第1章 第5节 静电的利用与防护-（配套word）2023-2024学年高一新教材物理必修第三册 【步步高】学习笔记（鲁科版）

第5节　静电的利用与防护 [学习目标]　1.知道什么是静电平衡状态，能说出静电平衡状态下的导体特点(难点)。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(重点)。3.了解静电除尘、静电喷雾、激光打印的工作原理。 一、静电的利用与防护 1．静电的利用 (1)静电除尘能有效处理烟雾，与其他除尘方式相比，静电除尘耗能少，效率高。 (2)静电喷雾是通过高压静电发生装置使喷出的雾滴带电的喷雾方法。 (3)激光打印也是通过静电来实现“打印”的。 (4)静电还有很多应用。某些空气净化器利用静电来吸附空气中的尘埃；用静电处理种子增强抗病能力，提高发芽率；利用静电处理水，既能杀菌又能减少水垢等等。 2．(1)防止静电危害的方法之一，是尽快把静电导入地下。 (2)雷击：带电云层接近地面时，地面上的物体由于静电感应而带异种电荷，这些感应电荷更多分布在高大建筑物、大树等突出的物体上，当电荷积累到一定程度时，这些物体与云层间形成很强的电场，使空气电离，在云层与地面间形成强烈的火花放电。 (3)避雷针 带电导体凸起而尖锐的地方电荷比较密集，其附近空间电场也较强，避雷针便是利用了这一特点。带电云层接近时，电荷通过避雷针被直接引入大地，从而达到保护建筑物的目的。 (4)尖端放电 导体尖端附近空气电离而产生气体放电的现象。 例1　(2023·福建莆田一中高二期中)下列做法中，为了防止静电危害的是(　　) A．高大建筑物顶部安装避雷针 B．尽可能保持印染厂车间里的空气干燥 C．使用电器时不能超过其电压或电流的额定值 D．手机一般都带有天线(有的手机为了美观设计为内置天线) 答案　A 解析　电荷通过避雷针被直接引入大地，属于静电的防止，故A正确；印染厂车间内会产生大量的静电，若空气过于干燥则会引起火灾，所以应尽可能保持印染厂车间里的空气湿润，故B错误；使用电器时不能超过其电压或电流的额定值，是为了避免电流过大烧坏电器，与静电的防止无关，故C错误；手机带有天线是为了更好地接收或发射信号，与静电的防止无关，故D错误。 例2　(多选)为了减少污染，工业废气需用静电除尘器除尘，某除尘装置如图所示，其收尘极为金属圆筒，电晕极位于圆筒中心。当两极接上高压电源时，电晕极附近会形成很强的电场使空气电离，废气中的尘埃吸附离子后在电场力的作用下向收尘极运动并沉积，以达到除尘目的。假设尘埃向收尘极运动过程中所带电荷量不变，下列判断正确的是(　　) A．金属圆筒内存在匀强电场 B．金属圆筒内越靠近收尘极电势越高 C．带电尘埃向收尘极运动过程中加速度越来越大 D．带电尘埃向收尘极运动过程中受到的电场力越来越小 答案　BD 解析　根据题意可知，除尘器内电场在水平面上的分布类似于点电荷电场，电晕极相当于点电荷而位于电场正中心，故A错误；由题图可知，电晕极为负极，收尘极为正极，则金属圆筒内越靠近收尘极电势越高，故B正确；由于越靠近收尘极电场线越来越稀疏，则带电尘埃向收尘极运动过程中受到的电场力越来越小，根据牛顿第二定律可知，加速度也越来越小，故C错误，D正确。 二、静电平衡与静电屏蔽 如图所示，不带电的金属导体放到电场中，导体内的自由电子将发生定向移动，使导体两端出现等量异种电荷。请思考下列问题： (1)自由电子定向移动的原因是什么？定向移动的方向如何？ (2)自由电子能否一直定向移动？为什么？ 答案　(1)自由电子受外加电场的静电力作用而移动，向着与电场相反的方向定向移动。 (2)不能。感应电荷产生的电场与外加电场反向，阻碍电子的定向移动，当这两个电场的电场强度相等时，电子的定向移动终止。 1．静电平衡：导体中没有电荷定向移动的状态。 2．处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零。 3．导体上电荷的分布特点： 静电平衡时，电荷只分布在导体的外表面。 4．静电屏蔽：金属壳(网)内电场强度保持为零，外电场对壳(网)内不会产生影响的作用称为静电屏蔽。 5．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0，即外电场E0和感应电荷产生的电场E′的关系为E0＝－E′。 例3　(2022·贵州黔西南州金成实验学校高一期末)如图所示，把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正电荷形成的电场中，导体处于静电平衡时，下列说法正确的是(　　) A．A、B两点电场强度相等，且都不为零 B．A、B两点的电场强度不相等 C．感应电荷产生的附加电场的电场强度大小EA>EB D．当开关S闭合后，A、B两点的电场强度不为零 答案　C 解析　导体处于静电平衡状态，导体是一个等势体，导体内部电场强度处处为零，A、B两点电场强度都为零，A、B错误；在导体内部，感应电荷产生的附加电场与正电荷在同一点产生的电场强度等值反向，正电荷在A点产生的电场强度较大，故EA>EB，C正确；当开关S闭合时，电子从大地沿导线向导体移动，导体内部电场强度处处为零，D错误。 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是： (1)先求出外电场电场强度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。 例4　如图所示，把原来不带电的金属壳B的外表面接地，将一带正电的小球A从小孔中放入球壳内，但不与B发生接触，达到静电平衡后，则(　　) A．B的空腔内电场强度为零 B．B不带电 C．B的外表面带正电 D．B的内表面带负电 答案　D 解析　因为金属壳的外表面接地，所以外表面没有感应电荷，只有内表面有感应电荷分布，且由于A带正电，故B的内表面带负电，D正确，B、C错误；B的空腔内有带正电的小球A产生的电场和金属壳内表面感应电荷产生的电场，所以空腔内电场强度不为零，A错误。 例5　一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10－8 C的正电荷，上端开有适当小孔，有绝缘柄的金属小球B带有2×10－8 C的负电荷，使B球和A球内壁接触，如图所示，则A、B所带电荷量分别为(　　) A．QA＝1×10－8 C　QB＝1×10－8 C B．QA＝2×10－8 C　QB＝0 C．QA＝0　QB＝2×10－8 C D．QA＝4×10－8 C　QB＝－2×10－8 C 答案　B 解析　B球与A球内壁接触后成为一个新的导体，处于静电平衡状态，内部净电荷量为零，带电导体的电荷只能分布于导体的外表面，故QB＝0，QA＝4×10－8 C－2×10－8 C＝2×10－8 C，B正确。 处于静电平衡状态的导体，导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面。 课时对点练 1．(2023·河北衡水中学月考)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分布情况正确的是(　　) 答案　A 解析　导体处于静电平衡状态时，导体内部电场强度处处为0，感应电荷在导体内部某处产生的电场与场源电荷Q在此处产生的电场强度大小相等，方向相反，故A正确，B、C、D错误。 2．(2023·福建武平县第一中学高二阶段练习)下列属于防止静电危害的是(　　) A．静电除尘 B．静电喷涂 C．静电复印 D．高楼上安装避雷针 答案　D 3．(2023·上海市市西中学高二期中)为了防止静电的危害，应尽快把产生的静电导走，下列措施中不是防止静电危害的是(　　) A．油罐车后面装一条拖地的铁链 B．电工钳柄上套有绝缘胶套 C．飞机轮上装搭地线 D．印刷车间中保持适当的湿度 答案　B 解析　油罐车在运输过程中，油与油罐桶壁不断的相互摩擦起电，从而产生大量的静电，通过后面装一条拖地的铁链，及时将静电导走，防止静电危害；电工钳柄上套有绝缘胶套，在带电操作时，防止触电，所以不是防止静电危害的；飞机在飞行时，飞机与空气摩擦产生大量的静电，所以飞机着地时通过搭地线，将静电及时导走，防止静电危害；印刷车间中，纸张间摩擦产生大量静电，由于有一定的湿度，能及时将产生的静电导走，防止静电危害，故选B。 4．(多选)(2022·山东东明一中高二期中)静电喷涂机是利用静电现象工作的，其喷涂原理如图所示，则下列说法正确的是(　　) A．在喷枪喷嘴与被喷涂工件之间有一强电场 B．涂料微粒一定带正电 C．涂料微粒一定带负电 D．涂料微粒可能带正电，也可能带负电 答案　AC 解析　静电喷涂机工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动，是由于在喷枪喷嘴与被喷涂工件之间形成了强电场，故A正确；工件表面带正电且吸引涂料微粒，涂料微粒一定带负电，故C正确，B、D错误。 5．(2023·天津二十中高二期中)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，高压线在体内的电场强度为零 D．电工穿上屏蔽服后，感应电荷在体内的电场强度为零 答案　B 解析　采用金属材料编织衣服的作用是使处于高压电场中的人体外表面各部位形成一个等势屏蔽面，从而防护人体免受高压电场的危害，故A错误，B正确；电工穿上屏蔽服后，体内合电场强度为零，高压线、感应电荷在体内的电场强度不为零，故C、D错误。 6.(多选)(2023·广东仲元中学高二月考)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，针尖感应出正电荷 B．云层靠近避雷针时，针尖感应出负电荷 C．避雷针尖端附近的电场强度比避雷针底端附近的电场强度小 D．避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施 答案　AD 解析　避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施，D正确；根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，可知底端带负电的云层靠近避雷针时，针尖感应出正电荷，A正确，B错误；由于电荷更容易集中到尖端，从而避雷针尖端附近的电场强度比避雷针底端附近的电场强度大，C错误。 7．一个不带电的空心金属球，在它的球心处放一个正电荷，其电场是下图中的哪一个(　　) 答案　B 解析　把正电荷放在金属球壳内部，由于静电感应的作用，在球壳的内壁会感应出负电荷，在球壳的外壁会感应出正电荷，所以在金属球壳的壳壁之间，由于正电荷的电场和感应电场的共同作用，在金属球壳的壳壁之间的电场强度为零，所以在金属球壳的壳壁之间没有电场线，但球壳外部的电场分布情况不会受到影响，选项B正确，A、C、D错误。 8.一金属球原来不带电，现沿球直径的延长线上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上a、b、c三点的电场强度大小分别为Ea、Eb、Ec，三者相比，则(　　) A．Ea最大 B．Eb最大 C．Ec最大 D．Ea＝Eb＝Ec 答案　C 解析　处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为零，故a、b、c三点的电场强度都为零，处于静电平衡状态的导体内部电场强度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电场强度与MN在这一点产生的电场的电场强度等大反向，由于c点离MN最近，故MN在c点的电场强度最大，则感应电荷在c点的电场强度也最大，故C正确，A、B、D错误。 9．(2023·福建三明市一中高二月考)四幅图描述的场景依次为雷电击中避雷针(图甲)、高压输电线上方还有两条与大地相连的导线(图乙)、燃气灶的针尖状点火器(图丙)、工人穿戴着含金属丝制成的工作服进行超高压带电作业(图丁)，关于这四幅图所涉及的物理知识，下列说法正确的是(　　) A．图甲中避雷针的工作原理主要是静电屏蔽 B．图丙中的点火器是利用摩擦起电的原理进行点火的 C．图丙中的点火器的工作原理和图丁中工作服内掺入的金属丝的工作原理是相同的 D．图乙中与大地相连的两条导线所起的作用和图丁中工作服内的金属丝所起的作用是相同的 答案　D 解析　避雷针的工作原理主要是利用尖端放电避免雷击，A错误；放电电极做成针尖状，更容易累积电荷从而发生尖端放电现象，B错误；点火器是利用尖端放电的原理，而工作服内掺入的金属丝，是利用了静电屏蔽的原理，C错误；高压输电线的上方还有两条导线，这两条导线的作用是它们与大地相连，形成稀疏的金属“网”把高压线屏蔽起来，免遭雷击，与工作服内掺入的金属丝，都是利用了静电屏蔽的原理，D正确。 10.(多选)如图所示为静电除尘示意图，在M、N两点间加高压电源时，金属管内的空气电离，电离出的电子在静电力的作用下运动，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电荷，因而煤粉被吸附到管壁上，排出的烟就清洁了。就此示意图，下列说法正确的是(　　) A．N接电源的正极 B．M接电源的正极 C．电场强度大小EB＞EA D．电场强度大小EB＜EA 答案　AC 解析　电子附着在煤粉上，使煤粉带上负电荷，煤粉若能吸附在管壁上，说明管壁带正电荷，因此可知N接电源正极，A正确，B错误。金属棒与金属管可看作圆柱电极与圆环电极，电场线分布情况如图所示。由图可知金属棒附近的B点处电场线较密，而靠近金属管壁的A点处电场线较疏，故B处场强比A处场强大，C正确，D错误。 11.如图所示，将悬挂在绝缘细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内(不与C的内壁接触)，在C附近另外有一个悬挂在绝缘细线上的带负电的小球B，则(　　) A．A、B两球均不偏离竖直方向 B．A球不偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向 C．A球向左偏离竖直方向，B球不偏离竖直方向 D．A球向左偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向 答案　B 解析　由于静电屏蔽，小球B的电场对A无影响，小球A不会偏离竖直方向，由于静电感应，空心球C的内表面带负电，外表面带正电，小球B和空心球C之间异种电荷相吸引，小球B会偏离竖直方向向右靠近C球，选项A、C、D错误，B正确。 12．(2023·河北邢台市第二中学高二月考)下列关于静电屏蔽实验的说法正确的是(　　) A．甲图中验电器的金属箔张开 B．乙图中验电器的金属箔不会张开 C．丙图中验电器的金属箔不会张开 D．甲、乙、丙三图中验电器的金属箔都张开 答案　C 解析　题图甲中金属网达到静电平衡，内部电场强度为零，金属箔不会张开，金属网屏蔽了外电场，故A、D错误；题图乙中金属网未接地，网内的带电体在金属网内侧感应出负电荷，金属网外侧产生等量的正电荷，正电荷在金属网外侧有电场，对外界产生影响，所以金属箔会张开，故B错误；题图丙中金属网已接地，网外的感应电荷传给地球，外部电场消失，金属箔不会张开，故C正确。 13.(多选)(2023·河北邢台市第二中学高二期中)长为l的导体棒原来不带电，现将一个带负电的点电荷(电荷量的绝对值为q)放在金属棒的中心轴线上距离棒的左端R处，如图所示。当金属棒达到静电平衡后，已知静电力常量为k，以下说法正确的是(　　) A．棒上感应电荷在O点处产生的电场强度为零 B．棒上O点处的电场强度为零 C．负点电荷在O点处产生的电场强度大小为k，方向沿Oq连线且指向q D．棒上感应电荷在棒的中点O处产生的电场强度大小为k，方向沿Oq连线且指向q 答案　BC 解析　金属棒达到静电平衡时，内部电场强度处处为0，由于负电荷q在棒中心O处产生的电场方向沿Oq连线且指向q，所以棒上感应电荷在棒中心O处产生的电场方向沿qO连线且指向O右侧，大小与q在O点产生的电场强度相等，则有E＝，故A、D错误，B、C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$