第9章 第4节 静电的防止与利用（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中物理必修第三册（人教版2024）

第4节　静电的防止与利用 [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（物理观念）.2.知道导体上电荷的分布特征，了解尖端放电、静电屏蔽现象及其原因（科学思维）.3.了解静电除尘、静电喷漆和静电复印的工作原理（物理观念）. @课前·教材预案 ♝课前·教材预案 （见学生用书P21） 知识点一静电平衡 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　. 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，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. 知识点二尖端放电 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　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. 知识点三静电屏蔽 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（网）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、野外高压线上方还有两条导线与大地相连. 知识点四静电吸附 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，复印机的有机光导体鼓表面涂覆有机光导体（OPC），无光照时，OPC是　绝缘体　，受光照时变成导体. 1.判断下列说法的正误. （1）处于静电平衡状态下的导体内部的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.（　√　） （2）静电平衡时，导体内部表现为电中性，电荷都分布在外表面，导体内部没有净剩电荷.（　√　） （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.（　×　） （4）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，使体内电场强度为零.（　√　） 2.处于静电平衡状态的导体，内部的电场　强度处处为零　.处于静电平衡状态的整个导体是个　等势体　，导体的表面为　等势面　. @课堂·深度探究 ♝课堂·深度探究 （见学生用书P22） 　考点一　　静电平衡 【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.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. 【知识拓展】 1.处于静电平衡状态的导体内部电场强度为零的本质是外电场E0和感应电荷产生的电场E'的合电场强度为0，即E0＝－E'. 2.孤立的带电导体处于静电平衡状态，内部电场强度为0的本质是分布在导体外表面的电荷在导体内部的合电场强度为0. 3.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. 4.静电平衡时，导体上的电荷分布在导体的外表面，其内部没有净电荷，且净电荷在导体外表面的分布不均匀，越是尖锐的地方电荷的分布越密集. 【例题1】如图显示了在外加电场强度为E0的匀强电场的情况下，无穷大导体板中静电平衡的建立过程.下列说法正确的是（　　） A.图甲、图乙显示导体内部带负电的电子在静电力作用下运动，而带正电的离子不受静电力作用 B.图丙中，导体内部没有电荷 C.图丙中，导体内部没有电场 D.图丙中，导体AB表面和CD表面感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场，大小也为E0 思维导引：导体内部在建立静电平衡的过程中，导体内部的电荷产生的电场强度与外部场强大小相等，方向相反. D　解析图甲、图乙显示了导体内部带负电的电子在静电力作用下向左运动，易知带正电的离子同样会受到静电力的作用，选项A错误；图丙中导体AB表面和CD表面的感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场，场强大小也为E0，与原电场叠加后，使得导体内部场强处处为零，但感应电场和原电场依然存在，选项D正确，B、C错误. 【变式1】如图所示，真空中点电荷A电量为－Q，若在其右侧放一导体棒，导体棒的中心距点电荷L，当导体棒达到静电平衡状态时，棒上的感应电荷在O点处的场强是（　　） A.零　　B.，方向向左 C.，方向向右　　D.，方向向右 C　解析导体棒达到静电平衡状态时，棒上O点处的合场强为零，点电荷A在O点处的场强大小为E＝，方向向左，则棒上的感应电荷在O点处的场强大小也为E＝，方向向右，选项C正确. 　考点二　　尖端放电　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？ 答案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. 【知识拓展】 1.尖端放电 导体尖端电荷密度大，周围的电场强度大，把周围的空气电离，带电粒子在强电场的作用下加速撞击空气中的分子，使它们进一步电离，所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和. 2.静电屏蔽 （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. （2）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 【例题2】如图所示，为了研究静电屏蔽效果，某同学将可视为负点电荷的带电体置于封闭金属空腔的外部或内部，其中Q、N的金属空腔和大地相接，P、M的金属空腔与外界绝缘.规定大地的电势为零，下列关于各点场强和电势高低的说法正确的是（　　） A.P金属空腔内的场强等于零，电势小于零 B.Q金属空腔内的场强等于零，电势小于零 C.M金属空腔内任一点场强为零，电势小于零 D.N金属空腔内部任意一点的场强为零，外部电势大于零 思维导引：理解静电屏蔽的原理，其实质并不是不存在电场，而是电场相互叠加，相互抵消了. A　解析金属空腔放在负点电荷电场中，出现静电感应现象，最终处于静电平衡状态，金属空腔内的场强处处为零；即P为等势体且处于负点电荷的电场中，所以金属空腔的电势小于零，选项A正确；金属空腔放在负点电荷的电场中，最终处于静电平衡状态，导体内部的场强处处为零，由于金属空腔接地，则金属空腔的电势为零，选项B错误；负点电荷放在金属空腔中，点电荷与金属空腔之间形成电场，可知金属空腔内任一点场强不为零；金属空腔不接地，则金属空腔外的场强也不等于零，金属空腔的电势小于零，选项C错误；负点电荷放在金属空腔中，点电荷与金属空腔之间形成电场，可知金属空腔内与金属空腔内壁上任意一点场强不为零，选项D错误. 【变式2】电工穿的高压作业服是用铜丝编织的，下列说法正确的是（　　） A.铜丝编织的衣服不易拉破 B.电工被铜丝衣服所包裹，使体内电场强度为零 C.电工被铜丝衣服所包裹，比较柔软便于操作 D.铜线电阻小，能对人体起到保护作用 B　解析超高压输电线周围存在很强的电场，带电作业的工人直接进入这样的强电场会有生命危险.此时工人穿上铜丝编织的工作服，可以起到静电屏蔽的作用，电工被铜丝衣服所包裹，使体内形成等势体，从而使体内场强为零，选项B正确. 　考点三　　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？ 答案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静电导走，防止产生电火花而发生爆炸. 【知识拓展】 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. 【例题3】（多选）如图所示是静电除尘装置示意图，它由金属管A和管中金属丝B组成.下列有关静电除尘原理的说法正确的是（　　） A.A接高压电源正极，B接高压电源负极 B.煤粉等烟尘吸附电子后被吸在B上 C.靠近B处场强大，B附近的空气被电离成正离子和电子 D.煤粉等烟尘在强大电场作用下电离成负、正离子，分别吸附在B和A上 思维导引：静电除尘的实质是静电吸附，将空气中带电的微粒吸附，从而达到除尘的目的. AC　解析金属管A接高压电源的正极，金属丝B接高压电源的负极，煤粉等烟尘吸附电子后带负电，被吸在金属管A上，选项A正确，B错误；靠近金属丝B处的电场非常强，附近的空气被电离成正离子和电子，吸附了电子的煤粉等烟尘颗粒在电场的作用下被金属管A吸附后收集，从而避免污染大气，选项C正确，D错误. 【变式3】如图所示，医用口罩由多层织物材料构成，其中有一层熔喷布经过特殊工艺处理后成为驻极体材料，这层材料表面长期带有正电荷，能有效吸附细小的粉尘，而这些粉尘通常是细菌和病毒传播的载体.则其中即将被吸附的带电粉尘，一定是（　　） A.沿电场线加速靠近熔喷布 B.带正电 C.在靠近熔喷布的过程中加速度减小 D.在靠近熔喷布的过程中电场力做正功 D　解析熔喷布产生的电场线不一定是直线，而只有电场线是直线，带电粒子的初速度为零或初速度方向与电场线方向在同一条直线上时带电粒子的轨迹才与电场线重合，选项A错误；由于口罩材料表面长期带有正电荷，则被吸附的带电粉尘，一定是带负电荷，选项B错误；被吸附的带电粉尘带负电荷，则负电荷靠近熔喷布的过程中电场力做正功，由于负电荷靠近熔喷布的过程中电场强度增大，电场力增大，由牛顿第二定律可知带电粉尘的加速度增大，选项C错误，D正确. @课末·随堂演练 ♝课末·随堂演练 （见学生用书P24） 1.（静电平衡）如图所示为空腔球形导体（不带电），现将一个带正电的小金属球放入空腔内，静电平衡时，图中A、B、C三点的电场强度E的大小关系是（　　） A.EA＞EB＝EC B.EA＞EB＞EC C.EA＝EB＝EC D.EA＝EB＞EC B　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，根据电场线越密，场强越大.由于A处电场线较密，B处电场线较疏，C处场强为零，则EA＞EB＞EC，选项B正确. 2.（尖端放电）夏季，在雷云形成的过程中，由于摩擦起电一些云层带正电，另一些云层带负电，它们对大地的静电感应使地面产生异种电荷.当云层与云层间或云层与地面间的“电势差”达到几万伏以上时，空气被击穿，暴发电闪雷鸣.假如在户外我们遭遇雷电，下列防雷措施可行的是（　　） A.在大树下避雷雨 B.停留在山顶、山脊的凉亭等地方避雷雨 C.在空旷地带，最好关掉手机电源 D.在雷雨中快跑 C　解析表面具有突出尖端的导体，在尖端的电荷分布密度很大，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，选项A、B错误；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，选项C正确；在雷雨中快跑，身体的跨步越大，电压就越大，雷电也越容易伤人，选项D错误. 3.（静电屏蔽）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（不与球接触），另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，如图所示，则（　　） A.A向左偏离竖直方向，B向右偏离竖直方向 B.A的位置不变，B向右偏离竖直方向 C.A向左偏离竖直方向，B的位置不变 D.A和B的位置都不变 B　解析带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内，由于静电感应，空心球外壳带正电，内壁带负电，因此B所在处有电场，所以B在静电力作用下向右偏而靠近C；由于空心球能屏蔽B球的电场，所以A所在处电场强度为零，故A球不受静电力作用，位置不变，选项B正确. 4.（静电的防止和利用）下列属于防范静电危害的是（　　） A.静电式空气净化器 B.使用避雷针 C.静电复印 D.静电喷涂 B　解析静电式空气净化器除灰尘，利用的是带电体具有吸引轻小物体的性质，属于静电利用，选项A错误；下雨天，云层带电打雷，往往在屋顶安装避雷针，是导走静电，防止触电，属于防范静电危害，选项B正确；复印机复印文件资料，就是利用静电墨粉成在鼓上，属于静电利用，选项C错误；静电喷涂是利用异种电荷间的吸引力来工作的，属于静电利用，选项D错误. 学科网（北京）股份有限公司 $$