第九章 4 静电的防止与利用-（配套word）2023-2024学年高一新教材物理必修第二册 【步步高】学习笔记（人教版）浙江

4　静电的防止与利用 [学习目标]　1.知道什么是静电平衡，能掌握静电平衡状态下导体的特点(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、静电喷漆、静电复印的工作原理。 一、静电平衡 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定向移动，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，当这两个电场大小相等时，电子的定向移动终止。 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，即外电场E0和感应电荷产生的电场E′的关系为E0＝－E′。 3．导体上电荷的分布： (1)静电平衡时，导体内部没有净剩电荷(未被抵消的电荷)，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。 4．处于静电平衡状态的导体，其外表面任一点的电场强度方向跟该点的表面垂直。 (1)处于静电平衡状态下的导体表面和内部的合电场强度均为零。(　×　) (2)静电平衡时，导体内部不再有电荷的定向移动。(　√　) (3)一个孤立的带电体，在自身所带电荷的电场中，处于静电平衡状态，不具有静电平衡的特点。(　×　) 例1　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大反向，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。 针对训练　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。 例2　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。 二、尖端放电 1．空气的电离：在一定条件下，导体尖端电荷密度很大，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分离，这种现象叫作空气的电离。 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，而与尖端上的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象。 3．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。 (1)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。(　√　) (2)避雷针避雷的原理是尖端放电能将云层中的电荷中和。(　√　) (3)为了美观，通常把避雷针顶端设计成球形。(　×　) (4)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。(　√　) 例3　(2021·浙江6月选考)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 答案　C 解析　在火箭发射塔周围有钢铁制成的四座高塔，其功能是预防雷电击中发射的火箭，故选C。 三、静电屏蔽 1．定义：导体壳(或金属壳)内达到静电平衡后，外电场对内部不会产生影响，金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。 2．实质：实质是利用了静电感应现象，使金属壳内的感应电荷的电场和外加电场的电场强度矢量和为零。 3．应用：(1)生活中有很多对静电屏蔽的应用，以此来保护壳内仪器不受外加电场影响。例如：电子仪器外部加装金属壳，通信电缆外面包有一层金属网，高压线路检修人员要穿屏蔽服。 (2)静电屏蔽不一定要用密封的金属容器，金属网也能起到屏蔽的作用，在野外的高压输电线的三条输电线上方还有两条导线，它们的作用就是与大地相连形成一个稀疏的金属网，以此来保护高压输电线不受雷击。 (1)电工穿上用导电金属材料与纺织纤维混纺制成的屏蔽服后，高压线在体内的电场强度为零。(　×　) (2)打雷时，人在汽车里要比在木屋里安全。(　√　) (3)有线电视信号线外面有一层金属丝，是为了静电屏蔽，使信号不受干扰。(　√　) (4)静电屏蔽一定要用密封的金属容器，金属网不能起到屏蔽作用。(　×　) 例4　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，金属网外侧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。 静电屏蔽的两种情况 屏蔽外电场 外屏蔽 屏蔽内电场 全屏蔽或内屏蔽 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产生的电场在空腔内的合电场强度为零，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 四、静电吸附 1．静电吸附：在电场中，带电粒子在静电力作用下，向着电极运动，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，这些微粒向着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。 例5　(2022·宁波市高一期末)如图为静电除尘器除尘原理的示意图。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，以达到除尘的目的，下列表述正确的是(　　) A．到达集尘极的尘埃可能带正电，也可能带负电 B．电场方向由集尘极指向放电极 C．到达集尘极的带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相同 D．带电尘埃在电场中匀加速运动 答案　B 解析　由于集尘极与电池的正极连接，电场方向由集尘极指向放电极，尘埃在静电力作用下向集尘极迁移并沉积，说明尘埃带负电，故B正确，A错误； 负电荷在电场中受静电力的方向与电场强度方向相反，故C错误； 由题图可知，放电极和集尘极之间的电场类似于尖端放电所产生的电场，不是匀强电场，所以带电尘埃在电场中不可能做匀加速运动，故D错误。 课时对点练 考点一　静电平衡 1．(2022·浙江省精诚联盟联考)如图所示，把一个原来不带电的枕形导体靠近一个带有正电荷的小球，枕形导体两端会感应出异种电荷，感应电荷将改变原来带电小球周围的电场分布。现假设枕形导体靠近后，带正电荷的小球上电荷分布不变，则在枕形导体靠近前后，关于电场中各点电场强度变化情况的说法正确的是(　　) A．枕形导体的左端附近的A点电场强度变弱 B．枕形导体的内部的B点电场强度变弱 C．枕形导体的右端附近的C点电场强度变弱 D．枕形导体的内部的D点电场强度变强 答案　C 解析　因枕形导体靠近后，带正电荷的小球上电荷分布不变，则小球在A点的电场强度不变，则当枕形导体靠近后，因枕形导体在A点的电场强度与小球在A点的电场强度方向一致，可知导体的左端附近的A点电场强度变强，同理可知，枕形导体的右端附近的C点电场强度变弱，因为枕形导体远离C点，选项A错误，C正确；由于静电平衡，则枕形导体的内部的B点和D点的电场强度均为零，则当枕形导体靠近前后，枕形导体内部电场强度不变，即B、D两点电场强度均不变，选项B、D错误。 2．(2022·德清县第三中学高二开学考试)长为l的导体棒原来不带电， P1、P2是位于棒上的两点，位置如图所示。现将一带电荷量为＋q的点电荷放在距棒右端r处，达到静电平衡后，棒上感应电荷在P1处产生的电场强度大小为E1，在P2处产生的电场强度大小为E2。则以下说法正确的是(　　) A．E1＝ E2＝0 B．E1≠0，E2＝0 C．0＜E1＜E2，方向均向右 D．E1＞E2＞0，方向均向左 答案　C 解析　根据处于静电平衡状态的导体特征可知导体内部电场强度处处为零，则有E1－＝0，E2－＝0，联立可得：0<E1<E2，由于点电荷在P1处产生的电场强度与在P2处产生的电场强度方向均向左，所以棒上感应电荷在P1处产生的电场强度与在P2处产生的电场强度方向均向右；故C正确。 考点二　静电屏蔽　尖端放电 3．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。 4．如图所示的高压输电线路，在铁塔的顶端还有两条导线，它们与大地相连，这两条导线的主要功能是(　　) A．输送电能 B．各变电站之间通讯 C．连接各铁塔，使铁塔更稳固 D．预防雷电击中下方的输电线 答案　D 解析　实现静电屏蔽不一定要用密封的金属容器，金属网也能起到屏蔽作用。两条导线与大地相连，形成一个稀疏的金属“网”，把高压线屏蔽起来，使其免遭雷击，故选D。 5.(多选)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。 考点三　静电吸附 6．(多选)静电喷漆是利用静电吸附现象制造的，其喷涂原理如图所示，则以下说法正确的是(　　) 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　工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动，是由于喷枪喷嘴与被涂工件之间形成了强电场，由正电荷对涂料微粒的吸引作用可得出涂料微粒带负电，故A、C正确。 7．(2022·台州市高二校联考期中)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．尖端放电 D．静电吸附 答案　D 解析　因为熔喷布经驻极工艺，表面带有电荷，它能阻隔几微米的病毒，则这种静电的阻隔作用属于静电吸附。故选D。 8．(多选)(2022·绍兴市高二统考期中)静电除尘的原理结构图如图甲所示，静电喷涂的原理结构图如图乙所示，下列说法正确的是(　　) A．对图甲，电晕极与收尘极之间的电场为匀强电场 B．对图甲，电晕极附近的气体分子被强电场电离，电子向收尘极运动使含尘气体中的粉尘带负电，积累在筒壁一定量后进入下方的漏斗排出 C．对图乙，喷口喷出的雾化涂料微粒带正电，被涂工件不带电 D．对图乙，工件与喷口之间较强的电场使带电雾化涂料向带电的工件运动，正负电荷的作用使涂料均匀地涂在工件上 答案　BD 解析　对题图甲，电晕极与收尘极之间的电场为辐射电场不是匀强电场，A错误；对题图甲，电晕极附近的气体分子被强电场电离，电子向收尘极运动使含尘气体带负电，积累在筒壁一定量后进入下方的漏斗排出，B正确；对题图乙，喷口喷出的雾化涂料微粒带负电，被涂工件带正电，C错误；对题图乙，工件与喷口之间较强的电场使带电雾化涂料向带电的工件运动，正负电荷的作用使涂料均匀地涂在工件上，D正确。 9．(多选)(2023·温州外国语学校高二月考)从生活走向物理，从物理走向社会，物理和生活息息相关，联系生活实际对物理基本概念的认识和理解，是学好物理的基础。下列有关电学知识的相关说法，正确的是(　　) A．图甲中超高压带电作业的工作人员，为了保证他们的安全，他们必须穿上橡胶制成的绝缘衣服 B．图乙中家用煤气灶的点火装置，是根据尖端放电的原理而制成的 C．图丙中是避雷针的示意图，避雷针可以在雷雨天防止建筑物被雷击 D．图丁为静电喷漆的示意图，静电喷漆时使被喷的金属件与油漆雾滴带相同的电荷，这样使油漆与金属表面在静电斥力作用下喷涂更均匀 答案　BC 解析　题图甲中超高压带电作业的工作人员，为了保证他们的安全，他们必须穿上金属丝制成的衣服，以起到静电屏蔽的作用，选项A错误；题图乙中家用煤气灶的点火装置，是根据尖端放电的原理而制成的，选项B正确；高大的建筑物顶安放避雷针是雷雨天通过尖端放电中和空气中的电荷防止建筑物被雷击，故C正确；静电喷漆时使被喷的金属件与油漆雾滴带异种电荷，这样使油漆与金属表面在静电引力作用下喷涂更均匀，故D错误。 10.(2023·丽水市高二校考阶段练习)如图所示，A为空心金属球，B为金属球，A、B原来不带电，将另一带正电荷的小球C从A球开口处放入A球中央，不接触A球，然后用手接触一下A球，再用手接触一下B球，再移走C球，则(　　) A．A球带负电荷，B球带正电荷 B．A球带负电荷，B球不带电 C．A、B两球都带负电荷 D．A、B两球都带正电荷 答案　B 解析　首先带正电荷的小球C从A球开口处放入A球中央。根据静电感应现象可知，A球内表面带负电荷，外表面带正电荷。用手接触A相当于把A接地，由大地传导过来的电子与A球外表面正电荷中和，使A球外表面不带电，此时A球对外起静电屏蔽作用，A球内的电场不影响外部。用手接触B时，无电荷移动，B球不带电。当带正电荷的C球从A球内移走后，此时A球带负电荷。由上述可知，故B正确，A、C、D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$