第九章 4. 静电的防止与利用-【精讲精练】2024-2025学年高中物理必修第三册同步学习方案（人教版2019）

第九章静电场及其应用© 5.(2023·沧州高二期中)如图甲所示，将质 (1)小球B的带电量大小； 量为2m、电荷量为一Q(Q>0)的带电小球 (2)图乙中小球B做圆周运动的轨道半径 A锁定在光滑的绝缘水平桌面上，在桌面 及角速度大小。 的另一处放置质量为m的带电小球B,现 给小球B一个垂直A、B连线的速度o。, 使其绕小球A做半径为R的匀速圆周运 动。如图乙所示，解除对小球A的锁定， 使小球A和B在水平桌面内绕其连线上 的O点做匀速圆周运动，小球A、B间的距 离仍为R。静电力常量为k,忽略小球A 和B之间的万有引力作用，带电小球A、B 可视为质点。求： 请完成[知能达标训练]作业（五）】 静电的防止与利用 [学业要求与核心素养] 1.知道什么是静电平衡状态，知道静电平衡状态下的导体特点。 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。 3.知道什么是静电吸附，了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理。 预习案必备知识·问题导学 /通教材·理知识·素养初成 一、静电平衡 与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负 1.定义：导体内的自由电子不再发生 电荷 的现象。 的状态。 2.尖端放电 (1)与导体尖端异号的粒子，由于被 2.处于静电平衡状态的导体，其内部的电场 而与尖端上电荷 ,相当于导体从尖 强度处处为 端 的现象。 二、尖端放电 (2)应用： 是利用尖端放电避免雷击 1.空气的电离 的一种设施。 导体尖端电荷 很大，附近的电场很 (3)防止：高压设备中导体的表面尽量 强，强电场作用下的带电粒子剧烈运动，并 会减少电能的损失。 精品教辅·智慧人生25 ©物理·必修第三册（配RJ版） 三、静电屏蔽 4.静电复印 静电平衡时，空腔导体内表面没有电荷，导 复印机应用了 的原理，复印机的 体壳内空腔里的电场强度为 。外电 有机光导体鼓表面涂覆有机光导体OPC, 场对壳（网）内的仪器不会产生影响的作用 无光时，OPC是 ,有光照时变成 叫作 ,静电屏蔽的应用：电学仪 导体。 器外面有金属壳、野外高压线上方还有两 [思考判断] 条导线与大地相连。 (1)处于静电平衡状态的导体内部任意点 四、静电吸附 的电场强度为零。 () 1.静电吸附 (2)静电平衡状态下的导体内部电场强度 电场中，带电粒子在 作用下向电极 处处为零，导体内部没有电荷。 ( 运动，最后被吸附在电极上的现象。 (3)处于静电平衡状态下的导体内部的自 2.静电除尘 由电荷静止不动。 当空气中的尘埃带电时，在静电力作用下， (4)避雷针能避免建筑物被雷击是因为云 尘埃到达电极而被收集起来的过程。 层中带的电荷被避雷针通过导线导入 3.静电喷漆 大地。 () 接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带 (5)用金属网把验电器罩起来，再使带电金 负电，在静电力作用下，向作为 的工 属球靠近验电器，则验电器箔片能张开。 件运动，并沉积在工件表面。 ( 探究案关键能力·互动探究 /析考点·悟规律·素养提开 探究点一静电平衡状态下的导体 1.处于静电平衡状态的导体内部场强为零的 处放一个半径为1cm的金属球壳，求球壳 本质是外电场E。和感应电荷产生的电场 上感应电荷在O点处产生的电场强度。 E的合场强为0，即E。=一E。 (静电力常量k=9×10°N·m2/C2)》 2.孤立的带电导体处于静电平衡状态，内部 场强为0的本质是分布在导体外表面的电 荷在导体内部的合场强为0。 3.静电平衡时，导体上的电荷分布有： (1)净电荷只分布在导体表面，内部没有净 电荷。 (2)净电荷在导体表面的分布不均匀，一般 越是尖锐的地方电荷的分布越密集。 例1如图所示，点电荷A和B带电荷量 分别为+3.0×10-8C和一2.4×10-8C, 彼此相距6cm。若在两，点电荷连线中点O 26精品教铺·智慧人生 第九章 静电场及其应用© 总结提升 ○针对训练 求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生 1.一金属球，原来不带电，现 场强的方法 沿球直径的延长线放置一 (1)先求出外电场场强E#的大小和方向。 均匀带电的细杆MN,如图 (2)由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡 所示，金属球上感应电荷产生的电场在球 内直径a、b、c上三点的场强大小分别为E。、 条件E令=0。 E。、E,三者相比，则 () (3)由E#十E露一0，求出感应电场E,的大小和 A.E。最大 B.E。最大 方向。 C.E。最大 D.E。=E6=E 探究点二 静电屏蔽与尖端放电 1.尖端放电的理解 续表 (1)空气的电离：导体尖端电荷密度很大， 导体外部电场不影响 接地导体内部的电 电场很强，带电粒子在强电场的作用下剧 导体内部 场不影响导体外部 因场源电荷产生的电 当空腔外部接地 烈运动撞击空气分子，从而使空气分子的 场与导体球壳表面上 时，外表面的感应 正负电荷分离的现象。 实现 感应电荷在空腔内的 电荷因接地将传 (2)尖端放电：所带电荷与导体尖端的电荷 过程 合场强为零，达到静电 给地球，外部电场 符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端， 平衡状态，起到屏蔽外 消失，起到屏蔽内 与尖端上的电荷中和，相当于导体从尖端 电场的作用 电场的作用 最终 导体内空腔不受外界 接地导体空腔外部 失去电荷的现象。 结论 电荷影响 不受内部电荷影响 2.静电屏蔽的实质 静电感应与静电平衡，所以做静电屏蔽的材 静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象， 本质 料只能是导体，不能是绝缘体 使金属壳内感应电荷的电场和外加电场矢 4.应用 量和为零，好像是金属壳将外电场“挡”在 为了防止外界信号的干扰，静电屏蔽被广 外面，即所谓的屏蔽作用，其实是壳内两种 泛地应用到科学技术工作中。例如，电子 电场并存，矢量和为零而已。 仪器设备外面的金属罩，通讯电缆外面包 3.静电屏蔽的两种情况 的铅皮等，都是用来防止外界电场干扰的 屏蔽措施。 导体外部电场不影 接地导体内部的电 响导体内部 场不影响购导体外部 例2（多选）如图所示，金属壳放在光滑的 绝缘水平垫上，能起到屏蔽外电场或内电 场作用的是 图示 精品餐辅·智慧人生27 ©物理·必修第三册（配RJ版） 总结提升 B 解答静电屏蔽问题时应掌握以下两点 (1)导体外部的电场影响不到导体内部。 (2)接地导体的内部电场影响不到导体外部。 ○针对训练 A.金属网罩B的内表面带正电荷 2.如图所示，放在绝缘台上的金属网罩B内放 B.金属网罩B的右侧外表面带正电荷 有一个不带电的验电器C,若把一带有正电 C.验电器的金属箔片将张开 荷的绝缘体A移近金属网罩B,则 ( D.金属网罩B左、右两侧电荷电性相同 丫提升案随堂演练·基础落实 /夯基础·提技能·素养达成 1.(多选)如图所示，带负电的 C.处于静电平衡的导体，其内部感应电荷 点电荷旁有一接地大金属 E2 产生的场强一定为零 板，A为金属板内的一点，B D.处于静电平衡的导体，其导体内部的场 为金属板左侧外表面上的 强一定为零 一点，下列关于金属板上感 3.如图所示是模拟避雷针作用的实验装置， 应电荷在A点和B点的场强方向判断正 金属板M接高压电源的正极，金属板N 确的是 接负极。金属板N上有两个等高的金属 A.感应电荷在A点的场强沿E,方向 柱A、B,A为尖头，B为圆头。逐渐升高 B.感应电荷在A点的场强沿E2方向 电源电压，当电压达到一定数值时，可看到 C.感应电荷在B点的场强可能沿E,方向 放电现象。先产生放电现象的是() D.感应电荷在B点的场强可能沿E,方向 2.(2023·合肥月考)甲图和乙图分别为研究 静电平衡内外部导体的电荷分布情况的实 避雷针模拟实验 验，下列说法正确的是 A.A金属柱 B.B金属柱 C.A、B金属柱同时 D.可能是A金属柱，也可能是B金属柱 4.长为1的导体棒原来 · 不带电，现将一带电 R—一 研究静电平衡时导体内部的电荷 荷量为十q的点电荷放在距棒左端R处， A.处于静电平衡的导体，其内部导体部分 如图所示。当棒达到静电平衡后，棒上的 没有任何电荷，原子里面电荷带电量都 感应电荷在棒内中点P处产生的电场强 为零 度大小等于 ,方向为 B.处于静电平衡的导体，静电荷一定分布 在其外表面，且外表面一定带同种电荷 请完成[知能达标训练】作业（六） 28 精品教铺·帮慧人生1.0×102×10×3 [针对训练] tan 37-Ea,E-uguan 3r 1.C处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零，故a、 mg 9 7.5×10-8 N/C= b、三点的场强都为零。处于静电平衡状态的导体内部 1.0X105N/C,故选项B错误；当电场强度的方向与轻绳方 向垂直时，电场强度最小，有mgsin37T=Eming,Emin= 场强为零是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果， mgsin37°_1.0X10-2×10×0.6N/C=8.0×103N/C, 所以感应电荷在球内某，点产生的电场的场强与MN在 7.5×10-8 这一点产生的电场的场强等大反向。比较a、b、c三点 故选项C正确；剪断轻绳，带电小球将沿重力和电场力 感应电场的场强，实质上是比较带电体MN在这三点 的合力方向做初速度为0的匀加速直线运动，故选项 的场强。由于c,点离MN最近，故MN在c点的场强最 D错误。 大，感应电荷在c,点的场强也最大，正确选项为C。 4.解析(1)小球A受重力、绳子的拉力和B球的斥力， 探究点二 根据平衡可知F年=mgtan0,A球受到水平向右的电场：[例2][解析]A图中，由于金属壳发生静电感应，内 力：F集=QE,解得E=mgan9,方向水平向右。 部电场强度为零，金属壳起到屏蔽外电场的作用，A正 Q 确；B图中金属壳同大地连为一体，同A一样，外壳起到 (2)剪断前对小球A由平衡条件得绳子拉力F=mg 屏蔽外电场的作用：C中电荷会引起金属壳内外表面带 cos 6 电，外表面电荷会在壳外空间中产生电场，即金属壳不 剪断后根据牛顿第二定律可得a=卫=及 m cos 0" 起屏蔽作用，C错误；将金属壳接地后，外表面不带电， 答案(Q)mgan9,方向水平向右(2)g。 壳外不产生电场，金属壳起屏蔽内电场的作用，D正确。 Q cos [答案]ABD 5.解析(1)根据题意，对小球B,库仑力提供向心力，则 [针对训练] 有兴=m京 2.B金属网罩B处于静电平衡状态，电荷分布在其外表 R2 面上，所以A错误；由于静电感应，则金属网罩B在左 年释g=0界 侧外表面感应出负电荷，所以金属网罩B的右侧外表 面感应出正电荷，B正确，D错误：由于静电屏敲，金属 (2)根据题意，由库仑力提供向心力得 网罩内电场强度为零，故C上无感应电荷，验电器的金 kQg=2moirA R2 Qg-ma'rB R 属箔片不会张开，C错误。 又有rA十rB=R 提升案随堂演练·基础落实 1.BC金属板内的电场强度处处为0，则感应电荷的电场 解得rB= 3R,w= √6o 2R 强度与点电荷的电场强度等大反向，即感应电荷在A 答案(1)m2R 6 点的场强沿E2方向，选项B正确：金属板表面的电场强 kQ 2号R2 3 度垂直表面向外，即为感应电荷的电场强度与点电荷的 4静电的防止与利用 电场强度的合场强，则感应电荷在B,点的场强可能沿 预习案必备知识·问题导学 E3方向，选项C正确。 一、1.定向移动2.0 2.D处于静电平衡的导体，其内部导体部分的静电荷一 二、1.密度分离2.(1)吸引中和失去电荷 定为零，原子里面正负电荷带电量相等，总电量为零，A (2)避雷针(3)光滑 错误；处于静电平衡的导体，静电荷一定分布在其外表 三、0静电屏蔽 面，外表面可能带同种电荷也可能带异种电荷，B错误： 四、1.静电力3.正极4.静电吸附绝缘体 处于静电平衡的导体，其内部感应电荷产生的场强与原 [思考判断] 电场的合场强一定为零，C错误，D正确。 (1)/(2)×(3)×(4)×(5)× 3.A由于导体尖端电荷比较密集，故容易产生放电 探究案关键能力·互动探究 现象。 探究点一 4,解析导体棒在点电荷十q的电场中产生静电感应。 [例1] [解析]十91在O点的场强大小为E1= 左端出现负电荷，右端出现正电荷，棒中任何一点都受 91 两个电场的影响：外电场，十q在该点形成的电场E0:附 =3×105N/C,方向由0指向B;一q2在O点 () 加电场，捧棒上感应电荷在该点形成的电场E,达到静电 平衡状态时E=一E。题中所求的即为E,于是我们 的场强大小为E2=k 92 =2.4×105N/C,方向由O 通过上述等式转化为求Eo,于是E=一E= 2 kg 4kg 指向B;设感应电荷在O点处产生的场强大小为E3,由 (R+) (2R十D,负号代表E和E0方向相 静电平衡条件知E3=E1十E2=5.4×105N/C,方向由 反，即E方向向左。 O指向A。 答案 4kg [答案]5.4×105N/C,方向由O指向A (2R+1)2 向左