第5节 静电的利用与防护（导学案）-物理鲁科版2019必修第三册

5. 静电的利用与防护 导学案 物理观念 能理解静电利用（如静电除尘、静电复印）和防护（如接地、加湿）的物理原理，深化“静电源于电荷转移与积累”的物理观念。 科学思维 能分析静电利用与防护案例中电荷运动规律及电场作用逻辑，通过对比不同场景的解决方案，提升科学分析与问题解决能力。 科学探究 能参与“设计简易静电防护装置”或“模拟静电利用现象”的探究活动，学会观察现象、分析原理，提升科学探究的实践能力。 科学态度 与责任 通过了解静电技术对生产生活的影响，认识科学知识与技术应用的关联，树立“合理利用科学、规避潜在风险”的科学责任意识。 1．理解静电利用与防护的典型案例及对应的物理原理。（重点） 2．结合实际场景分析静电现象并设计合理的利用或防护方案。（难点） 【知识回顾】 1、物体收到恒力作用时，其加速度的大小和方向均__________。若初速度为零，则物体做__________，运动方向__________。 2、电场是__________，其叠加遵循__________。 3、电场强度的定义式为__________，库仑定律的数学表达式为__________。 4、在电场中，正电荷被__________吸引，负电荷被__________吸引。 【自主预习】 1、把导体放在静电场中，由于__________，导体中出现____________________的电场。当其与原电场大小__________时，导体内部各点的电场强度E＝__________，导体内的自由电子__________发生定向移动。这时，导体达到__________。 2、静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的__________。并且在导体外表面，越__________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__________。 3、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__________分离。这个现象叫作__________。 4、所带电荷与导体尖端的电荷符号__________的粒子，由于被__________而奔向尖端，与尖端上的电荷__________，这相当于导体从尖端__________电荷。这种现象叫作__________。常见的尖端放电现象发生在__________、__________上。 5、在静电场中放入一个空腔导体，无论导体外部电场是什么样的，导体内部都__________电场，外电场对壳内的仪器__________产生影响，金属壳的这种作用叫作__________。常见的起到静电屏蔽作用的有__________、__________。 6、常见的静电吸附的应用有__________、__________、__________。 【思考交流1】 在加油站给车加油前，为什么要触摸一下静电释放器？如果人在金属笼子里，给笼子加上高压电，人安全吗？ 【问题体验1】 如图所示，将一个不带电的金属导体放到电场中，将发生什么现象呢？（先思考作图，再观看动画视频）E 1、 金属导体的微观结构如何？金属中可以自由移动的是什么？ 2、 把不带电的金属导体放在电场中，自由电子将向哪个方向移动？ 3、 自由电子在什么地方聚集？导体左、右两侧各呈现什么电荷？ 4、 电子聚集会出现怎样的结果？最终会出现怎样的现象？ 5、 如何论证：“处于静电平衡状态的导体内部场强处处为0”？ 6、 自由电子最终停下来了吗？ 7、回忆前面所学的静电感应，试从静电平衡的角度分析。 【归纳总结1】 1、 对静电平衡的三点理解 （1） 静电平衡是 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 ，是指 与 感应电荷产生的附加电场的电场强度的 为零。 2、 静电平衡状态下导体的特点 （1） 处于静电平衡状态的导体，其内部的 处处为0。 （2） 净电荷只分布在 ， 没有净电荷，因此没有电场。 （3） 感应电荷分布于导体 ，电性________，电荷量 。近 远 。 【问题体验2】导体表面电荷分布特点，请观看视频1思考讨论闪电是怎么形成的？ 1、 静电平衡时，导体内部有净剩电荷吗？为什么？ 2、 观察右图，电荷只分布在导体的____表面，越尖锐的位置，电荷的密度（单位面积的电荷量）越______，周围的电场强度越________。 3、 电离：在一定条件下，导体_____端周围的强电场足以使空气中残留的带电粒子发生 ，并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷 ，中性的分子电离后变成带____电的自由电子和失去电子而带正电的________。这些带电粒子在强电场的作用下_____速，撞击空气中的分子，使它们进一步_______，产生更多的带电粒子。 4、 尖端放电：电离后那些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________，这相当于导体从尖端______电荷。 5、 避雷针：建筑物上的尖锐金属棒用粗导线与大地相连，带电的雷雨云靠近避雷针，发生_____________,金属棒出现与云层相____的电荷。通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，达到避免雷击的目的。避雷针不是避免发生雷电，反而是把雷电引导自身。从而使得避雷针附近的物体免受雷电的危害。 6、 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_____。如果有毛刺，就会发生___________。夜间高压线周围有时出现一层绿色光晕，俗称________，这是一种微弱的放电。 【问题体验3】内部场强处处为0E 1、 带空腔的导体放入静电场中，电荷将如何分布？请作图解释 2、 使带电的金属球靠近验电器，但不接触，箔片是否张开?解释看到的现象。 3、 用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，观察箔片是否张开。这个现象说明什么? 【归纳总结3】 1、 静电屏蔽：静电平衡时，导体壳内空腔里的电场强度 ，外电场对壳内仪器不会产生影响。 2、 静电屏蔽的实质：是利用了 现象，使金属壳内感应电荷的电场和外加电场 为0，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。 3、 野外高压线为避免雷击，在三条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_________起来，以其免遭雷击。 4、 医院手术台、煤矿里都有可能因为电火花引起爆炸。 【问题体验4】电荷在电场中的运动 1、你知道静电除尘器是如何除尘的吗?（观看视频了解其工作原理） 2、你知道汽车表面的油漆是如何喷上去的吗？（观看视频了解其工作原理） 3、你知道激光打印机是如何工作的吗？（观看视频了解其工作原理） 【归纳总结4】 1、 静电除尘：设法使空气中的尘埃带电，在 力的作用下，尘埃到达电极而被收集起来的过程。如图，静电除尘器由___状收集器A和_____状电离器B组成。A接到几千伏高压电源的_____极，B接到高压电源的_____极，它们之间有很强的___场，而且距_____越近，电场强度越大。B附近的空气中的气体分子更容易被电离，成为____离子和_____。正离子被吸到_____上，得到电子，又成为分子。________在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带_____电。粉尘被吸附到正极A上，最后在_____力的作用下落入下面的漏斗中。静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘。 2、 静电喷漆：接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带____ 电，在静电力作用下，这些微粒向着作为 极的工件运动，并沉积在工件表面，完成喷漆工作。 3、 静电吸附：在电场中，带电粒子受到 力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上。 1．小强在加油站加油时，看到加油机上有如图所示的图标，关于图标涉及的物理知识及其理解，下列说法正确的是（　　） A．三个图标都是为了防止静电的产生 B．工作人员工作时间须穿绝缘性能良好的化纤服装 C．化纤手套与接触物容易摩擦起电存在安全隐患 D．用绝缘的塑料梳子梳头应该没有关系 2．山西被称为“中国古代建筑艺术博物馆”，这些建筑大部分都加装了避雷针。雷雨天气时，云层底端带负电，下列说法正确的是（　　） A．云层靠近避雷针时，避雷针感应出正电荷 B．避雷针也可以不连接埋在地底的金属板 C．必须有闪电击中避雷针，避雷针才发挥作用 D．避雷针是利用尖端放电的一种设施 3．湖北武当山的主峰天柱峰屹立着一座光耀百里的金殿，全部为铜铸鎏金。雷雨交加时，金殿的屋顶常会出现盆大的火球，来回滚动。雨过天晴时，大殿金光灿灿，像被重新洗炼过一般，这就是人们所说的“雷火炼殿”。已知电场强度超过时，空气将被击穿发生放电。关于“雷火炼殿”，下列说法错误的是（　　）    A．带电乌云移到金殿上空时，乌云与金殿顶部之间电压高低不同 B．雷雨天气时，游客躲在殿内，可以降低被雷电击中的可能性 C．雷雨天气时，金殿屋顶上曲率半径越大的地方，空气越容易被击穿 D．近年来金殿安装了避雷针，“雷火炼殿”的奇观消失了 4．在科技馆的静电体验区，当人进入一个金属笼后，用特斯拉线圈产生200多万伏的高压，与金属笼之间发生火花放电，但人在金属笼内是非常安全的。在火花放电过程中（　　） A．笼体不带电荷 B．金属笼内部场强为零 C．人与金属笼内壁接触会发生触电 D．人和笼体带同种电荷 5．从生活走向物理，从物理走向社会，物理和生活息息相关，联系生活实际是学好物理的基础。下列有关电学知识的相关说法正确的是（　　） A．图甲中，静电除尘装置将带负电的尘埃收集在中间的线状电极B上 B．图乙中，家用煤气灶的点火装置是根据尖端放电的原理制成的 C．图丙中，两条优质的话筒线外面包裹着金属外衣增强了导电能力 D．图丁中，工作人员在超高压带电作业时，穿绝缘橡胶服比金属丝编制的工作服更安全 6．在点电荷﹣Q的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆平面与点电荷在同一平面内，则盘上感应电荷在盘中P点所激发的场强E′的方向在图中正确的是（　　） A． B． C． D． 知识梳理与关联 方法与能力提升 疑问与拓展 自我评估 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$ 5. 静电的利用与防护 导学案 物理观念 能理解静电利用（如静电除尘、静电复印）和防护（如接地、加湿）的物理原理，深化“静电源于电荷转移与积累”的物理观念。 科学思维 能分析静电利用与防护案例中电荷运动规律及电场作用逻辑，通过对比不同场景的解决方案，提升科学分析与问题解决能力。 科学探究 能参与“设计简易静电防护装置”或“模拟静电利用现象”的探究活动，学会观察现象、分析原理，提升科学探究的实践能力。 科学态度 与责任 通过了解静电技术对生产生活的影响，认识科学知识与技术应用的关联，树立“合理利用科学、规避潜在风险”的科学责任意识。 1．理解静电利用与防护的典型案例及对应的物理原理。（重点） 2．结合实际场景分析静电现象并设计合理的利用或防护方案。（难点） 【知识回顾】 1、物体收到恒力作用时，其加速度的大小和方向均不变。若初速度为零，则物体做匀加速直线运动，运动方向与恒力方向相同。 2、电场是矢量，其叠加遵循平行四边形定则。 3、电场强度的定义式为，库仑定律的数学表达式为。 4、在电场中，正电荷被负极吸引，负电荷被正极吸引。 【自主预习】 1、把导体放在静电场中，由于静电感应，导体中出现与原静电场方向相反的电场。当其与原电场大小相等时，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。这时，导体达到静电平衡状态。 2、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。并且在导体外表面，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。 3、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。 4、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，这相当于导体从尖端失去电荷。这种现象叫作尖端放电。常见的尖端放电现象发生在避雷针、高压设备上。 5、在静电场中放入一个空腔导体，无论导体外部电场是什么样的，导体内部都不会有电场，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。常见的起到静电屏蔽作用的有金属网罩、同轴电缆。 6、常见的静电吸附的应用有静电除尘、静电喷漆、静电复印。 【思考交流1】 在加油站给车加油前，为什么要触摸一下静电释放器？如果人在金属笼子里，给笼子加上高压电，人安全吗？ 【问题体验1】 如图所示，将一个不带电的金属导体放到电场中，将发生什么现象呢？（先思考作图，再观看动画视频）E 1、 金属导体的微观结构如何？金属中可以自由移动的是什么？ 2、 把不带电的金属导体放在电场中，自由电子将向哪个方向移动？ 3、 自由电子在什么地方聚集？导体左、右两侧各呈现什么电荷？ 4、 电子聚集会出现怎样的结果？最终会出现怎样的现象？ 5、 如何论证：“处于静电平衡状态的导体内部场强处处为0”？ 6、 自由电子最终停下来了吗？ 7、回忆前面所学的静电感应，试从静电平衡的角度分析。 【归纳总结1】 1、 对静电平衡的三点理解 （1） 静电平衡是 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 ，是指 与 感应电荷产生的附加电场的电场强度的 为零。 2、 静电平衡状态下导体的特点 （1） 处于静电平衡状态的导体，其内部的 处处为0。 （2） 净电荷只分布在 ， 没有净电荷，因此没有电场。 （3） 感应电荷分布于导体 ，电性________，电荷量 。近 远 。 【问题体验2】导体表面电荷分布特点，请观看视频1思考讨论闪电是怎么形成的？ 1、 静电平衡时，导体内部有净剩电荷吗？为什么？ 2、 观察右图，电荷只分布在导体的____表面，越尖锐的位置，电荷的密度（单位面积的电荷量）越______，周围的电场强度越________。 3、 电离：在一定条件下，导体_____端周围的强电场足以使空气中残留的带电粒子发生 ，并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷 ，中性的分子电离后变成带____电的自由电子和失去电子而带正电的________。这些带电粒子在强电场的作用下_____速，撞击空气中的分子，使它们进一步_______，产生更多的带电粒子。 4、 尖端放电：电离后那些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________，这相当于导体从尖端______电荷。 5、 避雷针：建筑物上的尖锐金属棒用粗导线与大地相连，带电的雷雨云靠近避雷针，发生_____________,金属棒出现与云层相____的电荷。通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，达到避免雷击的目的。避雷针不是避免发生雷电，反而是把雷电引导自身。从而使得避雷针附近的物体免受雷电的危害。 6、 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_____。如果有毛刺，就会发生___________。夜间高压线周围有时出现一层绿色光晕，俗称________，这是一种微弱的放电。 【问题体验3】内部场强处处为0E 1、 带空腔的导体放入静电场中，电荷将如何分布？请作图解释 2、 使带电的金属球靠近验电器，但不接触，箔片是否张开?解释看到的现象。 3、 用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，观察箔片是否张开。这个现象说明什么? 【归纳总结3】 1、 静电屏蔽：静电平衡时，导体壳内空腔里的电场强度 ，外电场对壳内仪器不会产生影响。 2、 静电屏蔽的实质：是利用了 现象，使金属壳内感应电荷的电场和外加电场 为0，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。 3、 野外高压线为避免雷击，在三条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_________起来，以其免遭雷击。 4、 医院手术台、煤矿里都有可能因为电火花引起爆炸。 【问题体验4】电荷在电场中的运动 1、你知道静电除尘器是如何除尘的吗?（观看视频了解其工作原理） 2、你知道汽车表面的油漆是如何喷上去的吗？（观看视频了解其工作原理） 3、你知道激光打印机是如何工作的吗？（观看视频了解其工作原理） 【归纳总结4】 1、 静电除尘：设法使空气中的尘埃带电，在 力的作用下，尘埃到达电极而被收集起来的过程。如图，静电除尘器由___状收集器A和_____状电离器B组成。A接到几千伏高压电源的_____极，B接到高压电源的_____极，它们之间有很强的___场，而且距_____越近，电场强度越大。B附近的空气中的气体分子更容易被电离，成为____离子和_____。正离子被吸到_____上，得到电子，又成为分子。________在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带_____电。粉尘被吸附到正极A上，最后在_____力的作用下落入下面的漏斗中。静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘。 2、 静电喷漆：接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带____ 电，在静电力作用下，这些微粒向着作为 极的工件运动，并沉积在工件表面，完成喷漆工作。 3、 静电吸附：在电场中，带电粒子受到 力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上。 1．小强在加油站加油时，看到加油机上有如图所示的图标，关于图标涉及的物理知识及其理解，下列说法正确的是（　　） A．三个图标都是为了防止静电的产生 B．工作人员工作时间须穿绝缘性能良好的化纤服装 C．化纤手套与接触物容易摩擦起电存在安全隐患 D．用绝缘的塑料梳子梳头应该没有关系 【答案】AC 【详解】A．梳头、戴非棉手套加油、穿脱衣时会产生静电，三个图标都是为了防止静电的产生，故A正确； B．工作人员工作时间不能穿绝缘性能良好的化纤服装，不然会产生静电，故B错误； C．化纤手套与接触物容易摩擦起电存在安全隐患，故C正确； D．绝缘的塑料梳子梳头会产生静电，存在安全隐患，故D错误。 故选AC。 2．山西被称为“中国古代建筑艺术博物馆”，这些建筑大部分都加装了避雷针。雷雨天气时，云层底端带负电，下列说法正确的是（　　） A．云层靠近避雷针时，避雷针感应出正电荷 B．避雷针也可以不连接埋在地底的金属板 C．必须有闪电击中避雷针，避雷针才发挥作用 D．避雷针是利用尖端放电的一种设施 【答案】AD 【详解】A．因为云层底端带负电，所以云层靠近避雷针时，避雷针感应出正电荷，故A正确； B．避雷针的尖端安装在建筑物的顶端，并通过金属线与埋在地下的金属板相连，才能将云层中积聚的电荷导入大地，起到保护作用，故B错误； C．即使没有闪电击中避雷针，只要带电云层靠近避雷针，避雷针就因静电感应发挥作用，故C错误； D．避雷针是利用尖端放电来保护建筑物的一种设施，故D正确。 故选AD。 3．湖北武当山的主峰天柱峰屹立着一座光耀百里的金殿，全部为铜铸鎏金。雷雨交加时，金殿的屋顶常会出现盆大的火球，来回滚动。雨过天晴时，大殿金光灿灿，像被重新洗炼过一般，这就是人们所说的“雷火炼殿”。已知电场强度超过时，空气将被击穿发生放电。关于“雷火炼殿”，下列说法错误的是（　　）    A．带电乌云移到金殿上空时，乌云与金殿顶部之间电压高低不同 B．雷雨天气时，游客躲在殿内，可以降低被雷电击中的可能性 C．雷雨天气时，金殿屋顶上曲率半径越大的地方，空气越容易被击穿 D．近年来金殿安装了避雷针，“雷火炼殿”的奇观消失了 【答案】C 【详解】A．带电乌云移到金殿上空时，由于静电感应，金殿上表面会感应出与乌云电性相反的电荷，因此在乌云与金殿顶部之间会存在电压差，A正确； B．雷雨天气时，金殿处于电场中会达到静电平衡状态，金殿内部场强为零，所以游客躲在殿内，可以降低被雷电击中的可能性，B正确； C．雷雨天气时，金殿屋顶上曲率半径越大的地方表面比较平整，导体越尖锐的地方电荷的密度越大，曲率半径大的地方电荷密度比较小，因此空气不容易被击穿，C错误； D．近年来金殿安装了避雷针，带电的雷雨云接近金殿时，由于静电感应，避雷针带上与云层相反的电荷，通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，达到避免雷击的目的。因此“雷火炼殿”的奇观消失了，D正确。 本题选错误的，故选C。 4．在科技馆的静电体验区，当人进入一个金属笼后，用特斯拉线圈产生200多万伏的高压，与金属笼之间发生火花放电，但人在金属笼内是非常安全的。在火花放电过程中（　　） A．笼体不带电荷 B．金属笼内部场强为零 C．人与金属笼内壁接触会发生触电 D．人和笼体带同种电荷 【答案】B 【详解】A．金属笼处于静电平衡，笼体表面有感应电荷，故A错误； B．金属笼内部场强为零，故B正确。 C．体验者与笼体是等势体，体验者与金属笼内壁接触不会形成电流，不会发生触电，故C错误； D．笼体内部没有电场，因此体验者不带电，故D错误。 故选B． 5．从生活走向物理，从物理走向社会，物理和生活息息相关，联系生活实际是学好物理的基础。下列有关电学知识的相关说法正确的是（　　） A．图甲中，静电除尘装置将带负电的尘埃收集在中间的线状电极B上 B．图乙中，家用煤气灶的点火装置是根据尖端放电的原理制成的 C．图丙中，两条优质的话筒线外面包裹着金属外衣增强了导电能力 D．图丁中，工作人员在超高压带电作业时，穿绝缘橡胶服比金属丝编制的工作服更安全 【答案】B 【详解】A．图甲中，静电除尘装置将带负电的尘埃收集在两个带正电的极板A上，选项A错误； B．图乙中，家用煤气灶的点火装置是根据尖端放电的原理制成的，选项B正确； C．图丙中，话筒线外面包裹着金属外衣是利用静电屏蔽，使金属外衣内不受外衣外的电场的干扰，故C错误； D．图丁中，超高压带电作业的工作人员，穿上金属丝制成的衣服，起到静电屏蔽的作用，可以保证安全，故D错误。故选B。 6．在点电荷﹣Q的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆平面与点电荷在同一平面内，则盘上感应电荷在盘中P点所激发的场强E′的方向在图中正确的是（　　） A． B． C． D． 【答案】A 【详解】ABCD．金属圆盘处于静电平衡状态，因此内部每点的合场强都为零，即金属圆盘内的每一点，感应电荷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，即感应电荷的电场线与点电荷﹣Q的电场线重合，且方向相反。负点电荷在P点激发的场强指向负点电荷，所以感应电荷在盘中P点所激发场强E′背离负点电荷。故A正确，BCD错误。 知识梳理与关联 方法与能力提升 疑问与拓展 自我评估 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$