9.4 静电的防止与利用-【志鸿优化训练】2025-2026学年高中物理必修第三册(人教版)

。第九章静电场及其应用 4.静电的防止与利用 学业目标 ·定位 课标要求 核心素养 1.通过对静电场中导体中自由电子运动情况的讨论，了解静 1.知道静电平衡、尖端放电、静电屏蔽、静电吸 电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体的特征。 附。（物理观念） 2.通过实验了解静电平衡时带电导体上电荷的分布特点。 2.知道静电现象在生活、生产和科技方面的应 3.了解尖端放电、静电吸附和静电屏蔽现象，关注生活、生产 用。（科学态度与责任） 中的静电现象。 必备知识 梳理 答案见P307 国知识梳理 电荷。这种现象叫作 一、静电平衡 4.常见的尖端放电现象发生在 1.静电平衡 上。 把不带电的导体放入电场中，由于 三、静电屏蔽 导体中出现与原静电场方向相反的电场。当 1.在静电场中放入一个空腔导体，无论导体外 其与原电场大小相等时，导体内部各点的电 部电场是什么样的，导体内部都 电 场强度E=0,导体内的自由电子不再发生 场，外电场对壳内的仪器 产生影响，金 这时，导体达到静电平衡状态。 属壳的这种作用叫作 。 2.静电平衡状态的特征 2.常见的起到静电屏蔽作用的有 处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强 0 度 四、静电吸附 二、尖端放电 1.静电吸附：在电场中，带电粒子受到静电力的 1.静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，电荷只 作用，向着电极运动，最后被吸附在电极上。 分布在导体的 。 并且在导体外表 2.常见的静电吸附的应用： 面，越 的位置，电荷的密度（单位面积 等。 的电荷量)越大，周围的电场强度 器科学思维 2.电离：在一定条件下，导体尖端周围的强电场 一、思考判断 足以使空气中残留的带电粒子发生剧烈运 1.静电平衡时，导体内的自由电子不再定向移 动，并与空气分子碰撞从而使空气分子中的 动。() 分离。这个现象叫作 2.处于静电平衡状态下的导体内部，外加电场 3.尖端放电：所带电荷与导体尖端的电荷符号 与激发电场的矢量和为零，即导体内部的电 的粒子，由于被 而奔向尖端，与 场强度处处为零。() 尖端上的电荷 ,这相当于导体从尖端 3.静电平衡时，导体内部表现为电中性。电荷都分 25· 物理必修第三册人教版 布在外表面，导体内部没有净剩电荷。() 2.静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的？ 4.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人大地。() 5.用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球 靠近验电器，则验电器箔片能张开。() 3.利用你所学的知识解释为什么化纤衣服很容 6.电工穿的高压作业服是用铜丝编织的，目的是铜 易沾上灰尘？ 丝衣服有屏蔽作用，使体内场强为零。（) 二、思维探究 1.避雷针是保护建筑物的一种设施，其原理是 什么？ 4.列举家庭日常生活中的一些防止静电的妙 招，并解释。（至少解释一个妙招）》 关键能力·探究 答案见P307 探究一、 对静电平衡的理解 自知识深化 1.金属导体的特征 目情境探究 由做热运动的正离子和在它们之间做无规则 如图所示，不带电的金属导体放到电场中，导 热运动的自由电子组成。 体内的自由电子将发生定向移动，使导体两 2.静电感应现象 端出现等量异种电荷。请思考下列问题： 把导体放入电场，导体内的自由电子在静电 力的作用下发生定向移动，而使导体两端出 0 现等量异种电荷的现象。 3.静电平衡时导体的特点 (1)净剩电荷都分布在导体的外表面，导体内 部没有净剩电荷。 (2)导体表面任一点的电场强度方向与该处 (1)自由电子定向移动的原因是什么？定向 的表面垂直。 移动的方向如何？ (3)电荷在导体表面分布不均匀，导体表面尖 (2)自由电子能否一直定向移动？为什么？ 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，如图所示 。26 。第九章静电场及其应用 ⊙典例精析 【典例1】如图所示，在原来不带电的金属细杆 ab附近P处，放置一个正点电荷，当金属杆 甲 达到静电平衡后，下列说法正确的是( (1)图甲中，金属网不接地，验电器的金属箔 是否张开？ A.a端感应出负电荷 B.感应电荷在c点产生的电场强度为零 (2)图乙中，金属网接地，验电器的金属箔是 C.感应电荷在c点产生的电场强度的方向 否张开？ 由b指向a D.两端出现感应电荷是因为导体中的自由 电子向导体右端移动 自知识深化 名师点拔 1.尖端放电的应用和防止 求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产 ①应用：避雷针是利用尖端放电避免建筑物 生的电场强度的方法 遭受雷击的设备；燃气灶中的电子打火器的 (1)先求出外电场的E的大小和方向。 放电电极做成针状，加上电压时更容易产生 (2)由于导体处于静电平衡状态，则满足静 电火花。 电平衡条件E合=0。 ②防止：高压设备中导体的表面要尽量光滑。 (3)由E外十E感=0，求出感应电场E感的大 2.静电屏蔽的实质 小和方向。 静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象，使 [针对训练1]在点电荷一Q的电场中，一 金属壳内感应电荷的电场和外加电场矢量和 金属圆盘处于静电平衡状态，若圆平面与点电荷 为零。好像是金属壳将外电场“挡”在外面， 在同一平面内，则盘上感应电荷在盘中P点所 即所谓的屏蔽作用，其实是壳内两种电场并 激发的场强E的方向在图中正确的是( 存，矢量和为零。 B 3.静电屏蔽的两种情况 项目 屏蔽外电场 屏蔽内电场 0 0 A B 图示 0 因场源电荷产生的电场与 当空腔外部接地时，外 D 导体球壳表面上感应电荷 表面的感应电荷因接地 实现 在空腔内的合电场强度为 传给大地，外部电场消 探究二 尖端放电静电屏蔽 过程 零，达到静电平衡状态，起 失，起到屏蔽内电场的 到屏蔽外电场的作用 作用 目情境探究 最终 导体空腔内部不受外界电 接地导体空腔外部不受 结论 荷影响 内部电荷影响 如图所示，A是带正电的小球，B是金属网， 静电屏蔽是激发电场与感应电场叠加的结果，所以做 本质 C是原来不带电的验电器。 静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体 27· 物理必修第三册人教版 @典例精析 [针对训练2]模拟避雷针作用的实验装置 【典例2】如图所示是闪电击中一高塔的画面， 如图所示，金属板M接高压电源的正极，金属 高塔的尖顶是一避雷针。雷雨天气时，底端 板N接高压电源的负极。金属板N上有两个 带负电的云层经过避雷针上方时，避雷针尖 等高的金属柱A、B,A为尖头，B为圆头。逐渐 端放电形成瞬间强电流，乌云所带的负电荷 升高电源电压，当电压达到一定数值时，可看到 经避雷针导入大地，在此过程中，下列说法 放电现象。下列说法正确的是() 正确的是( N 尖 A.A、B金属柱同时产生放电现象 B.B金属柱先产生放电现象 A.云层靠近避雷针时，针尖感应出负电荷 C.先产生放电现象的可能是A金属柱，也可 B.避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种 能是B金属柱 设施 D.A金属柱先产生放电现象 C.越靠近避雷针尖端，电场强度越小 [针对训练3]如图所示，将悬挂在细线上 D.为了美观，通常把避雷针顶端设计成 的带正电的小球A放在不带电的金属空心球 球形 C内（不与C的内壁接触），在C附近另外有一 【典例3】如图所示，某同学把一不带电的验电 器用金属网罩起来，用带正电的金属小球靠 个悬挂在细线上的带负电的小球B,则( 近金属网但不与网接触，则( A.A、B两球均不偏离竖直方向 B.A球不偏离竖直方向，B球向右偏离竖直 A.验电器箔片张开 方向 B.验电器和金属网之间场强不为零 C.A球向左偏离竖直方向，B球不偏离竖直 C.用一根导线连接金属网的P、Q两点，导 线中有电流通过 方向 D.拿走金属网，验电器铂片张开 D.A球向左偏离竖直方向，B球向右偏离竖 名师点拔 直方向 对静电屏蔽问题的三点提醒 探究三对静电吸附的理解及应用 （1)空腔可以屏蔽外界电场，接地的空腔可 以屏蔽内部的电场，其本质都是因为激发电场 目情境探究 与感应电场叠加的结果，分析中应特别注意是 在玻璃管中心轴上安装一根直导线，玻璃管 哪一部分电场作用，还是合电场作用的结果。 外绕有线圈，直导线的一端和线圈的一端分 (2)对静电感应，要掌握导体内部的自由电 子是如何移动的，是如何建立起感应电场的， 别跟感应圈的两放电柱相连，开始时感应圈 何处会出现感应电荷。 未接通电源，点燃蚊香，让烟通过玻璃管冒 (3)对静电平衡，要理解导体达到静电平衡 出，当感应圈电源接通时，玻璃管中的导线和 时所具有的特点。 管外线圈间就会加上高电压，立即可以看到 ●28 。第九章静电场及其应用 不再有烟从玻璃管中冒出来了。过一会儿还 名师点拔 可以看到管壁吸附了一层烟尘。请思考一下 静电的其他利用 其中的原因。 (1)空气净化器：利用静电来吸附空气中的 尘埃，使空气得以净化； (2)用静电处理种子，可使种子抗病能力增 强、发芽率提高； (3)利用静电处理水，既能杀菌，又能减少 水垢； 自知识深化 (4)静电放电产生的臭氧是强氧化剂，有很 静电的应用和防止 强的杀菌作用。 (1)静电的应用 (5)静电还被应用于海水淡化、低温冷冻、人 利用静电的性质 应用举例 工降雨甚至宇宙探索等方面。 利用静电能吸引较 静电复印、静电喷漆、静电喷雾、 [针对训练4]（多选）滚筒式静电分选器由 小物体 激光打印、静电除尘 料斗A、导板B、导体滚筒C、刮板D、料槽E、F 利用高压产生的 静电保鲜、静电灭菌、农作物种子 电场 处理 和放电针G等部件组成，C与G分别接于直流 利用放电产生物 臭氧防止紫外线、氮合成氨 高压电源的正、负极上，并令C接地。如图所 (2)静电的防止 示，电源电压很高，足以使放电针G附近的空 防止静电危害的基本办法是尽快把产生的静 气发生电离而产生大量离子，现有导电性能不 电导走，避免越积越多。 同的两种物质粉粒a、b的混合物从料斗A下 防止静电的途径主要有： 落，沿导板B到达转动的滚筒C上，粉粒a具 ①避免产生静电，例如，在可能情况下选用不 有良好的导电性，粉粒b具有良好的绝缘性。 易产生静电的材料。 下列说法正确的是() ②避免静电的积累，产生的静电要设法导走， A 例如，增加空气湿度、接地等。 B @典例精析 G 【典例4】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 E F 涂料微粒在强电场的作用下会向工件高速运 A.粉粒a落入料槽F,粉粒b落入料槽E 动，最后被吸附到工件表面。则可知( B.粉粒b落入料槽F,粉粒a落入料槽E 工件 喷枪 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 涂料微粒 D.若滚筒C不接地而放电针G接地，从工作 A.微粒一定带正电 实用角度看，这是不允许的 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 29· 物理必修第三册人教版 随堂演练·达标 答案见P308 1.(多选)小强在加油站加油时，看到加油机上 A.若A球带电，则球壳内的B球处的电场 有如图所示的图标，关于图标涉及的物理知 强度为零 识及其理解。下列说法正确的是( B.若B球带电，则A球处的电场强度不为零 C.若A球和B球均带电，则彼此也不会相互 影响 禁止梳头 禁戴非棉航手套加油 禁穿脱衣服 D.若A球和B球均带电，则由于球壳接地， A球对B球没有影响，但B球对A球有 A.三个图标都是为了防止静电的产生 影响 B.工作人员工作时间须穿绝缘性能良好的 5.一个半径为R,不带电的金属球放置在绝缘 化纤服装 支架上，球心位置为O。带电量为一Q的点 C.化纤手套与接触物容易摩擦起电存在安 电荷放置在与球心的距离为d的位置，如图 全隐患 所示。此时金属球表面产生了感应电荷，下 D.用绝缘的塑料梳子梳头应该没有关系 列说法正确的是( 2.秋冬季节，空气干燥，容易产生静电。有关生 A.O点的电势为零 活中的静电，下列说法错误的是( B.小球中的感应电荷 A.静电复印是利用了静电吸引的原理 -0 总量等于Q B.农业中利用静电喷雾能提高效率和降低 C.感应电荷在O点产 农药的利用 C.运输汽油的油罐车拖着一条铁链，利用了 生的电场强度的大小为 Q 尖端放电的原理 D.感应电荷在O点产生的电场强度的大小 D.在将外衣脱下的过程中，内外衣间摩擦起 电，内衣和外衣所带的电荷是异种电荷 为号 3.在燃气灶上常安装电 6.为了消除和利用烟气中的煤粉，可 子点火器，接通电子线 采用如图所示的静电除尘装置，它 路时产生高电压，通过 是由金属管A和悬在管中的金属 高压放电的电火花来 丝B组成，A接到高压电源正极， 点燃气体。电子点火器的放电电极应该 B接到高压电源负极，且A要接 做成( 地。A、B间有很强的电场，距B A.针尖形 B.圆形 越近电场 (填“越强”或“越弱”)，因此， C.方形 D.椭球形 B附近的空气分子被强电场电离为电子和正 4.（多选)如图所示，绝缘金属 A 离子，正离子跑到B上得到电子又变成空气 球壳的空腔内、外各有一小 分子，电子在奔向A的过程中遇到烟气中的 球B和A,球壳接地。下列 煤粉并附着在煤粉上，使其带负电，吸附到 说法正确的是( ) (填“A”或“B”)上，这样排出的烟就变 清洁了。 ●304.静电的防止与利用 【必备知识·梳理】 [知识梳理] 一、 1.静电感应定向移动 2.处处为0 二、 1.外表面尖锐越大 2.正负电荷空气的电离 3.相反吸引中和失去尖端放电 4.避雷针高压设备 三、 1.不会有不会静电屏蔽 2.金属网罩同轴电缆 四、 2.静电除尘静电喷漆 静电复印 [科学思维] 一、思考判断 1./2./3.√4.×5.×6./ 二、思维探究 提示：1.当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电 感应，金属棒出现与云层相反的电荷。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，使建筑 物避免雷击。 2.处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为 零，即使导体壳外有电场，由于壳内电场强度保持为0， 外电场对壳内的物体不会产生影响。 3.化纤衣服与人体摩擦，摩擦起电，使衣服带有了 电荷，由于带电体能够吸引轻小物体。所以带电的衣服 会将细小的物体灰尘吸附在它上面。 4.冬天使用加湿器，增加空气湿度，使摩擦起电不 易发生并把产生的静电导走。 【关键能力·探究】 探究一 [情境探究] 提示：(1)自由电子受外加电场的静电力作用而移 动，向着与外加电场相反的方向定向移动。 (2)不能。感应电荷产生的电场与外加电场反向， 阻碍电子的定向移动，当这两个电场大小相等时，电子 的定向移动终止。 [典例精析] [典例1]D根据感应起电规律“近异远同”，可知 α端感应出正电荷，A错误；根据处于静电平衡的导体， 探究三 内部场强处处为零的特点可知，感应电荷在c点产生的 [情境探究] 电场强度与正点电荷在该处产生的电场强度大小相等， 提示：当感应圈电源接通时，玻璃管中的导线和管 方向相反，由于正电荷在c点处产生的场强方向由b指 外线圈间就会加上高电压，形成强电场，玻璃管中的空 向a,所以感应电荷在c点产生的电场强度的方向由a 气被电离，烟尘颗粒吸附一定的电子带上负电荷，在强 指向b,B、C错误；两端出现感应电荷是因为导体中的 电场中受静电力作用偏转后被吸咐在带正电的玻璃管 自由电子在正电荷产生的电场作用下，向导体右端移动 壁上。所以，可以看到不再有烟从玻璃管中冒出来了。 从而产生的，D正确。故选D。 [典例精析] [针对训练1]A金属圆盘处于静电平衡状态，因 [典例4幻D带正电的工件由于静电感应电荷分布 此内部每点的合场强都为零，即金属圆盘内的每一点， 在表面，粒子在静电力的作用下运动，故粒子带负电， 感应电荷产生的电场强度都与点电荷一Q在那点产生 A、B错误；微粒受静电力的作用，静电力做正功，动能 的电场强度大小相等、方向相反，即感应电荷的电场线 越来越大，速度越来越大，C错误，D正确。故选D。 与点电荷一Q的电场线重合，且方向相反。负点电荷在 [针对训练4]AD因为C和G分别接在高压电 P点激发的场强指向负点电荷，所以感应电荷在盘中P 源的正、负极上，放电针G附近形成很强的电场，使放 点所激发场强E背离负点电荷。故选A。 电针G附近的空气电离而产生大量离子，其中的负离 探究二 子在奔向正极C的过程中被吸附到粉粒a、b上，a、b因 [情境探究] 吸附负离子而带负电，被吸引到带正电的滚简C上，因 提示：(1)金属网不接地，则通过静电感应达到静电 a具有良好的导电性，a所带电荷被C上的正电荷中和 平衡后，金属网外部有电场，验电器金属箔会张开。 并最终带上和C相同的电荷而被C排斥，落入料槽F, (2)金属网接地后，金属网外部没有电场，则验电器 粉粒b因具有良好的绝缘性，所带负电荷而被不会被中 的金属箔不会张开。 和，和C相互吸引，被吸引到滚筒C上，直到D处被刮 [典例精析] 板刮落而落人料槽E中，A正确，B错误；若滚筒C不 [典例2]B根据同种电荷相互排斥，异种电荷相 接地而放电针G接地，同样能使放电针附近空气电离， 互吸引，可知云层靠近避雷针时，针尖感应出正电荷，A 从工作原理上看是允许的，但滚筒C不接地具有高压， 错误；避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施，不 不安全，从工业实用角度看，这是不允许的，C错误，故 能把避雷针顶端设计成球形，B正确，D错误；由于电荷 D正确。故选AD。 更容易集中到尖端，从而避雷针尖端附近的电场强度比 【随堂演练·达标】 避雷针底端附近的电场强度大，C错误。故选B。 1.AC梳头、戴非棉手套加油、穿脱衣时会产生静电， [典例3]D不带电的验电器用金属网罩起来，金 三个图标都是为了防止静电的产生，A正确；工作人 属网和金属网内的验电器处于静电屏蔽状态，验电器和 员工作时间不能穿绝缘性能良好的化纤服装，不然会 金属网之间场强为零，带正电的金属小球靠近金属网时 产生静电，B错误；化纤手套与接触物容易摩擦起电 验电器箔片不张开。用一根导线连接金属网的P、Q两 存在安全隐患，C正确；绝缘的塑料梳子梳头会产生 点，不会有电流通过，拿走金属网后，根据验电器铂片张 静电，存在安全隐患，D错误。故选AC。 开。故选D。 2.C静电复印是利用了静电吸引的原理，A正确；农 [针对训练2]D根据导体表面尖锐程度越大的 业中利用静电喷雾能提高效率和降低农药的利用，B 地方电荷分布越密集，可知金属柱A尖头处电荷密集， 正确；运输汽油的油罐车拖着一条铁链，是把油罐车 电场强，它与板M之间的空气容易发生电离，从而发生 中的电荷导入大地，C错误；在将外衣脱下的过程中， 尖端放电现象。D正确。故选D。 内外衣间摩擦起电，内衣和外衣所带的电荷是异种电 [针对训练3]B由于静电屏蔽，小球B的电场对 荷，D正确。故选C。 A无影响，小球A不会偏离竖直方向，C、D错误；由于 3.A尖端电荷容易聚集，电子点火器需瞬间高压放 静电感应空心球C的内表面带负电，外表面带正电，小 电，需要高电荷密度区。故安装的电子点火器往往把 球B和空心球C之间异种电荷相吸引，小球B会偏离 放电电极做成针形。故选A。 竖直方向向右靠近C球，A错误，B正确。故选B。 4.AC若A球带电，则B球相当于放置在金属球壳 内，B球处的电场强度为零，故A正确；若B球带电， 则A球相当于放置在金属球壳和大地构成的导体球 壳内，A球处的电场强度也为零，故B错误；由于静 电屏蔽，A、B两球彼此不会相互影响，故C正确，D 错误。故选AC。 5.D由于没有规定何处电势为0，故无法确定O点电 势，A错误；静电感应导致金属球的电荷重新分布，总 电量仍为零，B错误；导体球处于静电平衡时，O点场 强为0，即一Q的点电荷与感应电荷在O点产生的合 场强为0，因此感应电荷在O点产生的电场强大小等 于一Q的点电荷在O点产生的电场强度的大小，而 一Q的点电荷在O点产生的电场强度的大小为E= 是放C错误，D正确。枚选D. 6.【答案】越强A 【解析】A、B间有很强的电场，距B越近电场越强，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，因A带正电，则带负电的煤粉就被 吸附到A上，这样排出的烟就变清洁了。 【章末总结】 [知识整合] ①正②负③相互排斥④相互吸引⑤摩擦 ⑥接触⑦感应⑧创生⑨消灭⑩另一个物体 ①另一部分②总量③代数和④它们的电荷量的 乘积⑤它们的距离的二次方西它们的连线上 ⑦k912⑧9.0×10N·m/C©形状@大小 ④这个电场②②试探电荷所受的静电力与它的电荷量 之比85@正⊙ ，⑥平行四边形⑦电场 强度方向⑧正四负团密①疏②定向⑧处 处为0 [专题研析] [例1]B对E的表达式的单位制进行分析，已知 电场强度E的单位是N/C,k的单位是N·m/C2,o的 单位是C/m2,可知ko的单位是N/C,即为电场强度单 位。所以E的表达式中， 应该无单位，实际其单位却为m,故A、C错误。对电场 强度公式进行极限法分析，x=0时，E。=0,B、D选项中 的表达式均满足E=0;x→∞时，E。=0,根据B选项 中表达式可得E。=0,满足要求，根据D选项中表达式 08