9.4 静电的防止与利用-【帮课堂】2022-2023学年高一物理同步精品讲义（人教2019必修第三册）

9.4 静电的防止与利用 【物理核心素养】 物理观念：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，感受静电平衡概念的建立过程。 科学思维：掌握归纳、演绎推理的方法，训练学生的推理能力，亲身感受知识的建立过程。 科学探究：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体的特征。 科学态度与责任：经历观察、实验、探究等学习活动，培养尊重客观事实、实事求是的科学态度。 【教学重难点】 1、掌握静电平衡的概念、理解静电平衡的特征。 2、应用静电平衡知识，认识尖端放电现象和静电屏蔽现象。 知识点一、静电平衡 1．把导体放入电场，导体内的自由电荷在电场力作用下定向移动，而使导体两端出现等量异种电荷的现象． 2．静电平衡状态：导体在电场中发生静电感应现象，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部各点的合电场等于零，导体内的自由电子不再发生移动的状态． 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． 【经典例题1】如图所示，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＋2q的点电荷。 （1）金属杆中点处的电场强度为多少？ （2）金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的电场强度的大小和方向？ 【变式训练1】矩形金属导体处于正点电荷Q产生的电场中，静电平衡时感应电荷产生的电场在导体内的电场线形状正确的是（　　） A． B． C． D． 知识点二、尖端放电 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．在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度（单位面积的电荷量）越大，周围的电场强度越大。 容易使周围空气电离。在一定条件下，导体尖端周围的强电场足以使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动，并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷分离。这个现象叫作空气的电离。 中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子。这些带电粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子。那些所带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，这相当于导体从尖端失去电荷。这种现象叫作尖端放电。 3．避雷针“避雷”的原理：雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反的电荷。通过尖端放电，使得空气中的带电粒子与空气中的异号电荷中和，避免建筑物遭受雷击. 【经典例题2】如图所示，是闪电击中广州塔的画面，广州塔的尖顶是一避雷针，雷雨天气时，底端带负电的云层经过避雷针上方时，避雷针尖端放电形成瞬间强电流，乌云所带的负电荷经避雷针导入大地，在此过程中，下列说法正确的是（　　） A．云层靠近避雷针时，针尖感应出负电荷 B．越靠近避雷针尖端，电势越低 C．云层上负电荷流向避雷针的过程中，可能在做匀变速曲线运动 D．云层上负电荷流向避雷针的过程中，其电势能减小 【变式训练2】（多选）高大的建筑物上安装避雷针，阴雨天气时云层中的大量电荷可以通过避雷针直接引入大地，从而达到保护建筑物的目的。如图所示，虚线是某次避雷针即将放电时，带负电的云层和避雷针之间三条等势线的分布示意图；实线是空气中某个带电粒子由点到点的运动轨迹，不计该带电粒子的重力，则（　　） A．避雷针尖端带负电 B．在点的电势能大于在点的电势能 C．放电时避雷针中有向上的电流 D．越靠近避雷针尖端，其加速度越小 知识点三、静电屏蔽 1．静电屏蔽的实质 静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象，使金属壳内感应电荷的电场和外加电场矢量和为零，好像是金属壳将外电场“挡”在外面，即所谓的屏蔽作用，其实是壳内两种电场并存，矢量和为零. 2．静电屏蔽的两种情况 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场强为零，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 【经典例题3】如图所示，放在绝缘台上的金属罩B内放有一个不带电的验电器C，如把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则（　　） A．金属罩B内的场强不为零 B．在B的右侧内表面带正电荷 C．若将B接地，验电器的金属箔片将张开 D．B和C电势处处相等 【变式训练3】遵义市科技馆有一个法拉第笼（FaradayCage），它是一个由金属制