4.静电的防止与利用-【金版教程】2025-2026学年高中物理必修第三册创新导学案全书Word（人教版2019）

物理　必修 第三册 RJ 4．静电的防止与利用 1．了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡状态的导体内部的电场特点。2.了解静电平衡时带电导体上电荷的分布特点，了解尖端放电现象及其应用与防止。3.了解静电屏蔽的原理和应用，了解静电的危害。4.了解静电吸附的原理及其在生产技术上的应用。 任务1　静电平衡 1．静电平衡状态：导体在电场中发生静电感应现象，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部各点的电场强度E＝0，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。 对静电平衡的四点理解 (1)静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果，达到静电平衡时，自由电荷不再发生定向移动。 (2)金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的。 (3)导体达到静电平衡后内部电场强度处处为零，是指外电场E0与导体两端的感应电荷产生的电场E′的合电场强度为零，E′＝－E0。 (4)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必定跟该点处表面的切面垂直(否则该处的电荷会移动，不处于静电平衡状态)。 例1　如图，一个原来不带电的半径为r的金属球放在绝缘支架上，右侧放置一个电荷量为＋Q的点电荷，点电荷到金属球表面的最近距离为2r。静电平衡时(　　) A．点电荷在球心处产生的电场强度为零 B．金属球左端带负电，右端带正电 C．球心处的电场强度大小为k，方向水平向左 D．感应电荷在球心处激发的电场强度大小为k，方向水平向右 [解析]　点电荷在球心处产生的电场强度大小为E1＝k＝k，方向水平向左，故A错误；根据静电感应可知，金属球的右端感应出负电荷，左端感应出正电荷，故B错误；根据静电平衡可知，金属球内部的电场强度处处为零，即金属球球心处的电场强度大小为零，故感应电荷在金属球球心处激发的电场强度与点电荷在金属球球心处的电场强度大小相等、方向相反，可知感应电荷在金属球球心处激发的电场强度大小为k，方向水平向右，C错误，D正确。 [答案]　D 导体中感应电荷的电场的计算 (1)首先求出外电场的电场强度E外的大小和方向。 (2)然后根据静电平衡条件E外＋E感＝0，求出感应电荷的电场强度E感的大小和方向。 任务2　尖端放电 1．静电平衡时导体上电荷的分布 (1)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，周围的电场强度越大。 2．空气的电离 在一定条件下，导体尖端周围的强电场足以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。这个现象叫作空气的电离。 3．尖端放电 (1)定义：导体尖端周围的强电场使附近的空气电离后的带电粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使空气分子进一步电离，产生更多的带电粒子，那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷。这种现象叫作尖端放电。 (2)应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。 (3)防止：尖端放电会导致高压设备上电能的损失，所以高压设备中导体的表面应该尽量光滑。 例2　关于静电平衡导体上电荷的分布，下列说法正确的是(　　) A．导体内部既无正电荷，又无负电荷 B．导体内部正负电荷一样多 C．导体外表面的电荷代数和一定为零 D．导体外表面尖锐的位置电荷稀疏，平坦的位置电荷密集 [解析]　处于静电平衡的导体，内部没有净剩电荷，即正负电荷一样多，A错误，B正确；导体外表面电荷的代数和不一定为零，例如处于静电平衡状态的孤立带电导体，C错误；导体外表面尖锐的位置电荷密集，平坦的位置电荷稀疏，D错误。 [答案]　B 例3在燃气灶上常安装电子点火器，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。电子点火器的放电电极应该做成(　　) A．针尖状 B．圆头状 C．方形 D．椭球形 [解析]　电子点火器要产生高压放电，需要高电荷密度区。尖端容易聚集电荷，故安装的电子点火器往往把放电电极做成针尖状，故选A。 [答案]　A 任务3　静电屏蔽 我们知道，处于静电平衡状态的导体内部是没有净电荷的，而且电场强度为零。那么，对于一个已经达到静电平衡状态的导体，直接挖去该导体内部的某一部分，是否会对导体的电荷分布情况和电场分布情况产生影响？ 提示：挖去的部分净电荷为零，产生的电场为零，不会对电场分布情况产生影响，同样也不会对导体电荷的分布情况产生影响。 1．静电屏蔽的原理：当带空腔的导体达到静电平衡时，导体壳内空腔里的电场强度处处为0，不受外电场的影响。 2．静电屏蔽的应用：电学仪器外面有金属壳，以使壳外电场对壳内仪器不会产生影响；野外高压输电线上方还有两条导线与大地相连，形成一个稀疏的金属“网”，把高压线屏蔽起来，使其免遭雷击。 想一想 家用电视机、收音机外壳的制作材料为何一般是塑料，而不用金属？ 提示：若用金属制作家用电视机、收音机外壳，用电器的金属外壳就会形成静电屏蔽，电磁信号就难以被电视机、收音机这类电磁波接收器接收，电视机、收音机就不能正常工作。 1．静电屏蔽的实质 静电屏蔽的实质是静电平衡。金属壳内的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 静电外屏蔽 静电内屏蔽 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 导体空腔内不受外界电场影响 接地导体空腔外部不受内部电场影响 本质 静电感应与静电平衡 例4　(多选)如图所示，将一金属空腔放在匀强电场中，稳定后，电场线如图分布。B为金属空腔内一个点，在B点释放一不计重力的点电荷q。下列说法正确的是(　　) A．金属空腔内表面带电 B．金属空腔内表面不带电 C．点电荷q将受电场力而运动 D．点电荷q将保持静止 [解析]　根据静电平衡的原理，可知金属空腔内表面不带电，A错误，B正确；由静电屏蔽可知，空腔内部电场强度为0，故点电荷q将保持静止，C错误，D正确。 [答案]　BD 任务4　静电吸附 1．静电吸附的原理：在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上。 2．静电吸附的应用：静电除尘、静电喷漆、静电复印。 例5　如图是静电喷涂原理的示意图。喷枪喷嘴与被涂工件之间有强电场，喷嘴喷出的带电涂料微粒在强电场的作用下会向工件高速运动，最后被吸附到工件表面。则可知(　　) A．微粒一定带正电 B．微粒可能带正电，也可能带负电 C．微粒运动过程中，速度越来越小 D．微粒运动过程中，速度越来越大 [解析]　带正电的工件因为静电感应电荷分布在表面，微粒在静电力的作用下向工件运动，故微粒带负电，A、B错误；微粒运动过程中，静电力与速度方向成锐角，速度越来越大，故C错误，D正确。 [答案]　D 解答本类问题需掌握的几点 (1)同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。 (2)越尖锐的位置，电荷分布越密集，电场越强，同一带电粒子的加速度越大。 (3)静电力方向与运动方向成锐角时，带电粒子速度增大，成钝角时，速度减小。 课后课时作业 知识点一　静电平衡 1．(多选)关于处于静电平衡状态的导体，下列说法正确的是(　　) A．导体内部的电场强度处处为0 B．导体内部将没有多余的净电荷 C．导体的外表面没有电荷 D．导体外部的电场强度处处为0 答案：AB 解析：处于静电平衡状态的导体，内部的电场强度处处为0，电荷只分布在导体外表面上，导体内部没有多余的净电荷，故A、B正确，C错误；导体外部有其他电荷时，导体外部的电场强度不为0，故D错误。 2．如图所示，A处固定一个带正电的点电荷，将一个不带电的金属块B放在A的附近，C、D是金属块内的两个点，C、D和A在一条直线上，则金属块中感应电荷在C、D两点产生的电场强度(　　) A．方向不同 B．方向均沿直线AD向右 C．大小相等 D．C点比D点的大 答案：D 解析：静电平衡时，金属块内部合电场强度为零，感应电荷在某点的电场强度与场源电荷在该点的电场强度大小相等，方向相反，由于C点距离场源电荷近些，根据E＝k可知，A处点电荷在C点的电场强度大于在D点的电场强度，且方向均沿AD方向，因此，感应电荷在C点产生的电场强度大于在D点产生的电场强度，方向均沿DA方向，A、B、C错误，D正确。 知识点二　尖端放电 3．小黄在暑假旅游坐飞机时发现飞机尾翼尖端处有些很细的针，如图所示。这些细针的功能最有可能的是(　　) A．扰乱空气流 B．发射与地面飞机场联系的电磁波 C．预防雷电击中高空飞行的飞机 D．释放高速飞行与空气摩擦时产生的静电 答案：D 解析：飞机高速飞行时与空气摩擦产生静电，电荷在越尖锐的地方分布越多，从而可以通过尖端放电将静电释放出去，故D正确。 4．导体处于静电平衡时，关于导体表面电荷的分布和电场强度，判断正确的是(　　) A．表面平坦的部位电荷分布密集，电场强度较小 B．表面突出的部位电荷分布密集，电场强度较大 C．表面凹陷处的部位电荷分布稀疏，电场强度较大 D．表面突出的部位电荷分布稀疏，电场强度较小 答案：B 解析：静电平衡时，表面越尖锐的位置电荷的密度越大，电场强度越大，表面凹陷的位置几乎没有电荷，电场强度极小，表面平坦的部位电荷分布稀疏，电场强度较小，A、C、D错误，B正确。 5．如图所示是闪电击中一高塔的画面，高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，针尖感应出负电荷 B．避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施 C．越靠近避雷针尖端，电场强度越小 D．为了美观，通常把避雷针顶端设计成球形 答案：B 解析：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，故A错误；避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施，不能把避雷针顶端设计成球形，故B正确，D错误；由题图可知，越靠近避雷针尖端，电场线越密集，电场强度越大，故C错误。 知识点三　静电屏蔽 6．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(包含金属丝的织物制成)安全 B．高压起电机的带电导体做成球形，是为了使导体获得更高的电荷量 C．燃气灶点火器的放电电极做成了针形，是防止出现尖端放电现象 D．USB数据线线芯的外层包裹着一层铜丝网，是为了增强线缆的机械强度 答案：B 解析：电工工作环境具有很强的电场，根据静电屏蔽可知穿金属衣比穿绝缘衣更安全，故A错误；高压起电机的带电导体做成球形，是为了防止出现尖端放电现象，从而使导体获得更高的电荷量，故B正确；燃气灶点火器的放电电极做成了针形，是利用尖端放电现象，故C错误；USB数据线线芯的外层包裹着一层铜丝网，是为了把数据线线芯屏蔽起来，使其免遭外部电场的干扰，故D错误。 7．如图所示，某同学先用金属网把不带电的验电器罩起来，再用带正电的金属球靠近金属网但不与接触。下列说法中正确的是(　　) A．金属网P端感应出正电荷 B．验电器和金属网之间电场强度不为零 C．验电器和金属网之间电场强度为零 D．验电器的箔片会张开 答案：C 解析：用带正电的金属球靠近金属网，由于静电感应，金属网P端感应出负电荷，A错误；金属网处于静电平衡状态，根据静电屏蔽可知，金属网内部电场强度为零，则验电器的箔片不会张开，故B、D错误，C正确。 8．(多选)如图所示，把原来不带电的金属壳B的外表面接地，将一带正电的小球A经小孔放入球壳中，但不与B发生接触，达到静电平衡后，则(　　) A．B的空腔内电场强度为零 B．B不带电 C．B的内表面带负电 D．金属壳B外C点电场强度为零 答案：CD 解析：A带正电，由于静电感应，金属壳B内表面感应出负电荷；金属壳B外表面接地，可知金属壳B外表面不带电，所以B带负电，故C正确，B错误。B的空腔内有由带正电小球指向B的内表面的辐向电场，所以B的空腔内电场强度不为零，故A错误。达到静电平衡后，由静电屏蔽原理可知金属壳B外的电场强度为零，即金属壳B外C点电场强度为零，故D正确。 知识点四　静电吸附 9．下列说法不属于静电现象应用的是(　　) A．静电除尘可用于回收水泥粉尘 B．复印机应用静电吸附，实现复印工作 C．带负电的油漆微粒沉积在作为正极的工件表面，完成喷漆工作 D．印刷厂里纸张之间因摩擦带电而吸附在一起，给印刷带来麻烦 答案：D 解析：静电除尘是利用静电来回收水泥粉尘，复印机利用静电吸附原理实现复印工作，带负电的油漆微粒沉积在作为正极的工件表面，完成喷漆工作，均属于静电现象的应用；印刷厂里纸张之间因摩擦带电而吸附在一起，给印刷带来麻烦，属于静电的危害，不属于静电现象的应用，故选D。 10．为了消除和利用烟气中的煤粉，可采用如图所示的静电除尘装置，它是由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，A接到高压电源正极，B接到高压电源负极，且A要接地。A、B间有很强的电场，距B越近电场________(填“越强”或“越弱”)，因此，B附近的空气分子被强电场电离为电子和正离子，正离子跑到B上得到电子又变成空气分子，电子在奔向A的过程中遇到烟气中的煤粉并附着在煤粉上，使其带负电，吸附到________(填“A”或“B”)上，这样排出的烟就变清洁了。 答案：越强　A 解析：A接到高压电源正极，B接到高压电源负极，且A要接地，电极截面如图所示，由电场线可判断越靠近B电场越强；煤粉吸附电子后带负电，因此向正极A运动，被吸附到A上。 11．N95口罩中间层的熔喷布是一种用绝缘材料做成的带有静电的超细纤维布，它能阻隔直径几微米的带病毒的粉尘，这种静电的阻隔作用属于(　　) A．静电屏蔽 B．尖端放电 C．静电感应和静电吸附 D．静电感应和静电屏蔽 答案：C 解析：由题意可知，熔喷布是一种用绝缘材料做成的带有静电的超细纤维布，所以当直径几微米的带病毒的粉尘靠近时，由于静电感应而带电，从而被熔喷布吸附，则可知其原理为静电感应和静电吸附，故C正确，A、B、D错误。 12．如图所示，带负电的点电荷旁有一金属板，金属板处于静电平衡状态，A为金属板内的一点，B为金属板左侧外表面上的一点，下列判断正确的是(　　) A．感应电荷在A点的电场强度沿E1方向 B．感应电荷在A点的电场强度沿E2方向 C．B点的电场强度可能沿E3方向 D．B点的电场强度不可能沿E4方向 答案：D 解析：处于静电平衡状态的导体内部电场强度为0，点电荷在A点的场强方向为E1，且感应电荷在A点的电场强度和E1叠加后矢量和为0，故感应电荷在A点的电场强度沿E1的反方向，故A、B错误；B点在金属板左侧外表面上，假设B点的电场强度不垂直于左侧表面，则金属板B点的电荷将在电场的作用下发生移动，而处于静电平衡状态的导体的电荷分布不变，假设错误，可知B点的电场强度方向垂直于金属板左侧表面，即B点的电场强度方向既不可能沿E3方向，也不可能沿E4方向，故C错误，D正确。 13．(多选)如图所示为一个处于静电平衡状态的带电导体的电场线分布图，下列判断正确的是(　　) A．导体左侧带正电，右侧带负电 B．导体电荷分布密度左侧大于右侧 C．导体内部的P点不可能有净电荷 D．导体表面任一点的电场强度一定垂直于该点导体表面的切面 答案：CD 解析：由电场线的方向可知，导体左右两侧均带正电，A错误；静电平衡时，导体内部的P点没有净电荷，电荷只分布在导体的外表面，并且越尖锐的位置，电荷的密度越大，所以导体电荷分布密度左侧小于右侧，B错误，C正确；假设导体表面某一点的电场强度不垂直于该点导体表面的切面，则该点处的净电荷将在静电力的作用下发生移动，而处于静电平衡状态的导体的净电荷分布不变，所以假设错误，即导体表面任一点的电场强度一定垂直于该点导体表面的切面，D正确。 14．处于强电场中的空气分子会被电离，使灰尘颗粒带电，利用此原理可以进行静电除尘。如图所示，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，一枚细针与手摇起电机的负极相连，在铝板和细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，下列说法中正确的是(　　) A．烟尘因为带负电而被吸附到细针上 B．某烟尘颗粒在被吸附过程中离铝板越近速度越小 C．某烟尘颗粒在被吸附过程中离铝板越近速度越大 D．若某烟尘颗粒在被吸附过程中电荷量不变，离铝板越近则加速度越大 答案：C 解析：空气被电离生成的电子在静电力的作用下向正极移动时，遇到烟尘颗粒而使烟尘颗粒带负电，因此，带电烟尘颗粒在静电力的作用下向铝板运动，被吸附到铝板上，故A错误；烟尘颗粒向铝板运动时，在静电力作用下做加速运动，所以离铝板越近速度越大，故B错误，C正确；从针尖端到铝板，电场线越来越稀疏，同一烟尘颗粒离铝板越近，受到的静电力越小，则加速度越小，故D错误。 15．(多选)滚筒式静电分选器由料斗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，C与G分别接于直流高压电源的正、负极上，并令C接地。如图所示，电源电压很高，足以使放电针G附近的空气发生电离而产生大量离子，现有导电性能不同的两种物质粉粒a、b的混合物从料斗A下落，沿导板B到达转动的滚筒C上，粉粒a具有良好的导电性，粉粒b具有良好的绝缘性。下列说法正确的是(　　) A．粉粒a落入料槽F，粉粒b落入料槽E B．粉粒b落入料槽F，粉粒a落入料槽E C．若滚筒C不接地而放电针G接地，从工作原理上看，这是不允许的 D．若滚筒C不接地而放电针G接地，从工作安全角度看，这是不允许的 答案：AD 解析：因为C和G分别接在高压电源的正、负极上，在放电针G附近形成很强的电场，使放电针G附近的空气电离而产生大量电子和带正电的离子，其中的电子被吸附到粉粒a、b上，a、b因吸附电子而带负电，被吸引到带正电的滚筒C上，因a具有良好的导电性，a所带电荷被C上的正电荷中和并最终带上和C相同的电荷，在C的排斥力和重力作用下落入料槽F中，粉粒b因具有良好的绝缘性所带负电荷不会被中和，被吸引到滚筒C上，直到被刮板D刮落而落入料槽E中，故A正确，B错误。若滚筒C不接地而放电针G接地，同样能使放电针附近的空气电离，从工作原理上看是允许的，但滚筒C不接地具有高压，不安全，从工作安全角度看，不允许，故C错误，D正确。 14 学科网（北京）股份有限公司 $$