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配套课件（人教版2019）

第九章 静电场及其应用 第4节　静电的防止与利用 探究点一　静电平衡　尖端放电 自主预习·思辨 深度学习·探究 探究点二　静电屏蔽　静电吸附 自主预习·思辨 深度学习·探究 课下巩固训练(五)　静电的防止与利用 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 【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。 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。 定向移动 0 1．静电平衡 (1)静电平衡状态：导体内的自由电子不再发生 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 ，如图所示。 强电场 分离 (3)导体上电荷的分布规律 ①静电平衡时，导体 没有净剩电荷，电荷只分布在导体的 。 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) ，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 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 的现象。 内部 外表面 越大 失去电荷 尖端放电 光滑 (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 而与尖端上的电荷 ，相当于导体从尖端 的现象。 (3)尖端放电的应用与防止 ①应用：避雷针是利用 避免雷击的一种设施。 ②防止：高压设备中导体的表面尽量 会减少电能的损失。 吸引 中和 【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。 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。 0 0 不会 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 ，导体壳内空腔里的电场强度也处处为 。 (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 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 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 作用下，这些微粒向着作为 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 的原理。 静电力 静电力 正极 静电吸附 【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。 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。 【基础应用题】 1．请用学过的电学知识判断下列说法正确的是(　　 ) A．电工穿绝缘衣比穿金属衣要安全 B．用几万伏的高压电电击在金属笼里的鸟，鸟会被电死 C．制作汽油桶的材料用金属比用塑料要好 D．打雷时待在汽车里比待在木屋里要危险 解析：选C。电力工人高压带电作业，全身穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全作业，A错误；金属笼起到静电屏蔽的作用，所以不会对小鸟造成危害，B错误；因为塑料桶和汽油容易摩擦起电，产生的静电不易泄漏，形成静电积累，造成爆炸和火灾事故，而金属桶能将静电导出，避免事故发生，C正确；一辆金属车身的汽车也是最好的“避雷所”，一旦汽车被雷击中，它的金属构架会将闪电电流导入地下，D错误。 2．(多选)关于尖端放电现象，下列说法正确的是(　　 ) A．避雷针避雷的原理是尖端放电能将云层中的电荷中和 B．为了美观，通常把避雷针顶端设计成球形 C．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 D．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 答案：ACD 3．(2024·上海嘉定期末)如图是一种新颖的“静电”绝缘纤维布制成的一次性医用口罩的面料构成示意图。其中熔喷层经驻极工艺，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．静电吸附 D．静电屏蔽 解析：选C。静电能吸引轻小物体，含有病毒的飞沫靠近熔喷层时会被静电吸附在表面无法通过，从而起到隔离病毒的作用，这种静电的阻隔作用属于静电吸附，故C正确。 4．如图所示，用金属网把原来不带电的验电器罩起来，再使带正电的金属小球靠近验电器，在此过程中(　　 ) A．金属网的左侧感应出负电荷 B．验电器的箔片感应出正电荷 C．验电器的箔片不张开 D．金属网上的感应电荷在箔片处产生的电场强度为零 解析：选C。带正电的金属小球靠近金属网右侧，右侧感应出负电荷，左侧感应出正电荷，A错误；金属网内部处于静电平衡状态，所以验电器的箔片没有感应电荷产生，箔片不张开，B错误，C正确；金属网内部处于静电平衡状态，箔片处的电场强度为零，即金属网上的感应电荷在箔片处产生的电场强度与金属小球在该处产生的电场强度等大、反向，D错误。 5．有一接地的导体球壳，如图所示，球心处放一点电荷q，达到静电平衡时，则(　　 ) A．点电荷q的电荷量变化时，球壳外电场随之改变 B．点电荷q在球壳外产生的电场强度为零 C．球壳内空腔中各点的电场强度均为零 D．点电荷q与球壳内表面的电荷在壳外的合电场强度为零 解析：选D。达到静电平衡后，由于球壳接地，所以球壳外没有电荷，球壳外的电场为零，不随q的变化发生变化，A错误；球壳内表面带有与q电性相反的电荷，达到静电平衡状态后，q与球壳内表面的电荷在壳外的合电场强度为零，但空腔中各点的电场强度并不为零，q单独在球壳外产生的电场强度不为零，故B、C错误，D正确。 【综合提升题】 6．(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 解析：选AD。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，则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．静电复印是静电现象的一种应用。其中心部件是一个硒鼓，硒在没有光照射时是很好的绝缘体，受到光照后会立刻变为导体。工作时，先将硒鼓接地，并充电使其表面带上正电荷，然后通过光学系统的工作，将原稿上的字迹投影在硒鼓表面，如图所示。硒鼓上字迹的静电潜像是没有光照射到的地方，即原稿字迹的影，则硒鼓表面的带电情况是(　　 ) A．静电潜像部分将保持正电荷，其余部分正电荷被导走 B．静电潜像部分将出现负电荷，其余部分正电荷被导走 C．静电潜像部分正电荷被导走，其余部分将保持正电荷 D．静电潜像部分负电荷被导走，其余部分将保持正电荷 解析：选A。由题意可知，当硒鼓充电以后，经过光照处理，照光的部分电荷就会被中和，而文字、图像等遮光的地方，电荷不会被中和，故A正确。 8．如图所示，接地金属球A的半径为R，球外点电荷的电荷量为Q，到球心的距离为r，静电力常量为k，则该金属球上感应电荷在球心O处产生的电场强度大小为(　　 ) A．k B．k C．0 D．k 解析：选D。由于静电平衡，导体内部电场强度E内＝0是外加电场的电场强度E和感应电荷电场强度E′叠加的结果，即金属球上感应电荷在某点产生的电场强度与点电荷Q在该点的电场强度大小相等、方向相反，所以E感＝k，故D正确。 9．(2024·浙江丽水检测)如图所示，在原来不带电的空心金属球壳外面放置一个正电荷。A、B、C三点分别位于球壳外部、球壳实体中和球壳空腔内。当球壳处于静电平衡状态时，下列说法正确的是(　　 ) A．A点的电场强度小于B点的电场强度 B．B点的电场强度小于C点的电场强度 C．由于静电平衡，C点的电场强度等于0 D．由于静电感应，球壳内表面感应出电荷 解析：选C。A点处于点电荷的电场中，所以A点的电场强度不等于零，金属空心导体放在点电荷的电场中，出现静电感应现象，最终处于静电平衡状态，导体内部的电场强度处处为零，所以B、C两点的电场强度都为零，则EA＞EB＝EC，故A、B错误，C正确；球壳处于静电平衡时，左侧表面感应出负电荷，右侧表面感应出正电荷，其内表面不带电，故D错误。 10．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 解析：选B。带正电荷的小球C从A球开口处放入A球中央时，A球内表面感应出负电荷，外表面感应出正电荷，当用手接触A球(相当于把A接地)时，由大地传导过来的电子与A球外表面的正电荷中和，使A球外表面不带电，此时A球对外部起静电屏蔽作用，A球内的电场不影响外部。再用手接触B时，无电荷移动，B球不带电。当把C球从A球内移走后，A球内表面所带的负电荷重新分布到外表面，此时A球带负电荷，综上可知，B正确。 【创新拔高题】 11．(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EB＞EA D．电场强度EB＜EA [创新空间]静电应用的几个方面 (1)利用导体处于静电平衡状态时电场强度的特点，如静电屏蔽； (2)利用导体表面的电荷分布与外表面的形状有关，如尖端放电； (3)利用静电可以吸引轻小物体或带电微粒，如静电复印。 解析：选AC。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成圆柱电极与圆环电极，其内部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处电场强度比A处电场强度大，即EB＞EA，C正确，D错误。 $$