4．静电的防止与利用（教师用书）-【勤径学升】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 学习目标 核心素养 1．知道什么是静电平衡状态，能说出静电平衡状态下导体的特点。 2．知道导体上电荷的分布特点，了解尖端放电、静电屏蔽现象及其成因。 3．了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理。 [对应学生用书第18页] 一、静电平衡 1．静电平衡：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．导体上电荷的分布 (1)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，凹陷的位置几乎没有电荷。 2．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，使空气分子中的正负电荷分离的现象。 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。 尖端放电的应用与防止： (1)应用：避雷针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。外电场对壳内的仪器不会产生影响。金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。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．判断下列说法的正误(正确的画“√”，错误的画“×”)。 (1)静电平衡时，导体内的自由电子不再定向移动。(√) (2)处于静电平衡状态下的导体内部的外加电场下外加电场与附加电场的矢量和为零，即导体内部的电场强度处处为零。(√) (3)静电平衡时，导体内部表现为中电性。电荷都分布在外表面，导体内部没有净剩电荷。(√) (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。(×) (6)电工穿的高压作业服是用铜丝编织的，目的是铜丝衣服有屏蔽作用，使体内场强为零。(√) 2．金属笼子接上50 kV的高压，但笼里的人为什么却安然无恙？ 答案　达到静电平衡后导体内部电场强度E＝0。 [对应学生用书第19页] 要点一　静电平衡状态下的导体 如图所示，当一个带电体靠近不带电导体时，由于导体内的自由电子受到静电力的作用，将向着与电场相反的方向定向移动，从而使导体两端出现等量异种电荷，这就是前面学习的静电感应现象。 (1)这种定向移动是无休止的吗？ (2)电荷的移动对导体内部的电场有影响吗？ 提示　(1)不是　(2)有 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，内部没有净剩电荷。 (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，如图甲所示。 (3)感应电荷分布于导体两端，电性相反，电荷量相等，近异远同，如图乙所示。 [例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的电场中发生静电感应，左端出现负电荷，右端出现正电荷，棒中任意一点都受两个电场的影响，即外电场(＋q在该点形成的电场E0)和附加电场(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′，E′＝－E0＝－＝－，负号代表E′和E0方向相反，即方向向左。 [答案]　　向左 求处于静电平衡状态的导体的感应电荷 产生的电场强度的方法 (1)运用E＝k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，求出感应电场电场强度E感的大小和方向。 1．如图所示，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(　　) 解析　金属盒内部由于处于静电平衡状态，内部每点的合电场强度都为0，即金属盒内的每一点，感应电荷产生的电场的电场强度都与点电荷＋Q在那点产生的电场的电场强度大小相等、方向相反，可知感应电荷的电场线与点电荷＋Q的电场线重合，但方向相反。 答案　C 要点二　静电屏蔽与尖端放电 (1)避雷针是利用尖端放电保护建筑物的一种设施，其原理是什么？ (2)静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的？ 提示　(1)当带电的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，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，使建筑物避免雷击。 (2)处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为零，即使导体壳外有电场，由于壳内电场强度保持为0，外电场对壳内的物体不会产生影响。 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。 [例2]　(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，B正确；C图中，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；D图中，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 解答此类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．在气候干燥的秋冬季节，人们常常会碰到这些现象：晚上脱衣时，常会听到噼啪的声响；早上起来梳头时，头发常会“飘”起来。这就是发生在我们日常生活中的静电现象。有一次，小明的手指靠近金属门把手时，突然有一种被电击的感觉。这是因为运动摩擦使身体带电，当手指靠近门把手时，二者之间形成的放电现象。若放电前，小明的手指带负电。有关金属门把手的两端被感应带电的情况，下列图中标示正确的是(　　) 解析　人的手指带负电，则由于静电感应，门把手中离手指较近的一端感应出正电，离手指较远的一端感应出负电，则图A是正确的。 答案　A [对应学生用书第21页] 1．(静电平衡)在点电荷－Q的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆盘与点电荷在同一平面内，则盘上感应电荷在盘中A点所激发的附加电场强度E′的方向在图中正确的是(　　) 解析　感应电荷在盘中A点激发的附加电场强度E′应与－Q在A点产生的电场强度等大反向，故A正确。 答案　A 2．(尖端放电)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 3．(静电屏蔽)(多选)如图所示，电力工作人员在几百万伏的高压线上进行带电作业，电工全身穿戴带电作业用的屏蔽服，屏蔽服是用导电金属材料与纺织纤维混纺交织成布后再做成的服装，下列说法正确的是(　　) A．采用金属材料编织衣服的目的是使衣服不易拉破 B．采用金属材料编织衣服的目的是利用静电屏蔽 C．电工穿上屏蔽服后，体内电场强度为零 D．电工穿上屏蔽服后，体内电场强度不为零，但很弱 解析　采用金属材料编织衣服的目的是利用静电屏蔽，A错误，B正确；电工穿上屏蔽服靠近高压线时，屏蔽服外的高压电场对屏蔽服内部不产生影响，屏蔽服内部电场强度仍保持为0，所以电工穿上屏蔽服后体内的电场强度为0，C正确，D错误。 答案　BC 4．(静电除尘)某火力发电厂，二期扩建两台1 000 MW超临界二次再热机组。该电厂主要以煤作燃料，若按图甲排出烟气，将带走大量的煤粉，这不仅浪费燃料，还严重地污染环境，为了消除烟气中的煤粉，该厂采用图乙所示装置静电除尘，m、n为金属管内两点，在P、Q两处加高电压时，金属管内空气电离，电离出来的电子在电场力的作用下，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电，煤粉被吸附到管壁上，排出的烟就清洁了。则下列说法正确的是(　　) A．Q接电源的负极，且电场强度Em＝En B．Q接电源的正极，且电场强度Em>En C．P接电源的负极，且电场强度Em＝En D．P接电源的正极，且电场强度Em>En 解析　管内接通静电高压时，管内存在强电场，空气电离出来的电子在电场力的作用下向正极移动，碰到烟尘微粒使其带负电，最后被吸附到管壁上，所以金属管Q应接高压电源的正极，金属丝P接负极，构成类似于点电荷的辐向电场，所以越靠近金属丝的地方电场强度越强，则有Em>En，故选B。 答案　B [对应素能提升训练第9页] 1．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 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D正确。 答案　D 2．处于静电平衡中的导体，内部电场强度处处为零的原因是(　　) A．导体内部无任何电场 B．外电场不能进入导体内部 C．所有感应电荷在导体内部产生的合电场强度为零 D．外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为零 解析　导体内部电场强度处处为零是感应电荷的电场与外电场叠加的结果，故D正确。 答案　D 3．(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按电源正极，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 4．如图所示，将悬挂在绝缘细线上的带正电的小球A放在不带电的空心金属球C内(始终不与球接触)，现将另一个悬挂在绝缘细线上的带负电的小球B放在C附近，待稳定后，以下说法正确的是(　　) A．A所受静电力为0，B向右偏离竖直方向 B．A向左偏离竖直方向，B向右偏离竖直方向 C．A所受静电力向左，B所受静电力向右 D．A的位置不变，B的位置也不变 解析　A在空心金属球内，由于静电感应，C的外表面带正电，B、C相互吸引，所以B向右偏，由于空心金属球可以屏蔽外部电场，因此B产生的电场对空心金属球C的内部无影响，所以A所受静电力为0，其位置不变，故A正确，B、C、D错误。 答案　A 5．小黄在暑假旅游坐飞机时发现飞机尾翼尖端处有些很细的针，如图所示。这些细针的功能最有可能的是(　　) A．扰乱空气流 B．发射与地面飞机场联系的电磁波 C．预防雷电击中高空飞行的飞机 D．释放高速飞行与空气摩擦时产生的静电 解析　飞机高速飞行时与空气摩擦产生静电，电荷在越尖锐的地方分布越多，可以通过尖端放电将静电释放出去，故选D。 答案　D 6．如图是一种新颖的“静电”绝缘纤维布制成的口罩面料构成示意图。其中熔喷层经驻极工艺，表面带有电荷，它能阻隔几微米的病毒，这种静电的阻隔作用属于(　　) A．静电感应　　　　　　 B．摩擦起电 C．静电吸附 D．静电屏蔽 解析　静电能吸引轻小物体，含有病毒的飞沫靠近熔喷层时会被静电吸附在表面无法通过，从而起到隔离病毒的作用，这种静电的阻隔作用属于静电吸附，只有C正确。 答案　C 7．(多选)关于静电感应和静电平衡，以下说法正确的是(　　) A．静电感应是导体内的自由电子受静电力作用的结果 B．导体内的自由电子都不运动称为静电平衡 C．处于静电平衡状态时，导体所占空间各处场强均为零 D．处于静电平衡状态时，导体内部将没有多余的净电荷 解析　静电平衡是导体内的自由电子受静电力的作用而发生定向移动，最后达到稳定的状态，A正确；达到静电平衡后，自由电子不再定向移动，但是仍然做无规则的热运动，B错误；导体处于静电平衡时，电荷只分布在导体外表面上，导体内部没有多余的净电荷，D正确；导体处于静电平衡时，导体内部的场强为零，但导体表面的场强不为零，C错误。 答案　AD 8．静电喷涂时，喷枪喷出的物料微粒带电，在带有正电的被喷工件的静电作用下，向被喷工件运动，最后吸附在其表面。在涂料微粒向工件靠近的过程中(　　) A．涂料微粒带正电 B．离工件越近涂料微粒所受库仑力越小 C．电场力对涂料微粒做负功 D．涂料微粒的动能增大 解析　由题图知，工件带正电，涂料微粒在静电力作用下向工件靠近，可知涂料微粒带负电，A错误；离工件越近，涂料微粒所受库仑力越大，B错误；涂料微粒在静电力作用下向工件运动，则电场力对涂料微粒做正功，其动能增大，C错误，D正确。 答案　D 9．小明同学学习了静电除尘之后，走进物理实验室制作了一个静电除尘装置。在一个没有底的空塑料瓶上固定着一根铁锯条和一块易拉罐(金属)片，把它们分别跟静电起电机的两极相连。实验时，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。然后把起电机一摇，顿时塑料瓶清澈透明，停止摇动，又是烟雾缭绕。关于以上实验说法正确的是(　) A．室内的空气湿度越大，实验效果越好 B．锯条换成同宽度的金属直尺效果更好 C．起电机摇动前，需先让烟尘颗粒带上电荷才能做成功 D．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 解析　当静电除尘装置接通静电高压时，存在强电场，它使空气电离而产生负离子和正离子，负离子在电场力的作用下，向正极移动时，碰到烟尘微粒使它带负电，带电尘粒在电场力的作用下，向正极移动，烟尘最终被吸附到正极上。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易拉罐(金属)片上积累，则该实验不易成功，故A错误；锯条换成同宽度的金属直尺，尖端变少，使周围空气电离的本领降低，实验效果变差，故B错误；起电机摇动后，锯条和金属片之间产生电场，强电场让空气电离，烟尘颗粒俘获电离出的负离子而带上负电荷，所以，起电机摇动前，不需先让烟尘颗粒带上电荷，故C错误；若锯条接电源负极，金属片接正极，则俘获负离子的烟尘在电场力的作用下，向正极移动，最终被吸附到金属片上，故D正确。 答案　D 10．一金属球，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在这一点产生的场强等大反向。比较a、b、c三点的场强，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 11．如图所示，较厚的空腔导体中有一个正电荷，图中a、b、c、d各点的电场强度大小顺序为(　　) A．Ea>Eb>Ec>Ed B．Ea>Ec>Ed>Eb C．Ea>Ec＝Ed>Eb D．Ea<Eb<Ec＝Ed 解析　当静电平衡时，空腔球形导体内壁感应出负电荷，外表面感应出正电荷，画出电场线的分布如图所示，由于a处电场线较密，c处电场线较疏，d处电场线更疏，b处电场强度为零，则Ea>Ec>Ed>Eb，故B正确，A、C、D错误。 答案　B 12．在真空中有两个点电荷A和B，电荷量分别为－Q和＋2Q，相距为2l，如果在两个点电荷连线的中点O有一个半径为r(r≪l)的空心金属球，且球心位于O点，如图所示，则球壳上的感应电荷在O处的电场强度的大小为多少？方向如何？ 解析　根据电场的叠加和静电平衡，球心O处的合电场强度为零，即感应电荷的电场强度与A、B两点电荷在O处所产生的合电场强度等大、反向，即E感＝EA＋EB＝k＋k＝，A、B在O处产生的电场强度方向向左，所以E感方向向右。 答案　　方向向右 学科网（北京）股份有限公司 $$