，符号为，。 电势是标量。电势与电势能一样具有相对性，首先要规定电场中电势为零的位置（零电势点），然后才能确定各点的电势值。通常选距离场源电荷无穷远处为零电势点。在实际问题中，也常常选大地为零电势点。
电场中电势相等的点的连线称为等势线。为了使等势线能反映电场的强弱，通常使相邻两等势线电势的差值相等，等势线密的地方电场较强，等势线疏的地方电场较弱。例如在点电荷形成的电场中，等势线是一系列以点电荷为球心的同心球面（图 6-11），离球心近的地方比离球心远的地方等势线密，电场强。
二、电势 电势差
第二节 电势能与电势差
可以证明，电场线与等势线垂直，方向由电势高的等势线指向电势低的等势线。根据电场线与等势线的关系，可由等势线确定电场线。
电场中两点间电势的差值称为电势差，也称电压，用符号 表示，其单位与电势单位相同。若电场中 点的电势为 ， 点的电势为 ，则
二、电势 电势差
第二节 电势能与电势差
若知道电场中两点间的电势差，就能计算出电荷在这两点之间移动时电场力所做的功。可以证明，电荷 由 点移动至 点，电场力做的功为
在图 6-12 所示的电场强度为 的匀强电场中，带正电的 电荷 从 点移动距离 后到达 点，电场力对电荷做的功。根据电势差与电场力做功的关系 ，从而 有 所以
三、匀强电场中电场强度与电势差的关系
第二节 电势能与电势差
上式说明，在匀强电场中，电场强度的大小等于沿电场强度方向的两点间的电势差与这两点的距离之比。此时电场强度的单位是 ，。上式也可写成 ，此式说明匀强电场中沿电场强度方向的两点间的电势差等于电场强度的大小与这两点距离的乘积。
第二节 电势能与电势差
作业与活动
1. 如图所示，一个质子水平射入两带电平行金属板之间。两 板间的电势差 ，质子的电荷量 。 求质子从正极板运动到负极板电场力所做的功。
第二节 电势能与电势差
作业与活动
2. 两平行金属板间的电压 ，板间距离 。求两板间匀强电场的电场强度大小。
3. 在电工电子技术工作中，有时把金属机壳作为零电势点。是否可以说因为机壳电势为零，人站在地上接触机壳就不会触电？若机壳接地又如何？ 请说明理由。
项目任务与实践活动
第二节 电势能与电势差
4. 查阅资料，了解利用直流电源和导电纸模拟描绘电场中等势线的方法，与同学交流，然后尝试利用相关器材做实验。

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