06 4．静电的防止与利用-【金版新学案】2024-2025学年高中物理必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019）

4．静电的防止与利用 【素养目标】　1.知道静电感应产生的原因，理解什么是静电平衡状态。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.了解生产、生活中静电的利用与防护，知道静电吸附在生产生活中的应用。分析讨论静电在激光打印、静电喷雾和静电除尘等技术中的应用。 知识点一　静电平衡　尖端放电 [情境导学]　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。 (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？ 提示：(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。 (阅读教材P18－P19，完成下列填空) 1．静电平衡 (1)概念：导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。 (2)特点：处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0。 (3)电荷的分布 ①静电平衡时，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，周围的电场强度越大。 2．尖端放电 (1)空气的电离：在一定条件下，导体尖端周围的强电场足以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。 (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应该尽量光滑，这样会减少电能的损失。 [问题探究]　(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，原因是什么？ (2)避雷针的顶端设计成针尖的形状而不设计成球形的原因又是什么？ 提示：(1)传到验电器上的电荷会向尖端聚集，而验电器的金属杆上端固定一个金属球，不会使金属小球上聚集很多电荷，这是为了防止尖端放电。 (2)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针尖放电，中和云层中的电荷。 如图所示，把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正点电荷形成的电场中，导体处于静电平衡状态。下列说法正确的是(　　) A．导体内部A点的电场强度大于B点的电场强度 B．感应电荷在A、B两点产生的附加电场强度EA＝EB C．感应电荷在A、B两点产生的附加电场强度EA<EB D．当开关S闭合时，电子从大地沿导线向导体移动 答案：D 解析：枕形导体在正点电荷附近，出现静电感应现象，导致电荷重新分布，因此在枕形导体内部出现感应电荷，感应电荷的电场与点电荷的电场叠加，静电平衡时，导体内部电场强度处处为零，A错误；导体内部的电场强度处处为零，所以感应电荷产生的附加电场强度的大小与点电荷产生的电场强度的大小相等、方向相反，故EA>EB，B、C错误；当开关S闭合时，电子从大地沿导线向导体移动，D正确。 学生用书第24页 1.静电平衡的过程 (1)电荷分布的变化情况：金属导体放到电场强度为E0的电场中，金属中的自由电荷在电场力作用下定向移动导致导体一侧聚集负电荷，而另一侧聚集正电荷。 (2)合电场强度的变化情况：感应电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场，导致合电场强度减小。当感应电荷继续增加，合电场强度逐渐减小，合电场强度为零时，自由电荷的定向移动停止。 2．对静电平衡的三点理解 (1)静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果，达到静电平衡时，自由电荷不再发生定向移动。 (2)金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的。 (3)导体达到静电平衡后内部电场强度处处为零是指外电场E0与导体两端的感应电荷产生的附加电场E′的合电场强度为零，即E′＝－E0。 3．静电平衡状态下导体上的电荷分布特点 导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体外表面，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集，如图所示。 　　 针对练1.(2024·河南新乡市高二上学期期末)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。静电力常量为k，当棒达到静电平衡后，棒上的感应电荷在棒内中点P处产生的电场的电场强度大小是(　　 ) A． B． C． D． 答案：A 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，即外电场和附加电场，达到静电平衡状态时外电场和附加电场大小相等、方向相反，则棒上的感应电荷在棒内中点P处产生的电场的电场强度大小E＝k＝，故选A。 针对练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。 知识点二　静电屏蔽 [情境导学]　在如图所示的实验中，验电器的金属箔片能张开吗？为什么？ 提示：A中不会张开，金属网可以屏蔽外电场； B中会张开，因为金属网未接地，网内的带电体可以对外界产生影响； C中不会张开，因为金属网已接地，网内的带电体对网外无影响，网外的带电体对网内也无影响。 (阅读教材P19－P20，完成下列填空) 1．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处处为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。 2．静电屏蔽的应用：电学仪器外面有金属壳、野外高压输电线上方还有两条导线与大地相连。 学生用书第25页 [问题探究]　超高压带电作业的工人穿戴的工作服(如图)，为什么要用包含金属丝的织物制成？ 提示：通过静电屏蔽保证工人带电作业时的安全。 如图所示，放在绝缘台上的金属罩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移近金属罩B，则(　　 ) A．金属罩B的内表面带正电荷 B．金属罩B的右侧外表面带正电荷 C．验电器C的金属箔片将张开 D．金属罩B左、右两侧电荷电性相同 答案：B 解析：金属罩B处于静电平衡状态，电荷分布在其外表面上，A错误；由于静电感应，使金属罩B的左侧外表面感应出负电荷，所以金属罩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B内电场强度为零，故验电器C上无感应电荷，验电器C的金属箔片不会张开，C错误。 1．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的矢量和为零，看似是金属壳将外电场“挡”在外面，即所谓的屏蔽作用，实质是壳内两种电场的矢量和为零。 2．静电屏蔽的两种情况 类别 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感应电荷在空腔内的电场的合电场强度为零，达到静电平衡状态，起到屏蔽外电场的作用 当导体球壳外表面接地时，外表面的感应电荷因接地将导入大地，外部电场消失，起到屏蔽内电场的作用 最终 结论 导体内部空腔不受外界电荷的影响 接地导体外部不受内部电荷的影响 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 　　 针对练1.请用学过的电学知识判断下列说法正确的是(　　 ) A．维修高压电路的电工穿绝缘衣比穿金属衣安全 B．制作汽油桶的材料用金属比用塑料好 C．小鸟停在单根高压输电线上会被电死 D．打雷时，待在汽车里比待在木屋里要危险 答案：B 解析：绝缘衣在高电压下不能屏蔽高压电场对人体的损害，而穿金属衣可以对高压电产生的电场起到屏蔽作用，A错误；由电学知识可知，汽油桶用金属材料制作时可以及时将产生的静电导走，B正确；小鸟站在单根高压输电线上，因为两爪之间的电压几乎为零，故小鸟不会被电死，C错误；由静电屏蔽知识可知，打雷时待在汽车里更安全，故D错误。 针对练2.(多选)如图所示，绝缘金属球壳的空腔内、外各有一小球B和A，球壳接地。下列说法正确的是(　　) A.若A球带电，则球壳内的B球处的电场强度为零 B．若B球带电，则A球处的电场强度不为零 C．若A球和B球均带电，则彼此也不会相互影响 D．若A球和B球均带电，则由于球壳接地，A球对B球没有影响，但B球对A球有影响 答案：AC 解析：若A球带电，则B球相当于放置在金属球壳内，B球处的电场强度为零，故A正确；若B球带电，则A球相当于放置在金属球壳和大地构成的导体球壳内，A球处的电场强度也为零，故B错误；由于静电屏蔽作用，即使A、B两球都带电，A、B两球彼此也不会相互影响，故C正确，D错误。 学生用书第26页 知识点三　静电吸附 [情境导学]　油罐车尾部都装有导电拖地带，你知道这是为什么吗？ 提示：油罐车在运输过程中，油与桶壁的摩擦、车身与空气的摩擦都会产生静电，导电拖地带的作用是及时地把产生的静电导走，防止产生电火花而发生爆炸。 (阅读教材P21，完成下列填空) 1．静电吸附：在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向着电极运动，最后会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，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是绝缘体，受到光照时变成导体。 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.到达集尘极的尘埃带正电荷 B．电场方向由放电极指向集尘极 C．带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相同 D．同一位置所带电荷量越多的尘埃所受静电力越大 答案：D 解析：由于集尘极与电源的正极连接，尘埃在静电力作用下向集尘极迁移并沉积，说明到达集尘极的尘埃带负电，A错误；电场方向由集尘极指向放电极，B错误；尘埃带负电荷，在电场中所受静电力的方向与电场方向相反，C错误；根据F＝qE可知，同一位置所带电荷量越多的尘埃所受静电力越大，D正确。 1．静电的应用 利用静电的性质 应用举例 利用静电能吸引轻小物体 静电复印、静电喷漆、静电喷雾、激光打印、静电除尘 利用高压产生的电场 静电保鲜、静电灭菌、农作物种子处理 利用放电产生物 臭氧防止紫外线、氮合成氨 2.静电的防止 防止静电危害的基本办法是尽快把产生的静电导走，避免越积越多。防止静电的途径主要有： (1)避免产生静电，例如，在可能的情况下选用不易产生静电的材料。 (2)避免静电的积累，产生的静电要设法导走，例如增加空气湿度、接地等。 针对练1.(多选)静电的应用有多种，如静电除尘、静电喷漆、静电植绒、静电复印，它们依据的原理都是让带电的物质粒子在静电力作用下奔向并吸附到电极上。静电喷漆的原理如图所示，则以下说法正确的是(　　) A．在喷枪喷嘴与被喷漆工件之间有一强电场 B．油漆微粒一定带正电 C．油漆微粒一定带负电 D．油漆微粒可以带正电，也可以带负电 答案：AC 解析：静电喷漆的原理是让带电的油漆微粒在强电场的作用下被吸附到工件上，而达到喷漆的目的，A正确；由题图可知，待喷漆工件带正电，所以油漆微粒一定带负电，C正确，B、D错误。 针对练2.(多选)某科技小组展示了如下作品：在玻璃管的中心轴上安装一根直导线，玻璃管外绕上线圈，直导线的一端和线圈的一端分别接感应圈的“－”“＋”电极，如图所示。感应圈未接通电源时点燃蚊香，让烟通 学生用书第27页 过玻璃管冒出；接通电源后，感应圈两电极间产生稳定高电压，烟就不再从玻璃管中冒出来了，但是过一会儿可以看到管壁变成了烟色。下列解释正确的是(　　 ) A．玻璃管内横截面上的电场分布可看成匀强电场 B．玻璃管内横截面上的电场分布可看成负点电荷形成的电场 C．带负电的烟尘在静电力的作用下吸附在管壁上 D．带正电的烟尘在静电力的作用下吸附在管壁上 答案：BC 解析：直导线接负极，玻璃管外线圈接正极，玻璃管内横截面上电场线由四周向中心汇聚，可看成负点电荷形成的电场，而不是匀强电场，故A错误，B正确；管壁带正电，带负电的烟尘在静电力的作用下吸附在管壁上，故C正确，D错误。 1．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 答案：D 解析：导体内部电场强度处处为零是所有感应电荷的电场与外电场叠加的结果，故D正确。 2．如图所示，一个带负电的金属球放在绝缘的支架上，处于静电平衡状态，金属球内部的电场强度大小为E1，若减少金属球的带电荷量，再次处于静电平衡状态后，金属球内部的电场强度大小为E2，则(　　 ) A．E2＜E1 B．E2＞E1 C．E2＝E1 D．无法确定 答案：C 解析：处于静电平衡状态的导体内部的电场强度处处为零，选项C正确。 3．(2024·安徽蚌埠市高二上学期期末)下列对各图所涉及物理知识的说法中错误的是(　　 ) A．图甲中，油罐车车尾下方拖着一根落地的软铁条是利用铁的导电性将运输中产生的静电导走 B．图乙中，用铜丝编织的管线包裹话筒线是利用静电吸收信号 C.图丙中，高压输电线上方的两根接地导线具有避雷保护线路的作用 D．图丁中，燃气灶中针尖形点火器是利用高压尖端放电原理进行点火的 答案：B 解析：题图甲中，油罐车车尾下方拖着一根落地的软铁条是利用铁的导电性将运输中产生的静电导走，选项A正确，不符合题意；题图乙中，用铜丝编织的管线包裹话筒线是利用静电屏蔽来防止外部信号干扰，选项B错误，符合题意；题图丙中，高压输电线上方的两根接地导线具有避雷保护线路的作用，选项C正确，不符合题意；题图丁中，燃气灶中针尖形点火器是利用高压尖端放电原理进行点火的，选项D正确，不符合题意。 4．模拟避雷针作用的实验装置如图所示，金属板M接高压电源的正极，金属板N接高压电源的负极。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。下列说法正确的是(　　) A．A、B金属柱同时产生放电现象 B．B金属柱先产生放电现象 C．先产生放电现象的可能是A金属柱，也可能是B金属柱 D．A金属柱先产生放电现象 答案：D 解析：根据导体表面尖锐程度越大的地方电荷分布越密集，可知金属柱A的尖端电荷密集，电场强，它与板M之间的空气容易发生电离，从而发生尖端放电现象，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$