第3节 静电的利用与防护（课件PPT）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第三册（粤教版）

第三节　静电的利用与防护 核心素养导学 物理观念 (1)知道静电喷涂、静电除尘、静电复印、静电植绒等。 (2)了解尖端放电及其应用。 (3)认识静电的危害和防止的方法。 科学探究 观察尖端放电的实验现象。 科学态度与责任 能对公众利用和防护静电的一些行为发表自己的观点，有进行科学普及的兴趣和责任感。 一、静电喷涂 静电除尘 静电复印 静电植绒 1．静电喷涂：利用__________使雾化涂料微粒在高压电场作用下带上_______，并吸附于带________的被涂物的涂装技术。 2．静电除尘：利用电荷相互作用的性质，把带有__________的粉尘从烟气中分离出来，再分类处理的过程。 3．静电复印：利用正、负电荷的吸引力进行_________的印刷方式。 4．静电植绒：利用电荷之间同性相斥、异性相吸的性质，通过使绒毛带上_______，令绒毛被吸引到_______的被植体表面上。 静电作用 负电荷 正电荷 不同电性 油墨转移 负电荷 带正电 二、尖端放电　防止静电危害 1．尖端放电 (1)定义：放电针附近形成的强电场使空气发生了电离，电离后的异种电荷与放电针尖端的电荷______，相当于导体从尖端失去电荷的现象。 (2)应用：________等。 2．防止静电危害：防止静电产生的措施：一是控制静电的产生，可以采用_________的设备材料；二是把_____________尽快导走，最简单的方法就是用导线把设备接地，这样可以把______导入大地，避免静电积累。 中和 避雷针 起电较少 产生的电荷 电荷 1.在静电除尘、静电喷漆和静电复印等静电的应用实例中，其理论依据是什么？ 提示：同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引，利用静电力控制带电粒子的运动或分布。 2.为防止雷击对建筑物造成损坏，常在建筑物的顶端安装避雷针，那么， 避雷针是如何避免建筑物遭雷击的？ 提示：当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属针出现与云层相反的电荷，避雷针上的感应电荷在其附近产生强电场，使避雷针与带电云层间的空气电离，成为导体。带电云层与避雷针连通形成电路，而避雷针又是接地的，因此就可以把云层上的电荷导入大地，使其不对高层建筑构成威胁，保证建筑物的安全。 新知学习(一)|静电的利用 [重点释解] 1．静电除尘的工作原理 (1)如图所示，接高压电源负极的金属丝悬挂于接电源正极的金属筒 中，当电压达到一定值时，金属丝与筒之间会形成很强的电场，使空气 电离，大部分烟雾颗粒或粉尘在吸附电离后的负电荷后，在电场力的作 用下向金属筒运动，并粘于金属筒上。 (2)当尘埃积累到一定程度时，下落至灰尘收集器，而通过除尘后的 净化空气从出口排出。 2．静电喷漆的工作原理：将喷枪和待喷漆的工件分别接于高压直流电源的两极，从喷枪喷出的漆便带上了一种电荷，由于同种电荷相互排斥的作用，形成了大团的雾状漆。这些带电的细小漆珠在电场力的作用下非常准确地向带有另一种电荷的工件奔去，牢固地黏附在工件的表面，完成喷漆。 3．静电复印机的工作原理 (1)复印机内有一重要部件——硒鼓，它是金属制成的圆筒，其上镀着一层硒。预先充电，使硒鼓带正电，当光照射到硒鼓时，静电层才导电。 (2)如图所示，把准备复印的文件放在复印机玻璃板上，文件的影像会聚焦在硒鼓上。硒鼓上的正电荷因光的照射而被带走，没有光照射的地方则保留正电荷，在硒鼓上形成原文件影像的静电图样。 (3)将带负电的黑色着色粉撒在硒鼓上，色粉只吸附在带电区。当纸张压过带电圆筒时，着色粉可粘在纸上，加热后，纸上便留下永久的影像，最后被送出来。 [典例体验] [典例]　(多选)如图是某款家用空气净化器及其原理示意图，污浊空气通过过滤网后尘埃带电。图中充电极b、d接电源负极，集尘极a、c、e接电源正极(接地)，下列说法正确的是 (　 ) A．通过过滤网后空气中的尘埃带负电 B．尘埃在被吸附到集尘极e的过程中动能增大 C．c、d两个电极之间的电场方向竖直向上 D．尘埃被吸附到集尘极a的过程中所受电场力做负功 [解析]　尘埃经过过滤网后被正极吸引，所以尘埃带负电，故A正确；尘埃在被吸附到集尘极e的过程中电场力做正功，动能增大，故B正确；因为充电极b、d接电源负极，集尘极a、c、e接电源正极，所以c、d两个电极之间的电场方向竖直向下，故C错误；尘埃被吸附到集尘极a的过程中所受电场力做正功，故D错误。 [答案]　AB [针对训练] 1．(多选)静电喷涂机原理如图所示。静电喷涂机接高压电源，工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动，微粒最后被吸附到工件表面上。关于静电喷涂机的涂料微粒，下列表述正确的有 (　 ) A．微粒带正电 B．微粒带负电 C．微粒可能带正电，也可能带负电 D．微粒受电场力作用 解析：涂料微粒在电场力的作用下运动至被喷涂工件表面上，被喷涂工件带正电，所以涂料微粒必带负电，A、C错误，B正确；微粒是在电场力的作用下运动到被喷涂工件的，D正确。 答案：BD 2．复印机的核心部件是有机光导体鼓，它是在一个金属圆柱表面涂盖一层有机光导体OPC(没有光照时OPC是绝缘体，受到光照时变成导体)而制成的。如图所示，复印机的基本工作过程是：(1)在暗处的有机光导体鼓和一个金属丝电极之间加上高电压，金属丝附近空气发生电离，使转动鼓体均匀带上正电荷；(2)文件反射的强光通过光学系统在鼓上成像，鼓上形成“静电潜像”；(3)鼓体转动经过墨粉盒，潜像将带相反电荷的墨粉吸引到鼓体带电部位；(4)鼓体继续转动经过复印纸，带电复印纸又将墨粉吸引到复印纸上。以下说法正确的是 (　 ) A．步骤(1)中发生了静电感应现象 B．步骤(2)中发生了局部导电现象 C．步骤(3)中发生了静电平衡现象 D．步骤(4)中发生了静电屏蔽现象L 解析：在暗处的有机光导体鼓和一个金属丝电极间加高电压，金属丝附近的空气发生电离，这是将空气电离的现象，故A错误；文件反射的强光使鼓体上部分OPC变成导体，将电荷导走，有字的部分则仍是绝缘体，保留电荷，这是局部导电现象，B正确；鼓体转动经过墨粉盒，潜像将带相反电荷的墨粉吸引到鼓体带电部位，这是异种电荷相互吸引现象，C错误；鼓体继续转动经过复印纸，带电复印纸又将墨粉吸引到复印纸上，这是异种电荷相互吸引现象，D错误。 答案：B　 新知学习(二)|尖端放电和静电危害的防止 [任务驱动] (选自鲁科版新教材“物理聊吧”)请观察建筑物上的避雷针(如图)，看它们是如何巧妙设计的，分析它们如何能安全引电避雷，它们的造型与建筑物是否协调，并与同学讨论交流。 提示：在建筑物的屋顶、屋角设置各种造型的动物，避雷针一端以动物头上的角须形式或巨兽的舌头向上探出的形式巧妙安装，另一端引入大地，从而起到避雷效果。　　　　 [重点释解] 1．防止静电的危害应遵守的原则和采取的方法 基本原则 控制静电的产生，把产生的静电迅速引走以避免静电的积累。减少因摩擦而产生的静电 方法 接地放电、增加湿度、非导电材料的抗静电处理等 2．静电的防止——放电 火花放电 当电荷在物体上大量聚集时，在物体周围会产生电场，如果电场足够强，原来是绝缘体的空气被强电场击穿变为导体，这一现象称为空气的电离，强大的电流通过电离的空气时发声、发光、产生电火花并放出大量的热，这就是火花放电现象 接地放电 用导线把带电体与大地连接起来，从而使带电体上的电荷导入大地。这是接地放电现象 [针对训练] 1．如图所示，在火箭发射塔周围有钢铁制成的四座高塔，高塔的功能最有可能的是 (　 ) A．探测发射台周围风力的大小 B．发射与航天器联系的电磁波 C．预防雷电击中待发射的火箭 D．测量火箭发射过程的速度和加速度 解析：钢铁制成的高塔有避雷作用，高塔的功能是预防雷电击中待发射的火箭，故C正确。 答案：C　 2．(多选)一带负电绝缘金属小球放在潮湿的空气中，经过一段时间后，发现该小球上净电荷几乎不存在，这说明 (　 ) A．小球上原有的负电荷逐渐消失了 B．在此现象中，电荷不守恒 C．小球上负电荷减少的主要原因是潮湿的空气将电子导走了 D．该现象是由于电子的转移引起，仍然遵循电荷守恒定律 解析：根据电荷守恒定律，电荷不能消灭，也不能创生，只会发生转移，故A错误；此过程中电荷仍然守恒，电荷没有消失，只是被潮湿的空气导走而已，仍然遵循电荷守恒定律，故B错误；金属小球上的负电荷减少是由于潮湿的空气将电子导走了，故C正确；该现象是潮湿的空气将电子导走了，是电子的转移引起的，仍遵守电荷守恒定律，故D正确。 答案：CD　 3．关于静电的利用和防范，以下说法正确的是 (　 ) A．印染厂应保持环境干燥，避免静电积累带来的潜在危害 B．油罐车行驶途中车尾有一条铁链拖在地上， 避免产生电火花引起爆炸 C．飞机起落架的轮胎用绝缘橡胶制成，可防止静电积聚 D．手术室的医生和护士都要穿绝缘性能良好的化纤制品，可防止麻醉剂或氧气爆炸 解析：印染厂的车间，有大量静电产生，因此要保持潮湿，这样才能及时将静电导走，故A错误；油罐车在运动的过程中，由于里面的油在晃动，也会摩擦产生静电，后面拖一条接地的铁链就可以及时地把产生的静电导走，避免产生电火花引起爆炸，故B正确；飞机起落架的轮胎装有搭地线或用导电橡胶制成，是为了及时地把飞机在飞行过程中由于摩擦而产生的电荷通过导体而转移给大地，以免发生放电现象，保证飞机和乘客的安全，故C错误；绝缘性能良好的化纤制品的衣服不能及时把静电导入大地，容易造成手术事故，故D错误。 答案：B 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学思维——静电除尘的原理分析 1．(选自鲁科版教材课后练习)(多选)静电除尘器除尘原理如图所 示。尘埃在电场中通过某种机制带电，在静电力的作用下向收 尘极迁移并沉积，以达到除尘目的。下列表述正确的是 (　 ) A．带电尘埃带正电荷 B．电场方向由收尘极指向电晕极 C．带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相同 D．在同一位置，带电荷量越多的尘埃所受静电力越大 解析：由题图可知，电晕极为负极，收尘极为正极，带电尘埃必带负电荷，电场方向指向电晕极，带电尘埃受到的静电力方向与电场方向相反，A、C错误，B正确；在同一位置上，电场强度大小相同，带电荷量越多的尘埃所受静电力越大，故D正确。 答案：BD　 科学探究——避雷针为什么能避雷 2．(选自沪科版教材“实验探究”)用如图所示的感应圈，可以 观察“实验室中的雷电现象”，帮助我们理解避雷针的避雷 原理。将两枚放电针分别安装在感应圈的接线柱上，再将低 压电源的8～10 V直流电接在感应圈上，闭合开关，适当调节 感应圈上振动簧片的位置(有些感应圈会自动完成这一操作)，就可以观察到火花放电的现象。 (1)请比较火花放电图景与雷电时看到的闪电图景。它们有哪些相似之处？ (2)试用放电针放电的现象说明避雷针的原理。 提示：(1)都发出明亮的电弧并伴随着噼噼啪啪的声音。 (2)在放电针放电的现象中，一枚放电针相当于靠近地面的云层，积累了大量的电荷，另一枚放电针相当于与大地相连的避雷针，由于尖端放电，使原先积累的电荷发生电中和现象，这就是避雷针的原理。 科学态度与责任——雷火炼殿 3．(选自人教版教材“科学漫步”)武当山位于湖北省西北部，其 主峰天柱峰屹立着一座光耀百里的金殿，全部为铜铸鎏金。 雷雨交加时，金殿的屋顶常会出现盆大的火球，来回滚动。雨 过天晴时，大殿金光灿灿，像被重新炼洗过一般，这就是人们所 说的“雷火炼殿”奇观。 武当山重峦叠嶂，气候多变，云层常带大量电荷。金殿屹立峰巅，是一个庞大的优良导体。当带电的积雨云移来时，云层与金殿顶部之间形成巨大的电压，使空气电离，产生电弧，也就是闪电。强大的电弧使周围空气剧烈膨胀而爆炸，看似火球，并伴有雷鸣。 金殿顶部，除海马等屋脊上的装饰外，很少有带尖的结构，不易放电，所以能使电压升得比较高，保证“炼殿”之需。如此，金殿五百年灿烂地屹立在天柱峰之巅。 近些年来因为金殿周围的一些建筑物常遭雷击，金殿也安装了避雷设施。此后。雷火炼殿的奇观消失了。没有水火的炼洗，金殿的色泽暗淡了许多。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．在一次科学晚会上，一位老师表演了一个“魔术”：一个 没有底的空塑料瓶上固定着一根铁锯条和一块金属片，把 它们分别跟静电起电机的两极相连。在塑料瓶里放一盘点 燃的蚊香，很快就看见整个透明塑料瓶里烟雾缭绕。当把 起电机一摇，顿时塑料瓶清澈透明。停止摇动，又是烟雾缭绕。下列关于以上实验的说法正确的是 (　 ) A．室内的空气湿度越大，实验效果越好 B．若锯条接电源负极，金属片接正极，则这些烟尘附着在金属片上面 C．起电机摇动前，需先让烟尘颗粒带上电荷才能做成功 D．起电机摇动时，塑料瓶内金属片边电场强度最大 解析：加大空气湿度，由于潮湿的空气易于导电，则起电机产生的静电不容易在铁锯条和金属片上积累，则该实验不易成功，A错误；若锯条接电源负极，金属片接正极，则俘获电子的烟尘带负电，这些烟尘附着在金属片上面，B正确；锯条和金属片间的电场让空气电离，电离的电子让烟尘颗粒带电，故不需先让烟尘颗粒带上电荷，C错误；起电机摇动时，锯条聚集的电荷密度(单位面积的电荷量)大，因此锯条边的电场强度最大，D错误。 答案：B 2． (多选)如图所示，市场上有一种仪器叫作“纺织物摩擦带电荷量测试仪”，用于测量防静电服面料所带电荷量。该仪器主要由旋转摩擦机和双层金属筒组成，双层金属筒内筒和外筒之间用绝缘橡胶垫隔离。测试时将面料放入旋转摩擦机中，摩擦起电后，再将带电面料放入双层金属筒的内筒并与内壁接触，与内筒相连的仪表就能测出面料所带电荷量。在外筒接地开关K闭合的情况下，下面说法正确的是 (　 ) A．内筒的内壁不带电　 B．内筒的外壁不带电 C．外筒的内壁不带电 D．外筒的外壁不带电 解析：测试时将面料放入旋转摩擦机中，摩擦起电后，再将带电面料放入双层金属筒的内筒并与内壁接触，这时电荷可以全部转移到内筒的外壁，所以内筒的内壁不带电，内筒的外壁带电并且带上全部电荷量，则A正确，B错误；内筒的外壁带电，由静电感应让外筒产生感应电荷，外筒的内壁带上不同于内筒外壁的异种电荷，但是由于在外筒接地，外筒外壁不是导体远端，则外筒的外壁不带电，C错误，D正确。 答案：AD　 3．为清除烟气中的煤粉灰尘，可采用如图所示的静电除尘装置，它是由金属管A和在管中轴线上由重锤悬挂一根金属丝B组成，A接到高压电源正极，B接到高压电源负极，AB间将形成很强的电场，空气中的气体分子被强电场电离成电子和正离子，则(　 ) A．空气分子在A极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上正电 B．空气分子在A极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上负电 C．空气分子在B极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上正电 D．空气分子在B极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上负电 解析：电极截面如图所示，由电场线可判断越靠近B场强越强，空气分子在B极附近更易被电离；粉尘吸附电子后带负电，因此向正极A运动，故煤粉将被吸附到A极上，故选D。 答案：D $$