4. 静电的防止与利用（举一反三讲义）物理人教版2019必修第三册

4．静电的防止与利用 目录 【学习目标】 1 【思维导图】 2 【知识梳理】 2 知识点1：静电平衡 2 知识点2：尖端放电、静电屏蔽和静电吸附 4 知识点3：静电屏蔽的两种情况 7 【方法技巧】 9 方法技巧1 感应电荷场强的求解方法 9 方法技巧2 静电屏蔽问题的分析方法 10 【巩固训练】 10 【学习目标】 1．了解静电平衡的概念、静电平衡状态的形成过程，知道处于静电平衡的导体的特性。 2．了解静电平衡时带电导体上电荷的分布特点。 3．了解尖端放电、静电屏蔽现象、静电防止的原理。能运用相关知识分析静电现象，知道静电的防止和利用。 4．知道静电吸附的原理，了解静电在技术中的应用。关注生产、生活中的静电现象，体会物理学与生产和生活的紧密联系。 重点： 1．静电平衡导体的特征、静电现象分析及应用。2．静电平衡、静电屏蔽、静电现象及应用。 难点： 1．静电屏蔽问题分析。2．导体感应电荷的场强求解。 【思维导图】 【知识梳理】 知识点1：静电平衡 1．静电感应现象 如图甲所示，将一不带电的金属导体ABCD放到电场强度为E0的电场中，导体内的自由电子在电场力的作用下向电场线的反方向移动，使导体的一侧聚集负电荷，导体另一侧聚集等量的正电荷，这种现象就是静电感应现象。 2．静电平衡状态 如图乙所示，导体两侧正、负电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场。因与原来的电场方向相反，叠加的结果是使合电场强度逐渐减弱，直到导体内部各点的合电场强度等于零为止，于是导体内的自由电子不再发生定向移动，我们就说导体达到了静电平衡状态，如图丙所示。 3．静电平衡状态的特征 （1）处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为0。 （2）处于静电平衡状态的导体，表面处的电场强度不为零，表面处的电场强度方向跟导体表面垂直。 静电平衡 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0是指外电场E与导体两端的感应电荷产生的附加电场E'的合电场强度为零，E'＝－E。 4．静电平衡时导体电荷分布的特点 （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，而凹陷的位置几乎没有电荷。 【典例1】长为的导体棒原来不带电,现将一个电量为的点电荷放在棒的中心轴线上距离棒的左端处，如图所示。已知静电力常量为，当棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在棒的中点处产生的电场强度大小为（    ） A． B． C． D． 【变式1】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（　　） A． B． C． D． 【变式2】如图所示，长为 l的金属杆原来不带电，在距其右端 d处放一个电荷量为的点电荷， k为静电力常量.则（　　） A．金属杆中点处的电场强度不为零 B．金属杆上的感应电荷产生的电场强度方向向左 C．金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的电场强度大小为 D．金属杆上的感应电荷产生的电场强度与该处到点电荷的距离无关 【变式3】如图，将原来不带电与大地绝缘的导体静置于带正电的点电荷Q所形成的电场中，A、B两点在其表面，C点在其内部，达到静电平衡时，以下正确的是（　　） A．A点一侧表面带正电 B．感应电荷在C点产生的电场为零 C．感应电荷在C点产生的场强大小等于点电荷在C点产生场强的大小 D．若用手触摸一下导体，放手后导体将不带电 知识点2：尖端放电、静电屏蔽和静电吸附 1．尖端放电 （1）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。 （2）尖端放电：带电导体尖端的电荷密度很大，附近的电场很强，足以使空气发生电离，电离产生的带电粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子。那些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。 （3）尖端放电的应用和防止 ①应用：避雷针是利用尖端放电避免建筑物遭受雷击的设备；燃气灶中的电子打火器的放电电极做成针状，加上电压时更容易产生电火花。 ②防止：高压设备中导体的表面要尽量光滑，以减少电能的损失。 2．静电屏蔽 （1）定义：把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，但由于壳内电场强度保持为0，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。 （2）静电屏蔽的实质：静电屏蔽的实质是利用静电感应现象，使金属壳内感应电荷的电场和外加电场的矢量和为零，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。 （3）静电屏蔽的应用 电学仪器和电子设备外面会有金属罩，通讯电缆外面包一层铅皮，可以防止外电场的干扰；电工高压带电作业时，穿戴由金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋子，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全作业 （4）静电屏蔽的危害 电学仪器和电子设备外面会有金属罩，通讯电缆外面包一层铅皮，可以防止外电场的干扰；电工高压带电作业时，穿戴由金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋子，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全作业。 3．静电吸附 （1）静电吸附原理：在电场中，带电粒子受到电场力的作用，向着电极运动，最后被吸附在电极上。 （2）静电吸附应用实例 ①静电除尘：含尘气体经过高压静电场时被电离为正离子和电子，电子奔向正极过程中遇到尘粒，使尘粒带负电吸附到正极被收集，达到清洁空气的目的。 ②静电喷漆：雾化的油漆微粒在直流高压（80~90kV）电场中带负电荷，在静电力作用下，油漆微粒飞向带正电荷的工件表面，形成漆膜，此过程称为静电喷漆。 ③静电复印：复印机也应用了静电吸附。复印机的核心部件是有机光导体鼓它是一个金属圆柱，表面涂覆有机光导体（OPC）。没有光照时，OPC是绝缘体，受到光照时变成导体，复印机复印的工作过程如图所示。 【典例2】下列对于与静电现象有关的四幅图的说法正确的是（　　） A．甲图中，尺子吸收轻小纸片是因为尺子对小纸片有粘滞力 B．乙图中，导线外包裹一层金属编织网是为了增加导线的强度，使其不易被拉坏 C．丙图中，避雷针的工作原理是通过尖端放电，金属棒上的电荷向大气释放，中和空气中的电荷 D．丁图中，工人进行超高压带电作业，穿戴的工作服是由铁甲制成，起静电屏蔽的作用 【典例3】（多选）关于静电的利用与防护，下列说法正确的是（　　） A．静电除尘器利用了静电吸附 B．在建筑物顶端安装的避雷针利用了静电吸附 C．燃气灶电子点火器的电极采用针尖状设计利用了静电屏蔽 D．超高压带电作业的工人穿戴的工作服包含金属丝利用了静电屏蔽 【变式1】静电喷涂机原理如图所示，静电喷涂机接高压电源，工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动，微粒最后被吸附到工件表面。关于静电喷涂机的涂料微粒，下列表述正确的有（　　） A．微粒带正电 B．微粒带负电 C．微粒受到的电场力不变 D．微粒在运动过程中，速率减小 【变式2】如图是静电除尘装置的示意图，烟气从管口M进入，从管口N排出，当金属丝A、B两端接直流高压电源后，可实现减少排放烟气中粉尘的目的。为提高除尘的效率，A端应接直流高压电源的 （选填：A．正极 B．负极），在除尘过程中，粉尘吸附的是空气分子在强电场作用下电离生成的 （选填：A．阳离子 B．电子）。 【变式3】关于静电现象，下列说法正确的是（　　） A．图甲：避雷针应用了静电吸附 B．图乙：加油站里静电释放器应用了静电屏蔽 C．图丙：高压作业电工穿含金属织物的防护服应用了静电屏蔽 D．图丁：科技馆中起电机使人体的头发竖起来应用了尖端放电 知识点3：静电屏蔽的两种情况 1．导体外部的电场影响不到导体内部（外屏蔽） （1）现象：把验电器靠近带电体，箔片会张开，如图甲所示，但如果把验电器置于金属网罩内，如图乙所示，再靠近带电体，箔片不再张开，说明网罩内不受外电场的影响。 （2）本质：由于静电感应，外加电场与导体的感应电场在导体内部任一点的合场强为零。 2．接地导体的内部电场影响不到导体外部（全屏蔽） （1）现象：一封闭的导体球壳内部空间有一点电荷＋q，由于静电感应，导体球壳内外表面感应出等量的异种电荷，其电场线分布如图甲所示。 当把导体球壳接地后，点电荷＋q在球壳内的电场对外部空间就没有影响了，此时的电场线分布如图乙所示。 （2）本质：接地导体的内部电场不影响导体外部，是因为导体外部的感应电荷都被导入大地，在只有源电荷和内壁感应出的异种电荷的情况下，两部分电荷在导体外部任何一点的场强叠加后为零。 【典例4】如图所示，用金属网把不带电的验电器罩起来，再使带电金属球靠近金属网，则下列说法正确的是（　　） A．箔片张开 B．箔片不张开 C．金属球带电荷量足够大时才会张开 D．金属网罩内部电场强度不为零 【变式1】以下关于静电屏蔽实验说法中正确的是（　　） A．甲图中验电器的金属箔张开 B．乙图中验电器的金属箔不会张开 C．丙图中验电器的金属箔不会张开 D．甲、乙、丙三图中验电器的金属箔都张开 【变式2】如图所示，验电器A不带电，验电器B上装有带孔的空心金属球C，金属球C带电。D是带有绝缘手柄的金属小球，可以从C上方的小孔进入其内部。下列说法正确的是（　　） A．图甲中，使D跟C的外部接触，再让D跟A靠近时，A的箔片张开 B．图甲中，使D跟C的外部接触，再让D跟A接触时，A的箔片不张开 C．图乙中，使D跟C的内部接触，再让D跟A靠得更近些，A的箔片张开 D．图乙中，使D跟C的内部接触，再让D跟A接触，重复多次后，A的箔片张开 【变式3】如图所示，接地的空心金属球壳的右侧放有带正电的小球Q，金属球壳达到静电平衡后，A、B、C三个点处的电场强度大小分别为、、，则下列说法正确的是（　　） A． B． C．金属球壳左侧外表面带正电 D．金属球壳内侧带正电 【方法技巧】 方法技巧1 感应电荷场强的求解方法 1、运用求出外电场场强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。 方法技巧2 静电屏蔽问题的分析方法 静电屏蔽的本质是静电感应，从现象上看为导体处于静电平衡状态，因此，分析此类问题的依据是静电平衡的特点，另外再结合场强、电势以及电场线的概念和特点求解。 （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与感应电场叠加的结果，分析时应特别注意分清是哪一部分电场或者是合电场作用的结果。 （2）对静电感应，要掌握导体内部的自由电荷是如何移动的，是如何建立起附加电场的，何处会出现感应电荷。 （3）对静电平衡，要理解导体达到静电平衡时所具有的特点。 【巩固训练】 1．关于静电屏蔽，下列说法不正确的是（　　） A．法拉第曾经做了一个法拉第笼实验，该实验说明静电屏蔽可以使金属壳内部不受外部电场的影响 B．避雷针利用静电屏蔽实现了避免建筑物遭到雷击 C．要实现静电屏蔽不一定要用封闭的金属容器 D．三条高压输电线上方的两条接地导线起到静电屏蔽作用 2．研究静电除尘的实验装置如图所示，金属板和金属针分别与电源的正极、负极相连，带负电的尘埃会向金属板运动并吸附到金属板上。图中的实线为电场线，下列说法正确的是（　　） A．带电尘埃一定沿着电场线运动 B．同一带电尘埃在M点的加速度小于在点的加速度 C．M点和点的电场强度相同 D．金属板附近的空气中的气体分子更容易被电离 3．关于静电的利用与防范，下列说法正确的是（　　） A．印染厂应保持空气干燥，避免静电积累带来的潜在危害 B．超高压带电工人穿戴的工作服选用含金属的材料是为了静电屏蔽 C．油罐车在运输过程中会带静电，为避免电荷越积越多，油罐车应绝缘良好 D．燃气灶上的电子点火器电极做成针尖状，是利用了静电屏蔽 4．如图所示，感应起电实验中，带正电小球C靠近不带电的枕形体时，枕形体的A、B两端箔片张开。下列说法正确的是（　　） A．枕形体A、B可以采用绝缘材料制作 B．枕形体内部的正、负电荷同时分别向B端和A端移动 C．若先将C拿走，再将A、B分开，则枕形体的A端和B端箔片均闭合 D．感应起电后感应电荷在枕形体内部产生的场强处处为零 5．如图所示，不带电的半径为r的空心金属球放在绝缘支架上，右侧放一个电荷量为+Q的点电荷，点电荷到金属球球心的距离为3r，达到静电平衡后，下列说法正确的是（　　） A．金属球的左侧感应出负电荷，右侧感应出正电荷 B．点电荷Q在金属球内产生的电场的场强处处为零 C．若用导线连接球的左右两侧，球两侧都不带电 D．感应电荷在金属球球心处产生的电场强度大小为 6．武当山主峰上有一座金殿，常出现雷火炼殿的奇观：在雷雨交加时，屋顶常会出现盆大的火球，来回滚动。雨过天晴时，大殿屋顶金光灿灿，像被重新炼洗过一般，如图所示。下列说法正确的是（    ） A．金殿是由绝缘体构成的 B．金殿顶部肯定很少有带尖的结构，不易放电 C．出现雷火炼殿现象时，大殿内会产生很强的电场 D．金殿如果安装了避雷针，雷火炼殿现象仍会经常出现 7．小明学习静电现象时，做了以下实验： （1）如图甲所示，取一对用绝缘柱支持的导体和B，使它们彼此接触。起初它们不带电，贴在下部的金属箔片均是闭合的。先把带正电荷的物体C移近导体A，B导体的金属箔片 ；接着保持C位置不动，用手摸一下导体B，然后移走B，B导体的金属箔片 。（均选填“张开”或“闭合”） （2）用金属网把验电器罩起来，再使带电荷量为的金属球（可看成点电荷）靠近验电器，如图乙所示，箔片 （选填“张开”或“闭合”），分析可知，当达到静电平衡时（已知静电力常量为，金属网内与点电荷相距处点的电场强度大小为 。 8．如图所示，长为l的金属杆原来不带电，在距其右端d处放一个电荷量为＋2q的点电荷。 （1）金属杆中点处的电场强度为多少？ （2）金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的电场强度的大小和方向？ 9．如图所示，在真空中有两个点电荷A和B，电荷量分别为和，它们相距。如果在两点电荷连线的中点O处有一个半径为r（）的空心金属球，且球心位于O点。求： （1）球心O处的电场强度； （2）球壳上的感应电荷在球心O处产生的电场强度。 / 学科网（北京）股份有限公司 $ 4．静电的防止与利用 目录 【学习目标】 1 【思维导图】 2 【知识梳理】 2 知识点1：静电平衡 2 知识点2：尖端放电、静电屏蔽和静电吸附 5 知识点3：静电屏蔽的两种情况 9 【方法技巧】 12 方法技巧1 感应电荷场强的求解方法 12 方法技巧2 静电屏蔽问题的分析方法 13 【巩固训练】 13 【学习目标】 1．了解静电平衡的概念、静电平衡状态的形成过程，知道处于静电平衡的导体的特性。 2．了解静电平衡时带电导体上电荷的分布特点。 3．了解尖端放电、静电屏蔽现象、静电防止的原理。能运用相关知识分析静电现象，知道静电的防止和利用。 4．知道静电吸附的原理，了解静电在技术中的应用。关注生产、生活中的静电现象，体会物理学与生产和生活的紧密联系。 重点： 1．静电平衡导体的特征、静电现象分析及应用。2．静电平衡、静电屏蔽、静电现象及应用。 难点： 1．静电屏蔽问题分析。2．导体感应电荷的场强求解。 【思维导图】 【知识梳理】 知识点1：静电平衡 1．静电感应现象 如图甲所示，将一不带电的金属导体ABCD放到电场强度为E0的电场中，导体内的自由电子在电场力的作用下向电场线的反方向移动，使导体的一侧聚集负电荷，导体另一侧聚集等量的正电荷，这种现象就是静电感应现象。 2．静电平衡状态 如图乙所示，导体两侧正、负电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场。因与原来的电场方向相反，叠加的结果是使合电场强度逐渐减弱，直到导体内部各点的合电场强度等于零为止，于是导体内的自由电子不再发生定向移动，我们就说导体达到了静电平衡状态，如图丙所示。 3．静电平衡状态的特征 （1）处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为0。 （2）处于静电平衡状态的导体，表面处的电场强度不为零，表面处的电场强度方向跟导体表面垂直。 静电平衡 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0是指外电场E与导体两端的感应电荷产生的附加电场E'的合电场强度为零，E'＝－E。 4．静电平衡时导体电荷分布的特点 （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，而凹陷的位置几乎没有电荷。 【典例1】长为的导体棒原来不带电,现将一个电量为的点电荷放在棒的中心轴线上距离棒的左端处，如图所示。已知静电力常量为，当棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在棒的中点处产生的电场强度大小为（    ） A． B． C． D． 【答案】A 【解析】当棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在棒的中点处产生的电场强度大小与+q在O点产生的电场强度大小相等，方向相反，即，故选A。 【变式1】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（　　） A． B． C． D． 【答案】A 【解析】导体处于静电平衡状态时，导体内部场强处处为0，感应电荷在导体内部某处产生的电场与场源电荷Q在此处产生的电场强度大小相等，方向相反。 故选A。 【变式2】如图所示，长为 l的金属杆原来不带电，在距其右端 d处放一个电荷量为的点电荷， k为静电力常量.则（　　） A．金属杆中点处的电场强度不为零 B．金属杆上的感应电荷产生的电场强度方向向左 C．金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的电场强度大小为 D．金属杆上的感应电荷产生的电场强度与该处到点电荷的距离无关 【答案】C 【解析】A．金属杆达到静电平衡后，杆内场强处处为零，故A错误； BCD．金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的场强与一带电量为q的点电荷在该处产生的电场强度大小相等，大小为 方向相反，正点电荷在该点产生的电场强度方向向左，故金属杆上的感应电荷产生的电场强度方向向右，且金属杆上的感应电荷产生的电场强度与该处到点电荷的距离有关，故BD错误，C正确。 故选C。 【变式3】如图，将原来不带电与大地绝缘的导体静置于带正电的点电荷Q所形成的电场中，A、B两点在其表面，C点在其内部，达到静电平衡时，以下正确的是（　　） A．A点一侧表面带正电 B．感应电荷在C点产生的电场为零 C．感应电荷在C点产生的场强大小等于点电荷在C点产生场强的大小 D．若用手触摸一下导体，放手后导体将不带电 【答案】C 【解析】A．静电感应时，导体离场源的近端感应异种电荷，远端感应同种电荷，A点一侧属于近端则表面带负电，故A错误； BC．静电平衡后，感应电荷在C点产生的场强和点电荷在C点产生场强等大反向，而C点的总场强为零，故B错误，C正确； D．若用手触摸一下导体，只有导体近端带负电荷，远端在地球带正电，放手后导体将只带负电，故D错误； 故选C。 知识点2：尖端放电、静电屏蔽和静电吸附 1．尖端放电 （1）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。 （2）尖端放电：带电导体尖端的电荷密度很大，附近的电场很强，足以使空气发生电离，电离产生的带电粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子。那些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。 （3）尖端放电的应用和防止 ①应用：避雷针是利用尖端放电避免建筑物遭受雷击的设备；燃气灶中的电子打火器的放电电极做成针状，加上电压时更容易产生电火花。 ②防止：高压设备中导体的表面要尽量光滑，以减少电能的损失。 2．静电屏蔽 （1）定义：把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，但由于壳内电场强度保持为0，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。 （2）静电屏蔽的实质：静电屏蔽的实质是利用静电感应现象，使金属壳内感应电荷的电场和外加电场的矢量和为零，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。 （3）静电屏蔽的应用 电学仪器和电子设备外面会有金属罩，通讯电缆外面包一层铅皮，可以防止外电场的干扰；电工高压带电作业时，穿戴由金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋子，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全作业 （4）静电屏蔽的危害 电学仪器和电子设备外面会有金属罩，通讯电缆外面包一层铅皮，可以防止外电场的干扰；电工高压带电作业时，穿戴由金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋子，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全作业。 3．静电吸附 （1）静电吸附原理：在电场中，带电粒子受到电场力的作用，向着电极运动，最后被吸附在电极上。 （2）静电吸附应用实例 ①静电除尘：含尘气体经过高压静电场时被电离为正离子和电子，电子奔向正极过程中遇到尘粒，使尘粒带负电吸附到正极被收集，达到清洁空气的目的。 ②静电喷漆：雾化的油漆微粒在直流高压（80~90kV）电场中带负电荷，在静电力作用下，油漆微粒飞向带正电荷的工件表面，形成漆膜，此过程称为静电喷漆。 ③静电复印：复印机也应用了静电吸附。复印机的核心部件是有机光导体鼓它是一个金属圆柱，表面涂覆有机光导体（OPC）。没有光照时，OPC是绝缘体，受到光照时变成导体，复印机复印的工作过程如图所示。 【典例2】下列对于与静电现象有关的四幅图的说法正确的是（　　） A．甲图中，尺子吸收轻小纸片是因为尺子对小纸片有粘滞力 B．乙图中，导线外包裹一层金属编织网是为了增加导线的强度，使其不易被拉坏 C．丙图中，避雷针的工作原理是通过尖端放电，金属棒上的电荷向大气释放，中和空气中的电荷 D．丁图中，工人进行超高压带电作业，穿戴的工作服是由铁甲制成，起静电屏蔽的作用 【答案】C 【解析】A．尺子吸收轻小纸片是因为尺子与轻小纸片带异种电荷而相互吸引，故A错误； B．导线外包裹一层金属编织网是为了形成静电屏蔽，保护导线不受外界电场影响，故B错误； C．避雷针的工作原理是通过尖端放电，金属棒上的电荷向大气释放，中和空气中的电荷，故C正确； D．工人进行超高压带电作业，穿戴的工作服是由含金属丝的织物制成，起静电屏蔽的作用，故D错误。 故选C。 【典例3】（多选）关于静电的利用与防护，下列说法正确的是（　　） A．静电除尘器利用了静电吸附 B．在建筑物顶端安装的避雷针利用了静电吸附 C．燃气灶电子点火器的电极采用针尖状设计利用了静电屏蔽 D．超高压带电作业的工人穿戴的工作服包含金属丝利用了静电屏蔽 【答案】AD 【解析】A．静电除尘器利用了静电吸附，故A正确； B．在建筑物顶端安装的避雷针利用了尖端放电，故B错误； C．燃气灶电子点火器的电极采用针尖状设计利用了尖端放电，故C错误； D．超高压带电作业的工人穿戴的工作服包含金属丝利用了静电屏蔽，故D正确。 故选AD。 【变式1】静电喷涂机原理如图所示，静电喷涂机接高压电源，工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动，微粒最后被吸附到工件表面。关于静电喷涂机的涂料微粒，下列表述正确的有（　　） A．微粒带正电 B．微粒带负电 C．微粒受到的电场力不变 D．微粒在运动过程中，速率减小 【答案】B 【解析】AB．带正电的工件由于静电感应电荷分布在表面，带负电的粒子在库仑引力的作用下运动，微粒带负电，选项A错误，B正确； C．运动过程中，由于电场强度不断变化，则粒子受电场力不断变化，选项C错误； D．微粒在运动过程中，电场力做正功，则速率增加，选项D错误。 故选B。 【变式2】如图是静电除尘装置的示意图，烟气从管口M进入，从管口N排出，当金属丝A、B两端接直流高压电源后，可实现减少排放烟气中粉尘的目的。为提高除尘的效率，A端应接直流高压电源的 （选填：A．正极 B．负极），在除尘过程中，粉尘吸附的是空气分子在强电场作用下电离生成的 （选填：A．阳离子 B．电子）。 【答案】B B 【解析】[1]在电场作用下，管道内的空气分子被电离为电子和正离子，而粉尘吸附了电子后附着在金属管壁上，从而达到减少排放烟气中粉尘的目的，由此可知，A端与金属丝相连，A端应接直流高压电源的负极。 故选B。 [2]在除尘过程中，粉尘吸附的是空气分子在强电场作用下电离生成的电子。 故选B。 【变式3】关于静电现象，下列说法正确的是（　　） A．图甲：避雷针应用了静电吸附 B．图乙：加油站里静电释放器应用了静电屏蔽 C．图丙：高压作业电工穿含金属织物的防护服应用了静电屏蔽 D．图丁：科技馆中起电机使人体的头发竖起来应用了尖端放电 【答案】C 【解析】A．图甲：避雷针应用了尖端放电原理，故A错误； B．图乙：加油站里静电释放器应用了接触起电现象，其目的是导走人身上的静电，故B错误； C．图丙：高压作业电工穿含金属织物的防护服应用了静电屏蔽，故C正确； D．图丁：科技馆中起电机使人体的头发竖起来应用了头发上面带同种电荷而相互排斥，故D错误。 故选C。 知识点3：静电屏蔽的两种情况 1．导体外部的电场影响不到导体内部（外屏蔽） （1）现象：把验电器靠近带电体，箔片会张开，如图甲所示，但如果把验电器置于金属网罩内，如图乙所示，再靠近带电体，箔片不再张开，说明网罩内不受外电场的影响。 （2）本质：由于静电感应，外加电场与导体的感应电场在导体内部任一点的合场强为零。 2．接地导体的内部电场影响不到导体外部（全屏蔽） （1）现象：一封闭的导体球壳内部空间有一点电荷＋q，由于静电感应，导体球壳内外表面感应出等量的异种电荷，其电场线分布如图甲所示。 当把导体球壳接地后，点电荷＋q在球壳内的电场对外部空间就没有影响了，此时的电场线分布如图乙所示。 （2）本质：接地导体的内部电场不影响导体外部，是因为导体外部的感应电荷都被导入大地，在只有源电荷和内壁感应出的异种电荷的情况下，两部分电荷在导体外部任何一点的场强叠加后为零。 【典例4】如图所示，用金属网把不带电的验电器罩起来，再使带电金属球靠近金属网，则下列说法正确的是（　　） A．箔片张开 B．箔片不张开 C．金属球带电荷量足够大时才会张开 D．金属网罩内部电场强度不为零 【答案】B 【解析】静电屏蔽是为了避免外界电场对仪器设备的影响，或者为了避免电器设备的电场对外界的影响，用一个空腔导体把外电场遮住，使其内部不受影响，也不使电器设备对外界产生影响，用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，由于金属网的静电屏蔽作用，箔片不张开，金属网罩内部电场强度为零，B正确，ACD错误。 故选B。 【变式1】以下关于静电屏蔽实验说法中正确的是（　　） A．甲图中验电器的金属箔张开 B．乙图中验电器的金属箔不会张开 C．丙图中验电器的金属箔不会张开 D．甲、乙、丙三图中验电器的金属箔都张开 【答案】C 【解析】AD．甲中不会张开，金属网可以屏蔽外电场，故AD错误； B．乙中会张开，因为金属网未接地，网内的带电体可以对外界产生影响，故B错误； C．丙中不会张开，因为金属网已接地，网内的带电体对网外无影响，网外的带电体对网内也无影响，故C正确。 故选C。 【变式2】如图所示，验电器A不带电，验电器B上装有带孔的空心金属球C，金属球C带电。D是带有绝缘手柄的金属小球，可以从C上方的小孔进入其内部。下列说法正确的是（　　） A．图甲中，使D跟C的外部接触，再让D跟A靠近时，A的箔片张开 B．图甲中，使D跟C的外部接触，再让D跟A接触时，A的箔片不张开 C．图乙中，使D跟C的内部接触，再让D跟A靠得更近些，A的箔片张开 D．图乙中，使D跟C的内部接触，再让D跟A接触，重复多次后，A的箔片张开 【答案】A 【解析】A．空腔导体带电时净电荷分布于金属球外侧，内部不带电，故让D先接触金属球C的外部，则D带上电荷，再让D跟A靠近时，由于发生静电感应，A的箔片张开，故A正确； B．让D先接触金属球C的外部，则D带上电荷，再让D跟A接触时，A的箔片张开，故B错误； C．让不带电的D先跟C的内部接触，因为C的内部不带电，所以D始终不带电，再让D跟A靠得更近些，A的箔片始终不张开，故C错误； D．让不带电的D先跟C的内部接触，因为C的内部不带电，所以D始终不带电，再让D跟A接触，A的箔片始终不张开，故D错误。 故选A。 【变式3】如图所示，接地的空心金属球壳的右侧放有带正电的小球Q，金属球壳达到静电平衡后，A、B、C三个点处的电场强度大小分别为、、，则下列说法正确的是（　　） A． B． C．金属球壳左侧外表面带正电 D．金属球壳内侧带正电 【答案】B 【解析】AB．C点处于点电荷和感应电荷产生的电场中，所以C 点的电场强度不等于零；金属空心导体放在点电荷的电场中，出现静电感应现象，最终处于静电平衡状态，导体内部的场强处处为零，所以B、A两点的电场强度都为零，则，故A错误，B正确； C．如果不接地金属球右侧外表面感应出负电荷，左侧外表面感应出正电荷，左侧与大地相连，大地的电子与左侧外表面正电荷中和，因此左侧外表面不带电。选项C错误； D．处于静电平衡的导体的电势处处相等，其内表面不带电，故选项D错误。 故选B。 【方法技巧】 方法技巧1 感应电荷场强的求解方法 1、运用求出外电场场强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。 方法技巧2 静电屏蔽问题的分析方法 静电屏蔽的本质是静电感应，从现象上看为导体处于静电平衡状态，因此，分析此类问题的依据是静电平衡的特点，另外再结合场强、电势以及电场线的概念和特点求解。 （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与感应电场叠加的结果，分析时应特别注意分清是哪一部分电场或者是合电场作用的结果。 （2）对静电感应，要掌握导体内部的自由电荷是如何移动的，是如何建立起附加电场的，何处会出现感应电荷。 （3）对静电平衡，要理解导体达到静电平衡时所具有的特点。 【巩固训练】 1．关于静电屏蔽，下列说法不正确的是（　　） A．法拉第曾经做了一个法拉第笼实验，该实验说明静电屏蔽可以使金属壳内部不受外部电场的影响 B．避雷针利用静电屏蔽实现了避免建筑物遭到雷击 C．要实现静电屏蔽不一定要用封闭的金属容器 D．三条高压输电线上方的两条接地导线起到静电屏蔽作用 【答案】B 【解析】A．法拉第曾经做了一个法拉第笼实验，该实验说明静电屏蔽可以使金属壳内部不受外部电场的影响，故A正确，不满足题意要求； B．当带电云层靠近建筑物时，由于越尖的地方，电场强度越强，避雷针上产生的感应电荷会通过针尖放电，逐渐中和云中的电荷，使建筑物免遭雷击，其原理为尖端放电，故B错误，满足题意要求； C．要实现静电屏蔽不一定要用封闭的金属容器，比如金属网等非封闭导体也可屏蔽，故C正确，不满足题意要求； D．野外高压输电线受到雷击的可能性很大，所以在三条输电线的上方还有两条导线，它们与大地相连，形成一个稀疏的金属“网”，把高压线屏蔽起来，免遭雷击，故D正确，不满足题意要求。 故选B。 2．研究静电除尘的实验装置如图所示，金属板和金属针分别与电源的正极、负极相连，带负电的尘埃会向金属板运动并吸附到金属板上。图中的实线为电场线，下列说法正确的是（　　） A．带电尘埃一定沿着电场线运动 B．同一带电尘埃在M点的加速度小于在点的加速度 C．M点和点的电场强度相同 D．金属板附近的空气中的气体分子更容易被电离 【答案】B 【解析】A．尘埃带电后带负电，受与场强方向相反的电场力，将向集尘板运动，除沿着竖直电场线方向运动的带电尘埃受到的电场力与速度方向相同而沿电场线运动外，其它方向的带电尘埃由于受到电场力方向时刻变化，与速度方向不同，因此尘埃不会沿电场线运动到达集尘板，故A错误； B．由图可知，P点电场线比M点密集，因此P点电场强度比M点的大，所以同一带电尘埃在M点的加速度小于在点的加速度，故B正确； C．由图可知，M点电场线比N点密集，因此M点电场强度比N点的大，而M点与N点的切线方向不同，即两点的电场强度方向不同，故C错误； D．由图可知金属针附近的空气中的气体分子更容易被电离，故D错误。 故选B。 3．关于静电的利用与防范，下列说法正确的是（　　） A．印染厂应保持空气干燥，避免静电积累带来的潜在危害 B．超高压带电工人穿戴的工作服选用含金属的材料是为了静电屏蔽 C．油罐车在运输过程中会带静电，为避免电荷越积越多，油罐车应绝缘良好 D．燃气灶上的电子点火器电极做成针尖状，是利用了静电屏蔽 【答案】B 【解析】A．印染厂的车间，有大量静电产生，因此要保持潮湿，这样才能及时将静电导走，故A错误； B．超高压带电工人穿戴的工作服选用含金属的材料构成金属网，起到静电屏蔽的作用，故选B； C．油罐车在运输过程中会带静电，为避免电荷越积越多，油罐车应及时的把产生的静电导走，有利于消除静电，故C错误； D．电子点火器需要瞬间高压放电，尖端电荷更容易聚集，所以燃气灶上的电子点火器电极做成针尖状，是利用了尖端放电，故D错误。 故选B。 4．如图所示，感应起电实验中，带正电小球C靠近不带电的枕形体时，枕形体的A、B两端箔片张开。下列说法正确的是（　　） A．枕形体A、B可以采用绝缘材料制作 B．枕形体内部的正、负电荷同时分别向B端和A端移动 C．若先将C拿走，再将A、B分开，则枕形体的A端和B端箔片均闭合 D．感应起电后感应电荷在枕形体内部产生的场强处处为零 【答案】C 【解析】A．枕形体A、B不可以采用绝缘材料制作，否则实验现象会消失，故A错误； B．金属中能自由移动的是负电荷电子，正电荷不能移动，故B错误； C．先拿走C，再分开A、B，两端的异种电荷会中和，则A、B均不带电，则枕形体的A端和B端箔片均闭合，故C正确； D．感应起电后感应电荷在枕形体内部产生的场强不为零，根据静电屏蔽可知，内部合场强为0，故D错误。 故选C。 5．如图所示，不带电的半径为r的空心金属球放在绝缘支架上，右侧放一个电荷量为+Q的点电荷，点电荷到金属球球心的距离为3r，达到静电平衡后，下列说法正确的是（　　） A．金属球的左侧感应出负电荷，右侧感应出正电荷 B．点电荷Q在金属球内产生的电场的场强处处为零 C．若用导线连接球的左右两侧，球两侧都不带电 D．感应电荷在金属球球心处产生的电场强度大小为 【答案】D 【解析】A．金属球发生静电感应，靠近点电荷的一侧带异种电荷，远离的一侧带同种电荷，所以金属球的右侧感应出负电荷，左侧感应出正电荷，A错误； B．静电平衡的导体内部场强处处为零，所以是点电荷和感应电荷在金属球内产生的合场强为零，B错误； C．用导线连接球的左右两侧，由于静电感应现象，球依然左侧感应出正电荷，右侧感应出负电荷，C错误； D．静电平衡的导体内部场强处处为零，点电荷在球心处产生的场强大小为 所以感应电荷在金属球球心处产生的电场强度大小也为 方向与点电荷产生的场强方向相反，D正确。 故选D。 6．武当山主峰上有一座金殿，常出现雷火炼殿的奇观：在雷雨交加时，屋顶常会出现盆大的火球，来回滚动。雨过天晴时，大殿屋顶金光灿灿，像被重新炼洗过一般，如图所示。下列说法正确的是（    ） A．金殿是由绝缘体构成的 B．金殿顶部肯定很少有带尖的结构，不易放电 C．出现雷火炼殿现象时，大殿内会产生很强的电场 D．金殿如果安装了避雷针，雷火炼殿现象仍会经常出现 【答案】B 【解析】AC．雷雨天气时，金殿上空聚集大量电荷，金殿是一个优良导体，由于静电屏蔽作用，大殿内的场强为零，故AC错误； B．金殿顶部如果有较多带尖的结构，尖端放电效果明显，则无法观测到雷火炼殿现象，因此可以断定金殿顶部肯定很少有带尖的结构，不易放电，故B正确； D．金殿如果安装了避雷针，雷雨天气时金殿上空聚集的电荷将被导入大地，将不会出现雷火炼殿现象，故D错误。 故选B 7．小明学习静电现象时，做了以下实验： （1）如图甲所示，取一对用绝缘柱支持的导体和B，使它们彼此接触。起初它们不带电，贴在下部的金属箔片均是闭合的。先把带正电荷的物体C移近导体A，B导体的金属箔片 ；接着保持C位置不动，用手摸一下导体B，然后移走B，B导体的金属箔片 。（均选填“张开”或“闭合”） （2）用金属网把验电器罩起来，再使带电荷量为的金属球（可看成点电荷）靠近验电器，如图乙所示，箔片 （选填“张开”或“闭合”），分析可知，当达到静电平衡时（已知静电力常量为，金属网内与点电荷相距处点的电场强度大小为 。 【答案】（1）张开 张开 （2）闭合 0 【解析】（1）[1]起初导体A和B不带电，先把带正电荷的物体C移近导体A，发生静电感应现象，则A端带负电，B端带正电，金属箔片张开； [2]接着保持C位置不动，用手摸一下导体B，导体、人和大地形成了新的巨大导体，此时A端和B端都是近端，都带负电，此时远端在地球另一端，带正电，然后移走B，B带负电，则B导体的金属箔片张开。 （2）[1][2]根据静电屏蔽原理可知，由于金属网的静电屏蔽使得金属网内场强为0，验电器的金属球不带电，验电器的金属箔片闭合。当达到静电平衡时（已知静电力常量为，金属网内与点电荷相距处点的电场强度大小为0。 8．如图所示，长为l的金属杆原来不带电，在距其右端d处放一个电荷量为＋2q的点电荷。 （1）金属杆中点处的电场强度为多少？ （2）金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的电场强度的大小和方向？ 【答案】（1）0；（2），水平向右 【解析】（1）水平导体棒当达到静电平衡后，棒上感应电荷在金属杆中点处产生的场强大小与一带电量为+2q的点电荷在该处产生的电场强度大小相等，则该处的电场强度为零。 （2）金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的场强与一带电量为+2q的点电荷在该处产生的电场强度大小相等，方向相反，即方向水平向右 大小为 9．如图所示，在真空中有两个点电荷A和B，电荷量分别为和，它们相距。如果在两点电荷连线的中点O处有一个半径为r（）的空心金属球，且球心位于O点。求： （1）球心O处的电场强度； （2）球壳上的感应电荷在球心O处产生的电场强度。 【答案】（1）0；（2），沿AB连线向右 【解析】（1）空心金属球处于静电平衡状态，所以其球心O点的场强为0； （2）两个点电荷A和B在O点处产生的合场强大小为 方向向左，根据静电平衡导体的特点可知，球壳上的感应电荷在O点处的场强大小与两个点电荷A和B在O点处产生的合场强大小相等，方向相反，则球壳上的感应电荷在O点处的场强大小为 方向向右。 / 学科网（北京）股份有限公司 $