第1章 第5节 静电的利用与防护(Word教参)-【步步高】2024-2025学年高一物理必修第三册学习笔记（鲁科版）

本讲义聚焦静电的利用与防护核心知识点，系统梳理静电除尘、喷雾、激光打印等应用原理，静电平衡状态下导体内部场强为零、电荷分布在外表面的特点，以及静电屏蔽现象。通过“应用实例-理论分析-例题练习”的学习支架，构建从实际到理论再到实践的知识脉络。 资料以情境化实例（如静电除尘装置、口罩熔喷层静电吸附）帮助学生建立相互作用的物理观念，通过分析避雷针原理、导体感应电荷电场等培养科学思维中的模型建构与科学推理能力。课中辅助教师结合实例突破重难点，课后通过分层练习助力学生巩固知识、查漏补缺。

第5节　静电的利用与防护 [学习目标]　1.了解静电除尘、静电喷雾、激光打印的工作原理。2.知道什么是静电平衡状态，能说出静电平衡状态下的导体特点(难点)。3.知道导体上电荷的分布特征，了解尖端放电、静电屏蔽现象及其成因(重点)。 一、静电的利用与防护 1．静电的利用 (1)静电除尘能有效处理烟雾，与其他除尘方式相比，静电除尘耗能少、效率高。 (2)静电喷雾是通过高压静电发生装置使喷出的雾滴带电的喷雾方法。 (3)激光打印也是通过静电来实现“打印”的。 (4)静电还有很多应用。某些空气净化器利用静电来吸附空气中的尘埃；用静电处理种子增强抗病能力，提高发芽率；利用静电处理水，既能杀菌又能减少水垢等。 2．静电的防护 (1)防止静电危害的方法之一，是尽快把静电导入地下。 (2)雷击：带电云层接近地面时，地面上的物体因静电感应而带异种电荷，这些感应电荷更多分布在高大建筑物、大树等突出的物体上，当电荷积累到一定程度时，这些物体与云层间形成很强的电场，使空气电离，在云层与地面间形成强烈的火花放电。 (3)避雷针 带电导体凸起而尖锐的地方电荷比较密集，其附近空间电场也较强，避雷针便是利用了这一特点。带电云层接近时，避雷针上的感应电荷在其附近产生强电场，使避雷针与带电云层间的空气电离，电荷通过避雷针被直接引入大地，从而达到保护建筑物的目的。 例1　(2023·福建省莆田一中高二期中)下列做法中，为了防止静电危害的是(　　) A．高大建筑物顶部安装避雷针 B．尽可能保持印染厂车间里的空气干燥 C．使用电器时不能超过其电压或电流的额定值 D．手机一般都带有天线(有的手机为了美观设计为内置天线) 答案　A 解析　电荷通过避雷针被直接引入大地，属于静电的防护，故A正确；印染厂车间内会产生大量的静电，若空气过于干燥则会引起火灾，所以应尽可能保持印染厂车间里的空气湿润，故B错误；使用电器时不能超过其电压或电流的额定值，是为了避免电流过大烧坏电器，与静电的防护无关，故C错误；手机带有天线是为了更好地接收或发射信号，与静电的防护无关，故D错误。 例2　(多选)(2023·福建省德化第一中学高二月考)为了减少污染，工业废气需用静电除尘器除尘，某除尘装置如图所示，其收尘极为金属圆筒，电晕极位于圆筒中心。当两极接上高压电源时，电晕极附近会形成很强的电场使空气电离，废气中的尘埃吸附离子后在电场力的作用下向收尘极运动并沉积，以达到除尘目的。假设尘埃向收尘极运动过程中所带电荷量不变，下列说法正确的是(　　) A．金属圆筒内存在匀强电场 B．金属圆筒内越靠近收尘极电势越高 C．带电尘埃向收尘极运动过程中加速度越来越大 D．带电尘埃向收尘极运动过程中受到的电场力越来越小 答案　BD 解析　根据图像信息可知，除尘器内电场在水平面上的分布类似于负点电荷电场，电晕极相当于点电荷而位于电场正中心，故A错误；由题图可知，电晕极为负极，收尘极为正极，则金属圆筒内越靠近收尘极电势越高，故B正确；由于越靠近收尘极电场线越来越稀疏，则带电尘埃向收尘极运动过程中受到的电场力越来越小，根据牛顿第二定律可知，加速度也越来越小，故C错误，D正确。 二、静电平衡与静电屏蔽 如图所示，将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，使导体两端出现等量异种电荷。请思考下列问题： (1)自由电子定向移动的原因是什么？定向移动的方向如何？ (2)自由电子能否一直定向移动？为什么？ 答案　(1)自由电子受外加电场的电场力作用而移动，向着与电场强度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，当这两个电场的电场强度大小相等时，电子的定向移动终止。 1．静电平衡：导体中没有电荷定向移动的状态。 2．导体上电荷的分布特点： 静电平衡时，电荷只分布在导体的外表面。 3．静电屏蔽：金属壳(网)内电场强度保持为零，外电场对壳(网)内不会产生影响的现象称为静电屏蔽。 4．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0，即外电场E0和感应电荷产生的电场E′的关系为E0＝－E′。 例3　(2024·西安市铁一中学期中)如图所示，把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正电荷形成的电场中，导体处于静电平衡时，下列说法正确的是(　　) A．A、B两点电场强度相等，且都不为零 B．A、B两点的电场强度不相等 C．感应电荷产生的附加电场的电场强度大小EA>EB D．当开关S闭合后，A、B两点的电场强度不为零 答案　C 解析　导体处于静电平衡状态，导体是一个等势体，导体内部电场强度处处为零，A、B两点电场强度都为零，A、B错误；在导体内部，感应电荷产生的附加电场与正电荷在同一点产生的电场强度等大反向，正电荷在A点产生的电场强度较大，故EA>EB，C正确；当开关S闭合时，电子从大地沿导线向导体移动，导体内部电场强度处处为零，D错误。 求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的电场强度的方法是： (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4　(2023·福建省德化第一中学高二开学考试)如图所示，将带正电的小球A放在不带电固定的金属空心球C内，另一带负电的小球B在靠近C的外部，则与竖直线相比将(　　) A．A向左偏离竖直线，B向右偏离竖直线 B．A位置不变，B向右偏离竖直线 C．A向左偏离竖直线，B的位置不变 D．A和B的位置都不变 答案　B 解析　由于金属空心球可以屏蔽外部电场，所以小球B的电场对金属空心球C内无影响，即金属空心球C把小球A屏蔽了，使得小球A不受空心球外电场的影响，故小球A的位置不变。而小球A在金属空心球C内，由于静电感应使得金属空心球C外表面带正电而与小球B互相吸引，所以小球B向C靠近，小球B由于被吸引而向右偏离竖直线，故选B。 例5　(2023·宁德市高二月考)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所带电荷量分别为(　　) 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 答案　B 解析　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。 课时对点练 (分值：100分) 1～7题每题7分，共49分 考点一　静电的利用与防护 1．(多选)为防止静电的危害，下列做法正确的是(　　) A．油罐车有一条拖在地上的导电拖地带 B．在加油站脱化纤衣物 C．尽可能保持印染厂空气的干燥 D．飞机机轮上装有搭地线或用导电橡胶制造的轮胎 答案　AD 解析　油与油罐车在运输过程中不断摩擦产生的大量静电，可以通过拖在地上的导电拖地带及时导走，这是为了防止静电带来的危害，选项A正确；化纤衣物容易由于摩擦积累电荷，所以在加油站脱化纤衣物会产生静电，引起火灾，选项B错误；在印染厂会产生大量静电，所以印染厂车间中应保持适当的湿度及时把静电导走，选项C错误；飞机在飞行时，摩擦产生静电，可以通过装有搭地线或用导电橡胶制造的轮胎将静电直接导走，选项D正确。 2．(多选)静电喷涂机是利用静电现象工作的，其喷涂原理如图所示，则下列说法正确的是(　　) A．在喷枪喷嘴与被喷涂工件之间有一强电场 B．涂料微粒一定带正电 C．涂料微粒一定带负电 D．涂料微粒可能带正电，也可能带负电 答案　AC 解析　静电喷涂机工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动，是由于在喷枪喷嘴与被喷涂工件之间形成了强电场，故A正确；工件表面带正电且吸引涂料微粒，涂料微粒一定带负电，故C正确，B、D错误。 3.(多选)(2023·广东省仲元中学高二月考)如图所示是闪电击中广州塔的画面，广州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，针尖感应出正电荷 B．云层靠近避雷针时，针尖感应出负电荷 C．避雷针尖端附近的电场强度比避雷针底端附近的电场强度小 D．避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施 答案　AD 解析　避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施，D正确；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，A正确，B错误；由于电荷更容易集中到尖端，从而导致避雷针尖端附近的电场强度比避雷针底端附近的电场强度大，C错误。 4．(2023·上海市嘉定区第二中学高二期中)如图是制作口罩的一种新颖的“静电”绝缘纤维布，熔喷层经驻极工艺，表面带有电荷，它能阻隔几微米的飞沫，这种静电的阻隔作用属于(　　) A．静电喷涂 B．静电吸附 C．静电感应 D．尖端放电 答案　B 解析　带电物体能吸引轻小物体，飞沫靠近口罩的熔喷层后，会被吸附在表面，无法通过，从而起到阻隔的作用，属于静电吸附，故选B。 考点二　静电平衡与静电屏蔽 5．(2023·河北省衡水中学月考)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(　　) 答案　A 解析　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在此处产生的电场强度大小相等，方向相反，故A正确，B、C、D错误。 6．(2024·东莞市高二月考)电力工作人员在几百万伏的高压线上进行带电作业，电工全身穿戴带电作业用的屏蔽服，屏蔽服是用导电金属材料与纺织纤维混纺交织成布后再做成的服装，下列说法正确的是(　　) A．采用金属材料编织衣服的目的是使衣服不易拉破 B．采用金属材料编织衣服的目的是利用静电屏蔽 C．电工穿上屏蔽服后，高压线在体内的电场强度为零 D．电工穿上屏蔽服后，感应电荷在体内的电场强度为零 答案　B 解析　采用金属材料编织衣服的作用是使处于高压电场中的人体外表面各部位形成一个等势屏蔽面，从而使人体免受高压电场的危害，故A错误，B正确；电工穿上屏蔽服后，体内合电场强度为零，高压线、感应电荷在体内的电场强度不为零，故C、D错误。 7．(2023·泉州市高二月考)一个不带电的空心金属球，在它的球心处放一个正电荷，其电场是下图中的哪一个(　　) A　　　　　　B C　　　　　　D 答案　B 解析　把正电荷放在金属球壳内部，由于静电感应的作用，在球壳的内壁会感应出负电荷，在球壳的外壁会感应出正电荷，所以在金属球壳的壳壁之间，由于正电荷的电场和感应电场的共同作用，在金属球壳的壳壁之间的电场强度为零，所以在金属球壳的壳壁之间没有电场线，但球壳外部的电场分布情况不会受到影响，选项B正确，A、C、D错误。 8～11题每题10分，共40分 8．(2023·三明市一中高二月考)四幅图描述的场景依次为雷电击中避雷针(图甲)、高压输电线上方还有两条与大地相连的导线(图乙)、燃气灶的针尖状点火器(图丙)、工人穿戴着含金属丝制成的工作服进行超高压带电作业(图丁)，关于这四幅图所涉及的物理知识，下列说法正确的是(　　) A．图甲中避雷针的工作原理主要是静电屏蔽 B．图丙中的点火器是利用摩擦起电的原理进行点火的 C．图丙中的点火器的工作原理和图丁中工作服内掺入金属丝的工作原理是相同的 D.图乙中与大地相连的两条导线所起的作用和图丁中工作服内的金属丝所起的作用是相同的 答案　D 解析　避雷针的工作原理主要是利用尖端放电避免雷击，A错误；放电电极做成针尖状，更容易累积电荷从而发生尖端放电现象，B错误；点火器是利用尖端放电的原理，而工作服内掺入金属丝，是利用了静电屏蔽的原理，C错误；高压输电线的上方还有两条导线，这两条导线的作用是它们与大地相连，形成稀疏的金属“网”把高压线屏蔽起来，免遭雷击，与工作服内掺入金属丝的工作原理相同，都是利用了静电屏蔽的原理，D正确。 9.(2024·陕西省西乡县第一中学高二月考)一金属球原来不带电，现在沿球直径的延长线上放置一均匀带电的细杆MN，如图所示，金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的电场强度大小分别为Ea、Eb、Ec，三者相比，则(　　) A．Ea最大 B．Eb最大 C．Ec最大 D．Ea＝Eb＝Ec 答案　C 解析　处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为零，故a、b、c三点的电场强度都为零，这是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果，所以感应电荷在球内某点产生的电场的电场强度与MN在这一点产生的电场的电场强度等大反向，由于c点离MN最近，故MN在c点的电场强度最大，则感应电荷在c点的电场强度也最大，故C正确，A、B、D错误。 10．(2023·泉州市高二月考)如图所示，将一不带电的绝缘枕形导体P放在正点电荷Q的电场中，导体P的a、b两端分别带上了感应负电荷与等量的感应正电荷，另外，导体内部还有两点c、d，则以下说法错误的是(　　) A．导体上a、b两端的电势高低关系是φa＝φb B．导体上a、b两端的电势高低关系是φa<φb C．导体内部c、d两点的场强大小关系是Ec＝Ed＝0 D．感应电荷在导体内部c、d两点产生的场强大小关系是Ec′>Ed′≠0 答案　B 解析　整个导体处于静电平衡状态，是一个等势体，因此两点的电势关系为φa＝φb，故A正确，不符合题意，B错误，符合题意；由A、B分析可知，导体处于静电平衡状态，则导体内部场强处处为零，即Ec＝Ed＝0，故C正确，不符合题意；由点电荷场强公式E＝可知，正点电荷Q在c点产生的电场强度大于在d点产生的电场强度，且不等于0，则感应电荷在导体内部c、d两点产生的场强大小关系是Ec′>Ed′≠0，故D正确，不符合题意。 11．(多选)(2023·莆田市高二期末)低碳环保是我们追求的生活方式。如图所示是一个用来研究静电除尘的实验装置，处于强电场中的空气分子会被电离为电子和正离子，当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，蚊香产生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．由于蚊香产生带正电的烟雾而被吸附到缝被针上 B．同一烟雾颗粒在被吸附过程中离铝板越近速度越大 C．同一烟雾颗粒在被吸附过程中做匀变速运动 D．同一烟雾颗粒在被吸附过程中若带电荷量不变，离铝板越近则加速度越小 答案　BD 解析　中性空气分子在强电场中被电离成电子和带正电的离子，蚊香产生的烟雾颗粒吸附电子后带上负电，在电场力作用下向铝板做加速运动，故A错误，B正确；由于空间电场不是匀强电场，所以烟雾颗粒不是做匀变速运动，故C错误；因铝板与缝被针间的电场线形状相当于横向放置的锥形体，离铝板越近，电场线越稀疏，电场强度越小，烟雾颗粒所受电场力越小，加速度越小，故D正确。 (11分) 12.(多选)(2023·邢台市第二中学高二期中)长为l的导体棒原来不带电，现将一个带负电的点电荷(电荷量的绝对值为q)放在导体棒的中心轴线上距离棒的左端R处，如图所示。当导体棒达到静电平衡后，已知静电力常量为k，以下说法正确的是(　　) A．棒上感应电荷在O点处产生的电场强度为零 B．棒上O点处的电场强度为零 C．负点电荷在O点处产生的电场强度大小为k，方向沿Oq连线且指向q D．棒上感应电荷在棒的中点O处产生的电场强度大小为k，方向沿Oq连线且指向q 答案　BC 解析　导体棒达到静电平衡时，内部电场强度处处为0，由于负点电荷q在棒中心O处产生的电场方向沿Oq连线且指向q，所以棒上感应电荷在棒中心O处产生的电场方向沿qO连线且指向O右侧，大小与q在O点产生的电场强度相等，则有E＝，故A、D错误，B、C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $