第九章4 静电的防止与利用（Word教参）-【精讲精练】2024-2025学年高中物理必修第三册（人教版）

4　静电的防止与利用 [学业要求与核心素养] 1．知道什么是静电平衡状态，知道静电平衡状态下的导体特点。 2．知道导体上电荷的分布特征，了解尖端放电、静电屏蔽现象及其成因。 3．知道什么是静电吸附，了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理。 一、静电平衡 1．定义：导体内的自由电子不再发生__定向移动__的状态。 2．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为__0__。 二、尖端放电 1．空气的电离 导体尖端电荷__密度__很大，附近的电场很强，强电场作用下的带电粒子剧烈运动，并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷__分离__的现象。 2．尖端放电 (1)与导体尖端异号的粒子，由于被__吸引__，而与尖端上电荷__中和__，相当于导体从尖端__失去电荷__的现象。 (2)应用：__避雷针__是利用尖端放电避免雷击的一种设施。 (3)防止：高压设备中导体的表面尽量__光滑__会减少电能的损失。 三、静电屏蔽 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为__0__。外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响的作用叫作__静电屏蔽__，静电屏蔽的应用：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。 四、静电吸附 1．静电吸附 电场中，带电粒子在__静电力__作用下向电极运动，最后被吸附在电极上的现象。 2．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。 3．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，向作为__正极__的工件运动，并沉积在工件表面。 4．静电复印 复印机应用了__静电吸附__的原理，复印机的有机光导体鼓表面涂覆有机光导体OPC，无光时，OPC是__绝缘体__，有光照时变成导体。 (1)处于静电平衡状态的导体内部任意点的电场强度为零。(　　) (2)静电平衡状态下的导体内部电场强度处处为零，导体内部没有电荷。(　　) (3)处于静电平衡状态下的导体内部的自由电荷静止不动。(　　) (4)避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地。(　　) (5)用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，则验电器箔片能张开。(　　) 答案　(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)× 探究点一　静电平衡状态下的导体 1．处于静电平衡状态的导体内部场强为零的本质是外电场E0和感应电荷产生的电场E′的合场强为0，即E0＝－E′。 2．孤立的带电导体处于静电平衡状态，内部场强为0的本质是分布在导体外表面的电荷在导体内部的合场强为0。 3．静电平衡时，导体上的电荷分布有： (1)净电荷只分布在导体表面，内部没有净电荷。 (2)净电荷在导体表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集。 如图所示，点电荷A和B带电荷量分别为＋3.0×10－8 C和－2.4×10－8 C，彼此相距6 cm。若在两点电荷连线中点O处放一个半径为1 cm的金属球壳，求球壳上感应电荷在O点处产生的电场强度。(静电力常量k＝9×109 N·m2/C2) [解析]　＋q1在O点的场强大小为E1＝k＝3×105 N/C，方向由O指向B；－q2在O点的场强大小为E2＝k＝2.4×105 N/C，方向由O指向B；设感应电荷在O点处产生的场强大小为E3，由静电平衡条件知E3＝E1＋E2＝5.4×105 N/C，方向由O指向A。 [答案]　5.4×105 N/C，方向由O指向A 求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生场强的方法 (1)先求出外电场场强E外的大小和方向。 (2)由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡条件E合＝0。 (3)由E外＋E感＝0，求出感应电场E感的大小和方向。 1.一金属球，原来不带电，现沿球直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN，如图所示，金属球上感应电荷产生的电场在球内直径a、b、c上三点的场强大小分别为Ea、Eb、Ec，三者相比，则(　　) A．Ea最大 B．Eb最大 C．Ec最大 D．Ea＝Eb＝Ec 解析　处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零，故a、b、c三点的场强都为零。处于静电平衡状态的导体内部场强为零是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果，所以感应电荷在球内某点产生的电场的场强与MN在这一点产生的电场的场强等大反向。比较a、b、c三点感应电场的场强，实质上是比较带电体MN在这三点的场强。由于c点离MN最近，故MN在c点的场强最大，感应电荷在c点的场强也最大，正确选项为C。 答案　C 探究点二　静电屏蔽与尖端放电 1．尖端放电的理解 (1)空气的电离：导体尖端电荷密度很大，电场很强，带电粒子在强电场的作用下剧烈运动撞击空气分子，从而使空气分子的正负电荷分离的现象。 (2)尖端放电：所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象。 2．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，矢量和为零而已。 3．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 4．应用 为了防止外界信号的干扰，静电屏蔽被广泛地应用到科学技术工作中。例如，电子仪器设备外面的金属罩，通讯电缆外面包的铅皮等，都是用来防止外界电场干扰的屏蔽措施。 (多选)如图所示，金属壳放在光滑的绝缘水平垫上，能起到屏蔽外电场或内电场作用的是(　　) [解析]　A图中，由于金属壳发生静电感应，内部电场强度为零，金属壳起到屏蔽外电场的作用，A正确；B图中金属壳同大地连为一体，同A一样，外壳起到屏蔽外电场的作用；C中电荷会引起金属壳内外表面带电，外表面电荷会在壳外空间中产生电场，即金属壳不起屏蔽作用，C错误；将金属壳接地后，外表面不带电，壳外不产生电场，金属壳起屏蔽内电场的作用，D正确。 [答案]　ABD 解答静电屏蔽问题时应掌握以下两点 (1)导体外部的电场影响不到导体内部。 (2)接地导体的内部电场影响不到导体外部。 2．如图所示，放在绝缘台上的金属网罩B内放有一个不带电的验电器C，若把一带有正电荷的绝缘体A移近金属网罩B，则(　　) A．金属网罩B的内表面带正电荷 B．金属网罩B的右侧外表面带正电荷 C．验电器的金属箔片将张开 D．金属网罩B左、右两侧电荷电性相同 解析　金属网罩B处于静电平衡状态，电荷分布在其外表面上，所以A错误；由于静电感应，则金属网罩B在左侧外表面感应出负电荷，所以金属网罩B的右侧外表面感应出正电荷，B正确，D错误；由于静电屏蔽，金属网罩内电场强度为零，故C上无感应电荷，验电器的金属箔片不会张开，C错误。 答案　B 1.(多选)如图所示，带负电的点电荷旁有一接地大金属板，A为金属板内的一点，B为金属板左侧外表面上的一点，下列关于金属板上感应电荷在A点和B点的场强方向判断正确的是(　　) A．感应电荷在A点的场强沿E1方向 B．感应电荷在A点的场强沿E2方向 C．感应电荷在B点的场强可能沿E3方向 D．感应电荷在B点的场强可能沿E4方向 解析　金属板内的电场强度处处为0，则感应电荷的电场强度与点电荷的电场强度等大反向，即感应电荷在A点的场强沿E2方向，选项B正确；金属板表面的电场强度垂直表面向外，即为感应电荷的电场强度与点电荷的电场强度的合场强，则感应电荷在B点的场强可能沿E3方向，选项C正确。 答案　BC 2．(2023·合肥月考)图中甲图和乙图分别为研究静电平衡内外部导体的电荷分布情况的实验，下列说法正确的是(　　) A．处于静电平衡的导体，其内部导体部分没有任何电荷，原子里面电荷带电量都为零 B．处于静电平衡的导体，静电荷一定分布在其外表面，且外表面一定带同种电荷 C．处于静电平衡的导体，其内部感应电荷产生的场强一定为零 D．处于静电平衡的导体，其导体内部的场强一定为零 解析　处于静电平衡的导体，其内部导体部分的静电荷一定为零，原子里面正负电荷带电量相等，总电量为零，A错误；处于静电平衡的导体，静电荷一定分布在其外表面，外表面可能带同种电荷也可能带异种电荷，B错误；处于静电平衡的导体，其内部感应电荷产生的场强与原电场的合场强一定为零，C错误，D正确。 答案　D 3．如图所示是模拟避雷针作用的实验装置，金属板M接高压电源的正极，金属板N接负极。金属板N上有两个等高的金属柱A、B，A为尖头，B为圆头。逐渐升高电源电压，当电压达到一定数值时，可看到放电现象。先产生放电现象的是(　　) A．A金属柱 B．B金属柱 C．A、B金属柱同时 D．可能是A金属柱，也可能是B金属柱 解析　由于导体尖端电荷比较密集，故容易产生放电现象。 答案　A 4.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，棒上的感应电荷在棒内中点P处产生的电场强度大小等于________，方向为________。 解析　导体棒在点电荷＋q的电场中产生静电感应。左端出现负电荷，右端出现正电荷，棒中任何一点都受两个电场的影响：外电场，＋q在该点形成的电场E0；附加电场，棒上感应电荷在该点形成的电场E′，达到静电平衡状态时E′＝－E0。题中所求的即为E′，于是我们通过上述等式转化为求E0，于是E′＝－E0＝－＝－，负号代表E′和E0方向相反，即E′方向向左。 答案　　向左 s 学科网（北京）股份有限公司 $$