9.4 静电的防止与利用（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（人教版2019）

静电场及其应用 第4节　静电的防止与利用 第九章 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 　　在静电场中，通过对导体上自由电荷运动情况的讨论，感受静电平衡概念的建立过程。 1.了解尖端放电、静电屏蔽现象，了解静电防止的原理。 2．知道静电吸附原理，了解静电吸附在静电除尘等技术中的应用。 　　通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体内部场强处处为0。 　　关注生活、生产中的静电现象，体会物理学与生产和生活的紧密联系。 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 一、静电平衡 1．静电感应现象：把导体放入电场中，导体内部的自由电荷在______作用下定向移动，使导体两端出现________电荷的现象。 2．静电平衡状态 　　　　　　　　　达到静电平衡的条件 ↑ 导体内的________不再发生定向移动，我们就认为导体达到静电平衡状态。 必备知识 自主学习 静电力 等量异种 自由电子 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 3．静电平衡状态下导体的特点→也适用于孤立的带电体 (1)处于静电平衡状态的导体，内部________处处为零。 (2)表面处的电场强度不为零，方向跟导体表面____。 4．导体上电荷的分布 (1)处于静电平衡状态的导体，内部没有电荷，电荷只分布在导体的______。 (2)在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积上的电荷量)____，凹陷的位置________电荷。 必备知识 自主学习 电场强度 垂直 外表面 越大 几乎没有 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 二、尖端放电 1．空气的电离：在一定条件下，导体尖端电荷____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____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____而奔向尖端，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：______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____会减少电能的损失。 必备知识 自主学习 密度 分离 吸引 中和 失去电荷 避雷针 光滑 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 三、静电屏蔽 1．静电场中的空腔导体：带空腔的导体静电平衡时，内表面没有电荷，导体壳壁内的电场强度为__，即电场线只能在空腔之外，不会进入空腔之内。所以导体壳内空腔里的电场强度也________。 2．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__。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________。 3．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。 必备知识 自主学习 0 处处为0 0 静电屏蔽 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 四、静电吸附 1．静电吸附：在电场中，带电粒子受到______的作用，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____的工件运动，并沉积在工件表面。 4．静电复印：复印机应用了________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______，受光照时变成导体。 必备知识 自主学习 静电力 正极 静电吸附 绝缘体 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 1．(物理与生活)尖端放电、静电屏蔽、静电吸附等现象在我们生活中有很多的应用，如图所示。判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 (1)避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地。(　　 　　) (2)电工穿的高压作业服是用铜丝编织的，铜丝衣服有屏蔽作用，使体内电场强度为零。(　　　　) (3)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。(　　　　) (4)飞机轮上装有拖地线、油罐车后面拖条铁链都是为了把静电导入大地。(　　　　) 必备知识 自主学习 × √ √ √ 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 2．(知识拓展)静电除尘：如图所示的是静电除尘原理图。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 静电除尘的工作原理是利用高压电场使烟气发生电离，气流中的带电粉尘在电场作用下与气流分离，分别聚集到金属管壁和金属丝上，达到清洁烟气颗粒的作用。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究   导体不接地 导体接地 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 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究   导体不接地 导体接地 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 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 BC 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 AC 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [练4] (生活情境)(2024·浙江台州期中)下列生活情境中，利用静电屏蔽原理的是(　　) C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 BD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 课时梯级训练（6） 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 谢谢观看 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 探究点一___静电平衡 如图所示，将一个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。 [问题设计] (1)自由电子将向哪个方向移动？试说明导体左、右两侧各带什么电荷。 (2)自由电子能否一直运动？为什么？ 提示：(1)自由电子受向左的电场力，向左运动，左侧带负电荷，右侧带正电荷。 (2)自由电子不会一直运动。因为感应电荷的电场和外加电场反向，阻碍电子的定向移动，当这两个电场大小相等时，电子将停止定向移动。 1．静电平衡实质 (1)在达到静电平衡的过程中，外电场引起导体内自由电荷的定向移动使导体两侧出现感应电荷，感应电荷的电场和外电场方向相反，使合电场强度减小，随着感应电荷的继续增加，合电场强度逐渐减小，直至合电场强度为零，自由电荷的定向移动停止。 (2)静电平衡的条件：导体内部的合电场强度为零，即E合＝0。 2．静电平衡状态的特点 (1)导体内部合电场强度E合处处为零，但导体表面的电场强度不为零。 (2)电场线与导体表面垂直。 (3)感应电荷分布于导体两端，电性相反，电荷量相等，远同近异，如图甲所示。 (4)净电荷都分布在导体的外表面，导体内部没有净电荷。 (5)净电荷在导体表面分布不均匀，导体表面尖锐处电荷分布密集，平滑处电荷分布稀疏，凹陷处几乎没有电荷，如图乙所示。 【例1】 (2024·浙江杭州期中)如图所示，原来不带电，长为l的导体棒水平放置，现将一个电荷量为＋q(q>0)的点电荷放在棒的中心轴线上距离棒的左端R处，A、B分别为导体棒左右两端的一点，静电力常量为k。当棒达到静电平衡后，下列说法正确的是(　　) A．增加点电荷的带电荷量，导体静电平衡时O处的电子受到的电场力将增大 B．导体棒A点会感应出正电荷 C．导体棒上的感应电荷在棒的中心O处产生的电场强度大小为零 D．导体棒上感应电荷在棒的中心O处产生的电场强度大小E＝k 导体静电平衡时O处的电场强度为零，电子所受电场力为零，A错误；导体棒A点会感应出负电荷，B错误；导体棒静电平衡时O处的电场强度为零，即感应电荷在棒的中心O处产生的电场强度与电荷q在O点产生的电场强度等大反向，所以有E感＝Eq＝，C错误，D正确。 静电平衡状态下感应电荷产生的电场强度的求解 (1)先求出外电场电场强度E外的大小和方向； (2)由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡条件E合＝0； (3)由E外＋E感＝0，求出感应电场E感的大小和方向。 【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 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。 [练1] 如图所示，A、B、C为等边三角形的三个顶点，相距为L的A、B两点分别固定有电荷量为＋Q和－2Q的点电荷，C点固定一个铜球。静电力常量为k。铜球上的感应电荷产生的电场在C点的电场强度大小为(　　) A． B． C． D． 处于静电场中的导体达到静电平衡时，导体内部电场强度是零，即感应电荷的电场强度与外加电场的电场强度叠加后是零，由点电荷的场强决定式E＝k，可得A点＋Q点电荷在C点产生场强大小为EA＝k，方向由A指向C，B点－2Q点电荷在C点产生场强大小为EB＝k，方向由C指向B，如图所示，由电场强度的叠加原理，可得铜球 上的感应电荷产生的电场在C点的电场强度大小为EC＝E合＝，A正确，B、C、D错误。 探究点二___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 【例3】 (多选)(2024·河北承德期末)如图所示，用金属网将原来不带电的验电器罩起来，金属网接地(图中未画出)，将带正电的金属球靠近验电器，图中a、b两点和金属球的球心在同一条直线上，c点在金属网内，则下列说法正确的是(　　) A．验电器内的箔片张开 B．若将金属网内部与验电器相连，则验电器内的箔片不张开 C．a点的电场强度一定大于c点的电场强度 D．b点的电场强度一定小于c点的电场强度 由静电屏蔽可知，金属网内部的电场强度处处为零，金属网内部不带电，验电器内的箔片不张开，A错误；根据上述，由于静电屏蔽，金属网内部的电场强度处处为零，金属网内部不带电，可知若将金属网内部与验电器相连，则验电器内的箔片不张开，B正确；由于金属网内部的电场强度处处为零，因此a、b两点的电场强度都一定大于c点的电场强度，C正确，D错误。 [练2] 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 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，B正确。 探究点三___静电现象的分析 【例4】 在气候干燥的秋冬季节，人们常常会碰到这些现象：晚上脱衣时，常会听到噼啪的声响；早上起来梳头时，头发常会“飘”起来。这就是发生在我们日常生活中的静电现象。有一次，小明的手指靠近金属门把手时，突然有一种被电击的感觉。这是因为运动摩擦使身体带电，当手指靠近门把手时，二者之间形成的放电现象。若放电前，小明的手指带负电。有关金属门把手的两端被感应带电的情况，下列图中标示正确的是(　　) 人的手指带负电，则由于静电感应，门把手中离手指较近的一端感应出正电荷，离手指较远的一端感应出负电荷，则图A是正确的。 [练3] (多选)(2024·广东惠州期末)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 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，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，C正确，D错误。 探究点四___解决实际问题 雷雨天，武当山金殿的屋顶常出现“雷火炼殿”的奇观是放电现象，A错误；燃气灶上电子点火器的针头电极利用了尖端放电原理，B错误；超高压带电作业所穿衣服的织物中掺入了金属丝利用了静电屏蔽原理，C正确；静电复印机利用了静电吸附原理，D错误。 [练5] (实验情境)处于强电场中的空气分子会被电离为电子和正离子，利用此原理可以进行静电除尘。如图所示的是一个用来研究静电除尘的实验装置，铝板与手摇起电机的正极相连，缝被针与手摇起电机的负极相连，在铝板和缝被针中间放置点燃的蚊香。转动手摇起电机，蚊香放出的烟雾会被电极吸附，停止转动手摇起电机，蚊香的烟雾又会袅袅上升。关于这个现象，下列说法正确的是(　　) A．烟尘因为带正电而被吸附到缝被针上 B．同一烟尘颗粒在被吸附过程中离铝板越近速度越小 C．同一烟尘颗粒在被吸附过程中离铝板越近速度越大 D．同一烟尘颗粒在被吸附过程中如果带电荷量不变，离铝板越近则加速度越大 在铝板和缝被针中间形成强电场，处于强电场中的空气分子会被电离为电子和正离子，烟尘吸附电子带负电，而被吸附到铝板上，A错误；由于静电力做功，同一烟尘颗粒在被吸附过程中离铝板越近速度越大，C正确，B错误；由于离铝板越近，电场强度越小，同一烟尘颗粒在被吸附过程中如果带电荷量不变，离铝板越近则加速度越小，D错误。 1．处于静电平衡的导体，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 导体内部电场强度处处为零是感应电荷的电场与外电场叠加的结果，D正确。 2．矩形金属导体处于正点电荷Q产生的电场中，静电平衡时感应电荷产生的电场在导体内的电场线分布情况正确的是(　　) 导体处于静电平衡状态时，导体内部电场强度处处为0，感应电荷在导体内部某处产生的电场与场源电荷Q在此处产生的电场场强大小相等，方向相反，A正确，B、C、D错误。 3．(多选)(2024·广东广州期末)如图所示为滚筒式静电分选器的示意图，由料斗A，导板B，导体滚筒C，刮板D，料槽E、F和放电针G等部件组成。滚筒C、放电针G分别接直流高压电源的正、负极，并令滚筒C接地，放电针G与转轮间施加高压并电离空气，颗粒经过电离空气后都带上电荷。现将金属和塑料碎成粉粒后加入滚筒，由于塑料及金属导电性能不同，最终可完成分离，并通过料槽E、F进行回收，则下列说法正确的是(　　) A．经过电离空气后，金属带正电，塑料带负电 B．金属粉粒会落入料槽F C．塑料粉粒会落入料槽F D．塑料粉粒吸附滚筒的能力更强 放电针G附近的空气受高压电场作用而电离，在电场力作用下，大量的电子或负离子被喷射在粉粒上，两种粉粒均带负电，A错误；带负电的金属粉粒因具有良好的导电性，所以在与带正电的滚筒C接触后，其上的负电荷被滚筒C上的正电荷中和，在重力作用下落于料槽F；绝缘性能良好的塑料粉粒，其所带负电不容易传给滚筒C，在滚筒C的静电吸引力作用下，附着于滚筒C的表面并随滚筒C转动，最后粉粒较大者在重力作用下掉入料槽E，粉粒较小者由刮板将其刮入料槽E，B、D正确，C错误。 4．如图所示，较厚的空腔导体中有一个正电荷，图中a、b、c、d各点的电场强度大小顺序为(　　) A．Ea＞Eb＞Ec＞Ed B．Ea＞Ec＞Ed＞Eb C．Ea＞Ec＝Ed＞Eb D．Ea＜Eb＜Ec＝Ed 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。由于a处电场线较密，c处电场线较疏，d处电场线更疏，b处电场强度为零，则Ea＞Ec＞Ed＞Eb，B正确，A、C、D错误。 5．(2024·江苏南京期末)如图所示，不带电的金属球下面垫着干燥的泡沫板，两者一起放在电子秤上，现用带正电的玻璃棒从上方缓慢靠近金属球(未接触)，停留一会后再缓慢远离。则(　　) A．玻璃棒停在金属球上方时，金属球下端区域带负电 B．玻璃棒停在金属球上方时，电子秤示数等于泡沫板与球的总质量 C．玻璃棒靠近过程中，电子秤示数逐渐减小，且示数小于泡沫与球的总质量 D．玻璃棒远离过程中，电子秤示数逐渐增大，且示数大于泡沫与球的总质量 带正电的玻璃棒停在金属球上方时，由于静电感应现象，金属球的上表面感应出负电荷，下表面感应出等量正电荷，A错误；玻璃棒停在金属球上方时，因为异种电荷互相吸引，故金属球受到向上的库仑力，由平衡条件和牛顿第三定律可知：金属球对秤的压力小于泡沫板与球的总重力，故电子秤示数小于泡沫板与球的总质量，B错误；玻璃棒靠近过程中，金属球上感应电荷的电荷量逐渐增大，故金属球受到向上的静电力逐渐增大，则电子秤示数逐渐减小，且示数小于泡沫与球的总质量，远离过程中吸引力逐渐减小则示数变大，但是小于泡沫和小球的总重力，C正确，D错误。 $$