9.4 静电的防止与利用 学案 -2023-2024学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

第9章 静电场及其应用 第4讲 静电的防止与利用 第9章 静电场及其应用 第4讲 静电的防止与利用 课前预习 一、静电平衡 1．静电平衡状态 导体在电场中发生 现象，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部各点的电场强度E＝ ，导体内的自由电子不再 的状态。 2．静电平衡状态下导体的特点 (1)处于静电平衡状态的导体，其内部 处处为零。 (2)表面处的电场强度不为零，方向跟导体表面 。 二、尖端放电 1．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)在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积的电荷量) ，周围的电场强度越大。 2．空气的电离：在一定条件下，导体尖端的电荷 很大，导体尖端周围的强电场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 的现象。 3．尖端放电：所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被 而奔向尖端，与尖端上的电荷 ，相当于导体从尖端 ，这种现象叫作尖端放电。 4．尖端放电的应用与防止 (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 ，这样会减少电能的损失。 三、静电屏蔽 1．定义：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 ，外电场对壳内的仪器不会产生影响。金属壳的这种作用叫作 。 2．应用：电学仪器外面有金属壳、野外高压线上方还有两条导线与大地相连等。 四、静电吸附 1．原理：在电场中，带电粒子在 的作用下，向着电极运动，最后被吸附在电极上的现象。 2．应用 (1)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。 (2)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。 (3)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)，没有光照时，OPC是 ，受到光照时变成导体 课堂讲解 知识点1、对静电平衡的理解 1．静电平衡实质 (1)在达到静电平衡的过程中，外电场引起导体内自由电荷的定向移动使导体两侧出现感应电荷，感应电荷的电场和外电场方向相反，使合场强减小，随着感应电荷的继续增加，合场强逐渐减小，直至合场强为零，自由电荷的定向移动停止，如图甲乙丙． (2)静电平衡的条件：导体内部的合场强为零，即E合＝0. 2．静电平衡状态的特点 (1)处于静电平衡状态下的导体的特点 导体内部某处感应电荷产生的场强E′与周围原电场场强E大小相等，方向相反，两者相互抵消，导体内部处处合场强E合为零，但导体表面的电场强度不为零． (2)静电平衡状态下的导体的电荷分布特点 ①净电荷都分布在导体的表面，导体内部没有净电荷． ②感应电荷分布在导体两端，电性相反，电量相等，远同近异． ③净电荷在导体表面分布不均匀，导体表面尖锐处电荷分布密集，平滑处电荷分布稀疏，凹陷处几乎没有电荷． 例1、如图所示，在真空中有两个点电荷A和B，电荷量分别为－Q和＋2Q，它们相距L，如果在两点电荷连线的中点O有一个半径为r(2r<L)的空心金属球，且球心位于O点。静电力常量为k。求： (1)A在O点产生的电场强度的大小与方向； (2)球壳上的感应电荷在O点处产生的电场强度的大小与方向。 变式1、长为L的导体棒原来不带电，现将一带电荷量为＋q的点电荷放在距导体棒左端R处，如图所示，当导体棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在棒内中点处产生的电场强度大小等于________，方向________． 例2、如图所示，金属球壳A带有正电荷，其上方有一小孔a，静电计B的金属球b用导线与金属小球c相连，以下操作所产生的现象正确的是(　 　) A．将c移近A，但不与A接触，B的箔片会张开 B．将c与A外表面接触后移开A，B的箔片不会张开 C．将c与A内表面接触时，B的箔片不会张开 D．将c从导线上解下，然后用绝缘细绳吊着从A上小孔置入A内，并与其内壁接触，再提出空腔，与b接触，B的箔片会张开 变式2、如下列选项图所示，一个方形的金属盒原来不带电，现将一个带电荷量为＋Q的点电荷放在盒左边附近，达到静电平衡后，盒上的感应电荷在盒子内部产生的电场分布情况正确的是(　 　) 知识点2、尖端放电　静电屏蔽 1．尖端放电 导体尖端电荷密度大，周围的电场强度大，把周围的空气分子电离，电离后形成的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，那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这种现象叫作尖端放电。 2．静电屏蔽 导体外部的电场不影响导体内部 静电屏蔽的本质是静电感应，导体外面的电场不影响导体内部，是因为外电场与导体表面的感应电荷在导体内部任一点的场强叠加后合场强为零．如图：把验电器靠近带电体，箔片会张开，如图(甲)，但如果把验电器置于金属网罩内，再靠近带电体，箔片不再张开，如图(乙)，说明网罩内不受外电场的影响． 3．接地导体的内部电场不影响导体外部 接地导体的内部电场不影响导体外部，是因为导体外部的感应电荷都被排斥入地，在只有施感电荷和内壁感应出的异种电荷的情况下，两部分电荷在导体外部任何一点的场强叠加后合场强为零． 如右图：如果一封闭的导体球壳内部空间有一点电荷＋q.由于静电感应，导体球壳内外表面感应出等量的异种电荷，其电场线分布如图(丙)所示；当把导体球壳接地后，＋q在壳内的电场对外部空间就没有影响了，此时的电场线分布如图(丁)所示． 例3、如图所示，两个相同的空心金属球M和N，M带－Q电荷，N不带电(M、N相距很远，互不影响)，旁边各放一个不带电的金属球P和R，当将带正电Q的小球分别放入M和N的空腔中时(　 　) A．P、R上均出现感应电荷 B．P、R上均没有感应电荷 C．P上有，而R上没有感应电荷 D．P上没有，而R上有感应电荷 变式3、如图所示，A是带正电的物体，B是金属网，C是原来不带电的金箔验电器，能使验电器的金箔张开的是(　 ) 例4、下列说法不正确的是(　 　) A．避雷针避雷的原理是尖端放电能将空气中的电荷中和 B．为了美观，通常把避雷针顶端设计成球形 C．验电器的金属杆上端固定一个金属球而不是做成针尖状，这是为了防止尖端放电 D．为了避免因尖端放电而损失电能，高压输电导线表面要尽量光滑 变式4、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 知识点3、静电吸附 例5、(多选)如图为静电除尘器除尘机理的示意图。尘埃在电场中通过某种机制带电，在静电力的作用下向集尘极迁移并沉积，以达到除尘目的，下列表述正确的有( ) A．到达集尘极的尘埃带正电荷 B．电场方向由集尘极指向放电极 C．带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相同 D．同一位置带电荷量越多的尘埃所受静电力越大 变式5、如图所示是用一种新型“静电”绝缘纤维布制成的口罩。熔喷布经驻极工艺，表面带有电荷，它能阻隔直径极微小的病毒，这种静电的阻隔作用属于 (　 　) A． 静电屏蔽 B． 摩擦起电 C． 尖端放电 D． 静电吸附 课后巩固 1．在燃气灶上常安装电子点火器，电子点火器的放电电极应该做成(　 　) A．圆头状 B．针尖状 C．方形 D．椭球形 2．下列防雷措施可行的是(　 　) ①在大树下避雷雨； ②停留在山顶、山脊的凉亭等地方避雷雨； ③不要快速开摩托车、骑自行车或在雨中狂奔； ④在空旷地带， 最好关掉手机电源 A．①③ B．②③ C．①④ D．③④ 3．下图显示了在外加匀强电场E0的情况下，无穷大导体板中静电平衡的建立过程．下列说法正确的是(　 　) A．图甲、图乙显示了导体内部带负电的电子在静电力作用下运动，而带正电的离子不受静电力作用 B．图丙中，导体内部场强处处为零 C．图丙中，导体内部没有电场 D．图丙中，导体AB表面感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场，大小也为E0 4.人们行走时鞋子和地板由于摩擦产生静电，带电的离子会在地板表面对空气中的灰尘产生吸引，对电脑机房、电子厂房等单位会造成一定的影响．防静电地板又叫作耗散静电地板，当它接地时，能够使电荷耗散．地板在施工时，地板下面要铺设铝箔，铝箔要连接到地下预埋导体．下列关于防静电地板的说法，正确的是(　 　) A．地板下面铺设铝箔的作用是防潮 B．地板必须是绝缘体材料 C．地板必须是导电的，如地板中含有导电纤维 D．只要地板下面铺设铝箔，地板材料是绝缘的或导电的均可 5.如图所示，一导体球A带有正电荷，当只有它存在时，它在空间P点产生的电场强度的大小为EA.在A球球心与P点连线上有一带负电的点电荷B，当只有它存在时，它在空间P点产生的电场强度大小为EB.当A、B同时存在时，根据场强叠加原理，P点的场强大小应为(　 　) A．EB B．EA＋EB C．|EA－EB| D．以上说法都不对 6.如图所示，在两个带等量异种电荷的绝缘导体球之间，对称地放着两个相同的导体ab、cd，当用导线将a、d连接起来时，下列判断正确的是(　 　) A．有自由电子沿导线从a流向d B．有自由电子沿导线从d流向a C．导线中没有电流通过 D．达到静电平衡后，a端和d端均不带电 7．在绕地球做匀速圆周运动的航天器中，物体处于完全失重状态，可以形成一种“重力屏蔽状态”，在航天器中建立电学实验室，可以有效消除常态下重力的影响．空腔导体内部可以实现静电屏蔽，在空腔导体内部建立物理实验室，可以有效消除外电场的干扰．下列说法正确的是(　 　) A．电场是一种人为假设的物质，实际是不存在的 B．航天器中的“重力屏蔽状态”指的是航天器中不存在重力 C．外电场在空腔导体的内部产生的场强为0，所以外电场被屏蔽 D．在外电场作用下处于静电平衡的空腔导体，其内部的总电场强度为0 8．在医疗手术中，为防止麻醉剂乙醚爆炸，地砖要用导电材料制成，医生和护士要穿由导电材料制成的鞋子和外套，一切设备要良好接地，甚至病人身体也要良好接地，这样做是为了(　 　) A．除菌消毒 B．消除静电 C．利用静电 D．防止漏电 9．下列说法正确的是(　 　) A．根据公式E＝，可知电场中某点的场强与该点试探电荷受到的电场力成正比 B．无论是何种起电方式，本质上都是使微观带电粒子在物体之间或物体内部转移，而不是创造出了电荷 C．几个电场叠加后，合电场的场强一定大于分电场的场强 D．电场线就是点电荷在电场中的运动轨迹 10．每到夏季，各地纷纷进入雨季，雷雨等强对流天气频繁发生．当我们遇到雷雨天气时，一定要注意避防雷电．下列说法正确的是(　 　) ①不宜使用无防雷措施的电器或防雷措施不足的电器及水龙头　②不要接触天线、金属门窗、建筑物外墙，远离带电设备　③固定电话和手提电话均可正常使用　④在旷野，应远离树木和电线杆 A．①②③ B．①②④ C．①③④ D．②③④ 11．某农村小塑料加工厂的高频热合机(焊缝用)产生的电磁波频率和电视信号频率接近，由于该村尚未通有线电视信号，空中的信号常常受到干扰，在电视荧屏上出现网状条纹，影响正常收看．为了使电视机不受干扰，可采取的办法是(　 　) A．将电视机用一金属笼子罩起来 B．将电视机用一金属笼子罩起来，并将金属笼接地 C．将高频热合机用一金属笼子罩起来 D．将高频热合机用一金属笼子罩起来，并将金属笼接地 12．如图，把一个不带电的枕形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，有电子从枕形导体流向大地 B．闭合开关S2，有电子从枕形导体流向大地 C．闭合开关S1，有电子从大地流向枕形导体 D．闭合开关S2，没有电子通过开关S2 13．(多选)根据所学知识分析，人在进行高压带电作业操作前必须做的准备工作和操作过程可能发生的情况是(　 　) A．人不需要做什么准备，只要操作时注意就可以保证安全 B．人在操作前必须要戴上用金属丝网制成的手套、帽子，穿上屏蔽服 C．手在接触电线的瞬间，也会放电发生危险 D．手在接触电线的瞬间，也会放电，但没有危险 14．(多选)下图是静电喷涂原理的示意图．喷枪喷嘴与被涂工件之间存在强电场，喷嘴喷出的带电涂料微粒在强电场的作用下会向带正电的工件高速运动，最终被吸附到工件表面，则(　 　) A．微粒一定带负电 B．微粒可能带正电，也可能带负电 C．微粒运动过程中，动能越来越小 D．微粒运动过程中，动能越来越大 15．(多选)如图所示，在左边的绝缘支架上插上顶针(其顶端是尖的)，在顶针上装上金属风针，若给风针附近的圆形金属板接上正高压极，风针接负高压极，风针尖端放电会使其旋转起来，下列说法中正确的是(　 　) A．风针尖端附近的电场线分布较密 B．风针附近的空气在强电场下发生电离 C．空气中的阳离子会向风针的尖端运动 D．交换金属板与风针所带电荷电性，风针的尖端会有正电荷射出 本节课反馈（学生填写建议并反馈本节课掌握情况）： 参考答案 课前预习 1、 静电感应 0 发生定向移动 电场强度 垂直 2、 内部 外表面 越大 密度 分离 吸引 中和 失去电荷 避雷针 光滑 3、 零 静电屏蔽 4、 静电力 正极 静电吸附 绝缘体 课堂讲解 例1、答案 (1)k，方向向左　(2)，方向向右 解析　(1)由点电荷电场强度公式E＝知，A在O点产生的电场强度的大小E＝k＝k，电场强度方向向左。 (2) 两个点电荷A和B在O点处产生的合电场强度大小E合＝k＋k＝，方向向左，根据处于静电平衡状态导体的电场分布特点可知，球壳上的感应电荷在O点处的电场强度大小与两个点电荷A和B在O点处产生的合电场强度大小相等、方向相反，则球壳上的感应电荷在O点处产生的电场强度大小E′＝E合＝，方向向右。 变式1、答案 　向左 解析 导体棒处于静电平衡状态时，导体棒内部合电场强度为零，这是点电荷q所形成的电场与棒两端出现的感应电荷所形成的附加电场在棒中叠加的结果，即E合＝E1＋E2＝0.因此可通过计算点电荷＋q产生的电场强度E1，来确定感应电荷所形成的电场强度E2的大小和方向．点电荷＋q在棒中点处产生的电场强度由公式E＝k，得E1＝k，方向向右．由该点合电场强度为零知，感应电荷在棒中点处产生的电场强度大小为E2＝E1＝k，方向向左． 例2、 答案 A 解析　把c向A靠近的过程中，由于静电感应，B的箔片会张开，故A正确。当把c与A的外表面接触后移开A，由于接触使静电计带电导致B的箔片张开，故B错误。把c与A的内表面接触，静电平衡后，电荷只分布在外表面，但静电计处于新组成的导体的外表面，则B箔片会张开，故C错误。c与A内壁接触时，由于静电屏蔽，小球c不带电，故再与b接触时，B的箔片不会张开，故D错误。 变式2、答案 C 解析　金属盒内部处于静电平衡状态，因此内部电场强度处处为零，即金属盒内感应电荷产生的电场的电场强度与点电荷在金属盒内产生的电场的电场强度大小相等、方向相反，即在金属盒内感应电荷产生的电场的电场线与点电荷产生的电场的电场线重合，但方向相反，C项正确。 例3、 答案 D 解析：当将带正电Q的小球放入M的空腔中时，对M产生静电感应使M的内表面带负电荷，而外表面带正电荷，其电荷量为Q，它与原来金属球M外表面所带的－Q正好中和，使外表面不带电，实际上是M所带－Q被吸引至内表面，所以金属球M外部不存在电场，不能对P产生静电感应，P上没有感应电荷．当将带正电Q的小球放入原来不带电的N的空腔中时，对N产生静电感应，使N内表面带负电荷，N外表面带正电荷，N外部有电场，对R产生静电感应，使左端带负电荷，右端带正电荷．选项D正确． 变式3、答案 C 解析　题图A、B中，由于金属网的屏蔽作用，带电体A对验电器无作用，故A、B错误；题图C中，受带电体A作用，金属网内外分别带等量异种感应电荷，在验电器处有电场，即能使验电器的金箔张开，故C正确；题图D中由于金属网接地，网罩外无电场，无法使验电器的金箔张开，故D错误。 例4、 答案 B 解析　避雷针利用尖端放电的原理来避雷，必须做成针状，不能做成球形，带电云层靠近建筑物时，避雷针上产生的感应电荷会通过尖端放电，中和空气中的电荷，A正确，B错误；验电器的金属杆上端固定一个金属球而不是做成针尖状，这是为了防止尖端放电，C正确；高压输电线表面要尽量光滑，是为了避免因尖端放电而损失电能，D正确。 变式4、答案 C 解析　打雷的时候，由于静电感应，在发射塔顶端积累了很多的电荷，容易导致火箭被雷击，所以在发射塔周围设置钢铁高塔使电荷聚集在铁塔顶端，保护待发射的火箭的安全，故C正确。 例5、 答案 BD 解析　集尘极接直流高压电源正极，带正电荷，放电极接直流高压电源负极，带负电荷，故电场方向由集尘极指向放电极，B选项正确；尘埃在静电力作用下向集尘极运动，受力方向与电场方向相反，故尘埃带负电荷，A、C选项错误；由F＝qE可知，当电场强度E不变时，尘埃所受静电力F与其带电荷量q成正比，D选项正确。 变式5、答案 D 解析　熔喷布表面带有电荷，当极微小的病毒靠近时，由于静电感应而带电，从而被熔喷布吸附，其原理为静电吸附，选项D正确。 课后巩固 1、 答案 B 解析：尖端电荷容易聚集，点火器需要瞬间高压放电，自然要高电荷密集区．故安装的电子点火器往往把放电电极做成针形，形成尖端放电，故B正确，A、C、D错误． 2、 答案 D 解析：表面具有突出尖端的导体，在尖端部分电荷分布密度很大，使得其周围电场很强，就可能使其周围的空气发生电离而引发尖端放电，因此，不要在大树下避雨，别停留在山顶、山脊的凉亭等地方．快速开摩托车、骑自行车或在雨中狂奔，身体的跨步越大，电压就越大，雷电也越容易伤人．在空旷地带使用手机通话，手机很有可能成为闪电的放电对象．故正确选项为D. 3、 答案 B 解析：图甲、图乙显示了导体内部带负电的电子在静电力作用下向左运动，易知带正电的离子同样会受到静电力的作用，A错误；图丙中导体AB表面和CD表面的感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场，大小也为E0，与原电场叠加后，使得导体内部场强处处为零，但电场E′和原电场依然存在，故B正确，C、D错误． 4、 答案 C 解析：地板在施工时，地板下面要铺设铝箔，铝箔要连接到地下预埋导体，即要将地板上的静电导走，所以防静电地板必须是导电的，如地板中含有导电纤维，故选项C正确． 5、 答案 D 解析：当带电导体球周围无其他导体或带电体存在时，导体球上的电荷将均匀分布在导体球表面．根据题意，均匀分布在导体球上的电荷在P点产生的场强为EA.当把点电荷B放在A球球心与P点的连线上后，虽然导体球所带的总电荷量未变，但因静电感应，导体球上的电荷将重新分布，直到再次达到静电平衡．这时，导体球上的电荷在P点产生的场强EA′不等于EA.由于点电荷不涉及电荷如何分布的问题，它在P点产生的场强与周围是否存在其他电荷无关，所以仍为EB.当点电荷B与导体球A同时存在时，P点的场强应由EA′与EB叠加而成，而不是由EA与EB叠加，这样就能立即断定A、B、C三个选项都是不对的． 6、 答案 B 解析：用导线将a、d连接起来，两个导体ab、cd组成一个新的导体，根据“近异远同”的特点，自由电子沿导线从d向a移动，导线中形成电流，B正确，A、C错误；达到静电平衡后，a端带负电，d端带正电，D错误． 7、 答案 D 解析：电场是看不见、摸不着，但是实际存在的，A错误；航天器中的“重力屏蔽状态”指的是航天器中物体间没有相互作用力，但仍存在重力，B错误；外电场在空腔导体的内部产生的场强，与感应电荷在内部的电场强度相互叠加后为0，C错误；由于静电屏蔽作用，导体的外壳就会对它的内部起到“保护”作用，使它的内部不受外部电场的影响，所以导体内部的总电场强度为0，D正确． 8、 答案 B 解析：医生和护士要穿由导电材料制成的鞋子和外套是为了将身上的静电导走，B正确． 9、 答案 B 解析：云层在靠近避雷针时，在避雷针尖端感应出与云层中的电荷电性相反的电荷，达到一定程度就向空中放电，中和云层中的电荷，从而避免雷击，所以选项B正确． 10、 答案 B 解析：表面具有突出尖端的导体，在尖端处的电荷分布密度很大，使得其周围电场很强，就可能使其周围的空气发生电离而引发尖端放电．固定电话和手提电话的天线处有尖端，易引发尖端放电造成人体伤害，故不能使用． 11、 答案 D 解析：为了使电视机能接收电磁波信号，但又不接收高频热合机产生的电磁波，应将高频热合机产生的电磁波信号屏蔽，而接地金属笼子具有屏蔽内电场的作用，故选项D正确． 12、 答案 C 解析：在S1、S2都闭合前，对枕形导体，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． 13、 答案 BD 解析：当人在操作前戴上用金属丝网制成的手套、帽子，穿上屏蔽服时，接触电线的瞬间，也会放电，但电荷只分布在丝网的外表面，形成静电屏蔽，丝网内部无电场，人不会有危险． 14、 答案 AD 解析：由于静电感应，工件的电荷分布在表面，微粒最终被吸附到带正电的工件表面，故微粒带负电，A正确，B错误；微粒受静电力的作用，静电力做正功，动能越来越大，C错误，D正确． 15、 答案 ABC 解析：圆形金属板与风针分别接上正、负高压极后，风针附近产生强电场，且风针尖端处电场最强，因此风针尖端附近的电场线分布较密．风针附近产生强电场使空气发生电离，空气中的阳离子会向风针的尖端运动与针尖负电荷中和，发生放电现象，而空气中的负离子因受排斥力而向相反方向运动．由于反冲，风针就旋转起来．如果交换金属板与风针电荷电性，风针不可能放出正电荷，导体内只有自由运动的电子． 第 1 页 共 11 页 学科网（北京）股份有限公司 $$