第1章 第7节 静电的利用和防护-【优学精讲】2024-2025学年高中物理必修第三册教用Word(鲁科版)

第7节　静电的利用和防护 1．了解静电在生产、生活实践中的应用，如静电喷涂、静电除尘、静电复印、静电植绒等。知道各种应用的工作原理。　2.知道尖端放电的含义及避雷针的应用。　3.了解防止静电危害的方法。　 一、静电 静止的电荷称为静电。物体带电后，其周围会产生__________，电场中电势不同的两点间存在__________。一般物体相互摩擦后所带的电荷量很少，形成的电压却很高。电压高到一定程度，就会击穿周围的空气而发生火花放电。 二、静电的利用 1．静电喷涂 利用静电作用使雾化涂料微粒在高压电场作用下带上负电荷，并吸附于带正电荷的被涂物的涂装技术。 2．静电除尘 利用电荷相互作用的性质、把带有不同电性的粉尘从烟气中分离出来，再分类处理的过程。 3．激光打印机 利用正、负电荷的吸引力进行墨粉转移的印刷方式，在打印机的内部，有一个表面覆盖了一层光敏半导体硒的圆柱体，称为“硒鼓”。在不受光照时，硒是____________，受到光照时则变成____________。 4．静电植绒 利用电荷之间同性相斥、异性相吸的性质，通过使绒毛带上负电荷，令绒毛被吸引到带正电的被植体表面上。 三、静电的危害 1．雷电有可能造成人畜伤亡、击毁树林房屋、造成停电事故、酿成飞行事故、引发森林大火、干扰无线电通信等。 2．在存放易燃易爆品或产生粉尘、油雾较多的生产场所，静电火花极易点燃这些易燃物质，易引起爆炸和火灾。 3．静电放电可能引起电子设备的故障，造成电磁干扰。静电放电还可能导致火箭和卫星发射失败，干扰航天飞行器的运行。 4．静电放电还可以击穿集成电路和精密的电子元件。 四、静电危害的防治 1．要尽快导走多余电荷，避免静电积累。 2．调节空气的湿度。 3．在易燃易爆气体和粉尘聚集的场所保持良好的通风、消除静电火花的引爆条件。 4．尖端放电。 判断下列说法是否正确。 (1)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入大地。(　　) (2)高大建筑上的避雷针利用了尖端放电的原理。(　　) (3)路上行驶的油罐车后方有一条拖地的铁链，作用是向外界散热。(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)× [答案自填] 电场　电压　绝缘体　半导体 知识点一　静电感应和静电平衡 如图所示，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？定向移动的方向又如何？ (2)自由电子能否一直定向移动？为什么？ 提示：(1)自由电子受外加电场的电场力作用而移动，向着与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。 1.静电平衡 (1)电荷分布的变化情况：金属导体放到电场强度为E0的电场中，金属中的自由电荷在电场力作用下定向移动导致导体一侧聚集负电荷，而另一侧聚集正电荷。 (2)合电场强度的变化情况：感应电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场，导致合电场强度减小。当感应电荷继续增加，合电场强度逐渐减小，合电场强度为零时，自由电荷的定向移动停止。 2．静电平衡特点 (1)净电荷只分布在导体表面，导体内部没有净剩电荷。 (2)感应电荷分布于导体两端，电性相反，电荷量相等，近异远同，如图甲所示。 (3)净电荷在导体表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越集中，电荷电场线越密集，如图乙所示。 (4)处于静电平衡的导体周围的电场分布情况如图丙、丁所示，电场线垂直于导体表面。 角度1　静电感应现象的分析 　一个内部含有空腔的矩形金属导体W放在静电场中，电场线如图所示，下列说法正确的是(　　) A．金属发生感应起电，左端A处的感应电荷为正电荷 B．感应电荷在C处产生的电场强度为0 C．金属内部被静电屏蔽，空腔C处的电场强度为0 D．金属处于静电平衡状态，金属内部的电子不受电场力作用，处于静止状态 [解析]　金属W放在静电场中会发生感应起电，根据电场线的方向，可知左端A处的感应电荷为负电荷，故A错误；感应起电后金属处于静电平衡状态，感应电荷在C处产生的电场强度与原电场方向相反，内部被静电屏蔽，电场强度为0，金属内部的电子不受电场力作用，电子不做定向运动，但仍在无规则运动，故C正确，B、D错误。 [答案]　C 角度2　静电平衡的特点及应用 　(2024·江苏连云港联考期中)如图所示，带电体＋Q靠近一个原来不带电的接地空腔导体，在达到静电平衡后，导体腔(　　) A．带正电 B．内表面的电荷量为0 C．外表面的电荷量为0 D．内、外表面带异种电荷 [解析]　在达到静电平衡后，电荷只分布在导体的外表面，故导体腔的外表面靠近带电体＋Q的一侧感应出负电荷，导体接地，说明远端为地球，近端为导体，故导体外表面带负电荷，所以外表面的电荷量不为0，而内表面不带电，整个导体腔带负电，故A、C、D错误；在达到静电平衡后，导体内部没有净剩电荷，所以内表面的电荷量为0，故B正确。 [答案]　B 　如图所示，真空中两个点电荷A、B带电荷量分别为－Q和＋2Q，相距为L，若在其连线上放一导体棒，导体棒的中心位于两电荷连线的中点O，当达到静电平衡时，棒内O点处的电场强度是(　　) A．零　　　　　　 B．，方向向左 C．，方向向右 D．，方向向右 [解析]　根据静电平衡导体的特点可知，球壳上的感应电荷在O点处的电场强度大小与两个点电荷A和B在O点处产生的合电场强度大小相等，方向相反，合电场强度为零。 [答案]　A 知识点二　静电屏蔽 某同学在学习了电学知识后对电工穿的高压作业服进行了研究，发现高压作业服是用铜丝编织的，你能告诉他其中的原理吗？ 提示：电工被铜丝编织的衣服包裹，使体内电场强度保持为零，对人体起保护作用。　 1．静电屏蔽的实质 静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象，使金属壳内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 (1)导体外部的电场影响不到导体内部 静电屏蔽的本质是静电感应，导体外面的电场不影响导体内部，是因为外电场与导体表面的感应电荷在导体内部任一点的电场强度叠加后合电场强度为零。 (2)接地导体的内部电场影响不到导体外部 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排斥入地，在只有施感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电场强度叠加后合电场强度为零。 　如图所示，一有线电视信号线内有一层铜质金属网，其主要作用是(　　) A．加固作用不易折断信号线 B．用于信号的传输 C．为防止外界电场干扰 D．铜芯与金属网分别接在电路的两极，便于沟通回路 [解析]　根据静电屏蔽原理可知，金属网能屏蔽外部电场，使其不受外部电场的影响，则有线电视信号线内有一层铜质金属网，其主要作用是防止外界电场干扰。 [答案]　C 　(2024·陕西西安期中)在如图所示的实验中，验电器的金属箔片会张开的是(　　) [解析]　金属网可以屏蔽网外电荷产生的电场，验电器的两金属箔片不带电，不会张开，故A错误；金属网没有接地，网内带电体可以使验电器发生静电感应，使金属箔片张开，故B正确；金属网接地，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，不能使验电器发生静电感应现象，金属箔片不能张开，故C、D错误。 [答案]　B 知识点三　尖端放电　静电的危害与防止 1．尖端放电 (1)电离：导体尖端的电荷密度很大，附近的电场很强，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动，把空气中的气体分子撞散，并使分子中的正、负电荷分离的现象叫作空气的电离。 (2)尖端放电：两根放电针附近形成的强电场使空气发生了电离，电离后的电荷各自奔向与它自身带异种电荷的放电针，与尖端上的电荷中和。在这个过程中尖端电荷量减少，这种现象叫作尖端放电。 (3)应用：避雷针是利用尖端放电原理保护建筑物等避免雷击的一种设施。 2．静电的危害 (1)静电由于吸附空气中的尘埃，会给印染、制药、合成纤维等工业生产带来危害。 (2)静电对现代高精密度、高灵敏度电子设备影响很大，大量的静电不但会妨碍电子设备的正常运行，甚至会因火花放电而击穿电子仪器的某些器件。 (3)静电的最大危害是放电火花会点燃某些易燃物质，引起爆炸。如煤矿里，静电火花会引起瓦斯爆炸。 3．静电危害的防止 防止静电危害的基本方法：尽快把静电导走，避免越积越多。在油罐车的尾部装一条拖在地上的铁链，在地毯中夹杂0.05～0.07 mm的不锈钢导电纤维，某些工厂里会调节空气的湿度等，都是为了消除静电。 角度1　尖端放电 　(2024·广东茂名统考)有人说：避雷针其实不“避雷”，反而是“接雷”，下列说法正确的是(　　) A．避雷针的尖端周围会产生强电场使空气电离 B．避雷针的原理是静电屏蔽 C．避雷针尖端的感应电荷与云层下端电性相同 D．避雷针安装时应与大地保持良好绝缘 [解析]　避雷针的原理是通过尖端放电使周围空气电离，带电云层下端与避雷针尖端电性相反形成通路，大量的电荷通过避雷针流入大地，从而减少对建筑物等的危害，故A正确，B、C错误；避雷针安装时应与大地保持良好接触，使云层电荷能够顺利导入大地，故D错误。 [答案]　A 角度2　静电的危害与防止 　在手术时，为防止麻醉剂乙醚爆炸，地砖要用导电材料制成，医生和护士要穿由导电材料制成的鞋子和外套，一切设备要良好接地，甚至病人的身体也要良好接地。这是为了(　　) A．除菌消毒　　　　 B．消除静电 C．利用静电 D．防止漏电 [解析]　在可燃气体环境(如乙醚)中产生的静电，容易引起爆炸，应设法把产生的静电消除(如导入大地)，因此B正确。 [答案]　B 知识点四　静电的利用 角度1　静电喷涂 　如图所示，静电喷涂时，被喷工件接正极，喷枪口接负极，它们之间形成高压电场。涂料微粒从喷枪口喷出后，只在电场力作用下向工件运动，最后吸附在工件表面，图中虚线为涂料微粒的运动轨迹。下列说法正确的是(　　) A．涂料微粒一定带正电 B．图中虚线可视为高压电场的部分电场线 C．微粒做加速度先减小后增大的曲线运动 D．喷射出的微粒动能不断转化为电势能 [解析]　因工件接电源的正极，可知涂料微粒一定带负电，A错误；因虚线为涂料微粒的运动轨迹，可知其不能视为高压电场的部分电场线，B错误；从喷枪口到工件的电场先减弱后增强，可知微粒的加速度先减小后增大，因电场线是曲线，故微粒做曲线运动，C正确；因电场力对微粒做正功，故微粒的电势能逐渐减小，D错误。 [答案]　C 角度2　静电除尘 　(多选) 静电除尘器在生产生活中已经得到广泛应用，某型号静电除尘器的剖面结构简化原理图如图所示，它由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，金属管A接地(电势为0)，当彼此绝缘的金属管A与金属丝B间接入高压电源时，管道中形成的强电场使管道中的气体电离为正离子和电子，管道中的粉尘吸附电子后带负电，粉尘被吸附到金属管A上后在重力作用下落入下面的漏斗中，下列说法正确的是(　　) A．金属管A接电源负极 B．金属丝B的电势小于0 C．管道中形成的电场为匀强电场 D．粉尘向金属管A运动时电势能减小 [解析]　管道中的粉尘吸附电子后带负电，粉尘被吸附到金属管A，说明金属管A接电源正极，粉尘在电场力作用下向金属管A运动，电场力做正功，粉尘电势能减小，故A错误，D正确；电势沿着电场线方向不断减小，而金属管A接地，则金属管A的电势为零，且电场线方向由正极指向负极，因此金属丝B的电势小于0，故B正确；匀强电场区域内各处场强大小相等，方向相同，而管道中形成的电场方向不同，故管道中形成的电场不是匀强电场，故C错误。 [答案]　BD 　(多选)(2023·浙江永康一中高一期中)某款家用空气净化器及其原理示意图如图所示，污浊空气通过过滤网后使尘埃带电。图中充电极b、d接电源负极，集尘极a、c、e接电源正极(接地)，下列说法正确的是(　　) A．通过过滤网后空气中的尘埃带负电 B．尘埃在被吸附到集尘极e的过程中动能增大 C．c、d两个电极之间的电场方向竖直向上 D．尘埃被吸附到集尘极a的过程中所受电场力做负功 [解析]　尘埃经过过滤网后被正极吸引，所以尘埃带负电，故A正确；尘埃在被吸附到集尘极e的过程中电场力做正功，动能增大，故B正确；因为充电极b、d接电源负极，集尘极a、c、e接电源正极，所以c、d两个电极之间的电场方向竖直向下，故C错误；尘埃被吸附到集尘极a的过程中所受电场力做正功，故D错误。 [答案]　AB 1．(静电感应和静电平衡)(2024·陕西渭南统考期中)如图所示，一个方形的金属盒原来不带电，现将一个带电荷量为＋Q的点电荷放在盒子左边附近，达到静电平衡后，盒子内部电场强度处处为零，则盒上的感应电荷在盒子内部产生的电场分布情况正确的是(　　) 解析：选C。带电荷量为Q的点电荷在周围空间中产生的电场强度E＝，方形金属盒达到静电平衡后，盒内合电场强度为零，所以金属盒上感应电荷在某点处产生的电场强度大小与点电荷Q在该处产生的电场强度大小相等，感应电荷的电场与点电荷Q的电场的方向相反。 2．(静电屏蔽)(多选)(2024·重庆二十九中期中)如图所示，用起电机使金属鸟笼带电，站在金属架上的鸟安然无恙，其原因是(　　) A．鸟的脚爪与金属架绝缘 B．起电机使笼带电，笼的电场强度不会很高 C．鸟笼内部电场强度为零，电荷分布在笼的外表面 D．金属鸟笼起静电屏蔽的作用 解析：选CD。起电机使金属鸟笼带电，金属鸟笼起静电屏蔽的作用，鸟笼内部电场强度为零，电荷分布在笼的外表面且是等势体，所以站在金属架上的鸟安然无恙。 3．(尖端放电)(2023·阿克苏市实验中学高二月考)雷暴天气和雷击事件，引起了有关部门的高度重视，加大防雷避雷知识的宣传尤为重要。假如在户外我们遭遇雷电，下列防雷措施可行的是(　　) ①在大树下避雷雨 ②停留在山顶、山脊的凉亭等地方避雷雨 ③不要快速开摩托车、快速骑自行车和在雨中狂奔 ④在空旷地带，最好关掉手机电源 A．①③　B．②③　　C．①④　 D．③④ 解析：选D。大树、山顶、山脊的凉亭等地方是表面具有突出尖端的导体，可能使其周围的空气发生电离而引发尖端放电，故不能躲避雷雨，①②不可行；快速开摩托车、快速骑自行车和在雨中狂奔，身体的跨度越大，电压越大，雷电也越容易伤人，故③正确；在空旷地带使用手机通话，手机很有可能成为闪电的放电对象，④正确，故D正确。 4．(静电的防止和利用) (2024·广东统考学业考试)静电消除器能将物件表面的静电消除。某种针式静电消除器的工作原理如图所示，在静电消除器的指针上加上高电压，指针周围产生正离子和电子，就可消除物件表面的静电。若物件表面的负电荷被中和，其原因是(　　) A．指针周围的电子被吸引到物件表面 B．指针周围的正离子被吸引到物件表面 C．指针周围的电子和正离子都被吸引到物件表面 D．物件表面的负电荷消失 解析：选B。“中和”是指正、负电荷互相接触，从而使带电体变成不带电的物体，电荷不会消失。若物件表面的负电荷被中和，其原因是指针周围的正离子被吸引到物件表面。 5．(静电的防止和利用)(多选)(2024·天津南开统考期中)从生活走向物理，从物理走向社会，物理和生活息息相关。下列有关电学知识的相关说法错误的是(　　) A．甲图中工作人员在超高压带电作业时，身穿用金属丝编制的工作服是应用了静电屏蔽现象 B.乙图中的避雷针是应用尖端放电避免雷击的一种设施 C．丙图中给汽车加油前要触摸一下的静电释放器，是应用了感应起电现象 D．丁图为静电喷漆的示意图，静电喷漆时使被吸的金属件与油漆雾滴带异种电荷 解析：选BC。题图甲中工作人员在超高压带电作业时，穿用金属丝编制的工作服应用了静电屏蔽的原理，故A正确；题图乙中的避雷针是应用尖端放电吸引雷击，从而避免附近的建筑物遭受雷击的一种设施，故B错误；题图丙中给汽车加油前要触摸一下的静电释放器，是应用了接触起电现象，故C错误；题图丁为静电喷漆的示意图，静电喷漆时使被喷的金属件与油漆雾滴带不同的电荷，从而产生引力，故D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $