第9章 第4节 静电的防止与利用-【正禾一本通】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）

第4节　静电的防止与利用 【课标解读】　1.知道什么是静电平衡状态，理解静电平衡状态下导体的特点。 2.知道导体上电荷的分布特征，了解尖端放电现象及成因。 3.了解静电屏蔽现象及其成因、应用。 4.了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理。 探究点一　静电平衡　尖端放电 如图所示，把一个不带电的金属导体放到电场强度为E0的电场中。由于静电感应，在导体的左、右两侧出现等量的异种电荷。 导体两侧的电荷分布为什么不是越积越多，而是稳定的？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：因为导体两侧的感应电荷也会产生附加电场，该电场与外加电场的方向相反，会阻碍电子的定向移动。当附加电场和外加电场的电场强度大小相等时，电子的定向移动终止，导体两侧的电荷分布也稳定了。 1．静电平衡 (1)静电平衡状态：导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。 (2)静电平衡的特点：处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0，如图所示。 (3)导体上电荷的分布规律 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。 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。 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)导体处于静电平衡状态时，内部附加电场与外加电场等大、反向。(√) (2)静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，电荷均匀分布在外表面。(×) (3)导体尖端容易放电的原因是尖端电荷的密度大，周围的电场强。(√) (4)高压设备中导体的表面应该尽量光滑，这是防止发生尖端放电。(√) 2．某空间中有一个带正电的孤立导体，它的电荷会如图所示均匀分布吗？当导体的电荷分布稳定时，它内部的电场强度是否为零？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：不会，由于电荷间相互排斥，所以电荷最终会分布到导体的外表面。内部的电场强度为零，否则自由电荷受到的静电力不为零，会继续定向移动，电荷分布会继续变化。 对静电平衡状态的理解 (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加电场E0和感应电荷产生的附加电场E′的合电场强度为0，即E0＝－E′。 (2)静电平衡时，其内部没有净剩电荷，导体上的电荷分布在导体的外表面，且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。 (3)处于静电平衡状态的导体，其外表面任意一点的电场强度方向跟该点的表面垂直。 (4)孤立的带电导体处于静电平衡状态时，内部电场强度也处处为0，其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。 【典例1】 (易错题)(多选)如图所示，当在真空中把一不带电导体AB向带负电的小球P缓慢地靠近(不接触，且未发生放电现象)时，下列说法正确的是(　　 ) A．B端的感应电荷越来越多 B．导体内部电场强度越来越大 C．导体上的感应电荷在M点产生的电场强度大于在N点产生的电场强度 D．导体上的感应电荷在M、N两点产生的电场强度相等 解析：选AC。由于导体AB缓慢移动，所以导体AB内部可以认为始终处于静电平衡状态，导体内部电场强度始终为零，B错误；由于导体AB距P越来越近，所以导体A、B两端积累的感应电荷会越来越多，A正确；M点距小球P的距离比N点要近，带负电的小球P在M点产生的电场强度大于在N点产生的电场强度，而导体内部的合电场强度处处为零，则导体上的感应电荷在M点产生的电场强度大于在N点产生的电场强度，故C正确，D错误。 [名师提醒] 错因剖析 对照反思 (1)审题时没有注意“缓慢”隐含的模型信息； (2)混淆外加电场、附加电场和合电场强度的概念； (3)不能利用静电平衡的特点E感＝－E外求E感 【针对训练1】 (2024·陕西渭南期中)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：选D。金属盒处于静电平衡状态时，内部电场强度处处为0，即感应电荷在盒内每一点产生的电场强度都与点电荷－Q在那点产生的电场强度大小相等、方向相反，所以感应电荷的电场线与点电荷－Q的电场线重合，但方向相反，故D正确。 【典例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 解析：选B。B球与A球内壁接触后整体可看成一个新的导体，当导体处于静电平衡状态时，内部净剩电荷量为零，带电导体的电荷只分布于导体的外表面，所以QB＝0，QA＝4×10-8 C－2×10-8 C＝2×10-8 C，故B正确。 探究点二　静电屏蔽　静电吸附 超高压带电作业的工人穿戴的工作服是用包含金属丝的织物制成的，这种工作服叫“屏蔽服”，它能防护人体免受高压电场的危害。你知道屏蔽服的工作原理吗？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：在高压电场中，屏蔽服的外表面会形成一个屏蔽面——静电平衡状态，屏蔽服内部的电场强度处处为零，不会对工作人员造成危害。 1．静电屏蔽 (1)原理：如图所示， 带空腔的导体静电平衡时，导体壳壁W内的电场强度为0，导体壳内空腔里的电场强度也处处为0。 (2)概念：把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，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。 (3)应用：野外高压输电线上方还有两条与大地相连的导线，它们形成一个稀疏的金属“网”，把高压线屏蔽起来，使其免遭雷击。 2．静电吸附 (1)静电除尘：设法使空气中的尘埃带电，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来。 (2)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，并沉积在工件的表面，完成喷漆工作。 (3)静电复印：复印机也应用了静电吸附的原理。 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)静电屏蔽实质是利用了静电平衡时导体内部电场强度的特点。(√) (2)密封的金属容器能实现静电屏蔽，而金属网不能起到屏蔽作用。(×) (3)静电除尘器可以直接吸附空气中的粉尘，无需使其带电。(×) (4)静电除尘和静电喷漆的原理类似，都是应用了静电吸附技术。(√) 2．使带电的金属球靠近验电器，但不接触，箔片是否张开？用金属网把验电器罩起来，再使带电的金属球靠近验电器，观察箔片是否张开？这个现象说明什么？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：张开；不张开；金属网对验电器有静电屏蔽作用。 静电屏蔽的两种情况 情况 分类 施感电荷在 导体空腔外 施感电荷在 导体空腔内 情境 示例 过程 结论 施感电荷的电场与导体表面上感应电荷产生的电场在空腔内叠加，达到静电平衡时，空腔内的电场强度处处为0，空腔内部不受外部电场的影响 当空腔外部接地，且达到静电平衡时，施感电荷在导体内表面感应出异种电荷，外表面不带电，导体外部没有电场，所以外部不受内部电场的影响 【典例3】 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不偏离竖直方向 D．A的位置不变，B不偏离竖直方向 解析：选B。带负电的小球B放在不带电的金属空心球C外，由于静电感应，C的左侧表面带正电，右侧表面带负电，达到静电平衡时，内部电场强度处处为零，所以放在C内部的带正电的小球A不受静电力作用，位置保持不变；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，C外表面带正电，内表面带负电，外表面的正电对B有静电引力作用，所以B向右偏离竖直方向而靠近C，综上可知，B正确。 [思维延伸] 若将金属空心球C接地，则带负电的小球B向C靠近时，A、B两带电小球的位置怎样变化？ 提示：A的位置不变，B不偏离竖直方向。 [规律方法]考虑带电小球A的受力情况时，问题属于“施感电荷在导体空腔外”模型；考虑带电小球B的受力情况时，问题属于“施感电荷在导体空腔内”的模型。 【针对训练2】 如图所示，较厚的空腔球形导体壳中心处有一个正点电荷，则图中a、b、c、d各点的电场强度大小关系为(　　 ) A．Ea>Eb>Ec>Ed B．Ea>Ec＝Ed>Eb C．Ea>Ec>Ed>Eb D．Ea<Eb<Ec＝Ed 解析：选C。当静电平衡时，空腔球形导体壳内壁感应出负电荷，外壁感应出正电荷，感应电荷形成的电场与点电荷形成的电场叠加，导致空腔球形导体壳中电场强度为零，画出电场线的大致分布如图所示， 由于a处电场线较密，c处电场线较疏，d处电场线最疏，b处电场强度为零，则Ea>Ec>Ed>Eb，故C正确。 【典例4】 (2024·河南信阳检测)如图是静电喷涂原理的示意图。发射极喷枪喷嘴与吸极被涂工件之间有强电场。在强电场作用下，一带电的涂料微粒(不计重力)从发射极由静止释放，加速飞向吸极，以达到喷涂目的。下列表述正确的是(　　 ) A．强电场的电场强度方向由发射极指向吸极 B．加速飞向吸极的带电涂料微粒带正电荷 C．在同一位置，带电荷量越多的涂料微粒所受静电力越大 D．带电涂料微粒在强电场中做匀变速运动 解析：选C。由于发射极与电源负极相连，吸极与电源正极相连，所以电场强度的方向由吸极指向发射极，加速飞向吸极的带电涂料微粒受到向右的静电力，所以微粒带负电荷，故A、B错误；根据F＝qE可知，在同一位置，带电荷量越多的涂料微粒所受静电力越大，故C正确；发射极与吸极之间的强电场并不是匀强电场，所以涂料微粒受到的静电力是变化的，不可能做匀变速运动，故D错误。 　　　　电子点火器 在燃气灶和燃气热水器中，常常安装电子点火器，接通电子线路时产生高电压，通过高压放电的电火花来点燃气体，点火器的放电电极是钉尖形，这是利用了尖端放电的原理。 学科网（北京）股份有限公司 $$