第9章 4.静电的防止与利用（教用word）-【优学精讲】2025-2026学年高中物理必修第三册（人教版）

本高中物理讲义聚焦静电的防止与利用，系统梳理静电平衡状态下导体的特点、电荷分布规律，进而阐述尖端放电原理及避雷针应用，再到静电屏蔽的两种情况（外屏蔽与内屏蔽），最后结合静电除尘、喷漆、复印等实例解析静电吸附的实际应用。 资料通过情境问题引导学生探究静电感应现象，结合例题与易错辨析培养科学推理能力，联系避雷针、静电除尘等生活实例渗透科学态度与责任。课中辅助教师构建知识体系，课后助力学生通过练习题查漏补缺，强化对核心概念的理解。

4.静电的防止与利用 学习目标 1.知道什么是静电平衡，能掌握静电平衡状态下导体的特点。 2.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。 3.了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理。 知识点一　静电平衡　尖端放电 情境：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： 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？ 提示：自由电子受外加电场的静电力作用而定向移动，向着与电场相反的方向定向移动。 （2）自由电子能否一直定向移动？为什么？ 提示：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，电子不再定向移动。 1.静电平衡 （1）静电感应现象：放入电场中的导体，由于静电感应，在导体的两侧出现　感应电荷　的现象。 （2）静电平衡状态：导体两侧出现的感应电荷在导体内部产生的电场与外加电场的合电场强度为　0　，导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。 （3）处于静电平衡状态的导体，其　内部　的电场强度处处为0。 2.尖端放电 （1）空气的电离：导体尖端的电荷　密度　很大，周围的电场强度很大，使空气中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　的现象。 （2）尖端放电：导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异种离子与尖端上的电荷　中和　，相当于导体从尖端失去电荷的现象。 3.应用与防止 （1）应用：　避雷针　是利用尖端放电避免雷击的一种设施。 （2）防止：高压设备中导体的表面尽量　光滑　，减少电能的损失。 【易错辨析】 （1）处于静电平衡状态下的导体表面和内部的合电场强度均为零。（　×　） （2）静电平衡时，导体内部不再有电荷的定向移动。（　√　） （3）一个孤立的带电体，在自身所带电荷的电场中，处于静电平衡状态，不具有静电平衡的特点。（　×　） 1.静电平衡状态下导体的特点 （1）处于静电平衡状态的导体，内部的电场强度处处为零。 （2）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。 （3）金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的。 2.处于静电平衡状态的导体上的电荷分布特点 （1）净电荷只分布在导体表面，内部没有净电荷。 （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）净电荷在导体表面分布不均匀，导体表面尖锐处电荷分布密集，平滑处电荷分布稀疏，凹陷处几乎没有电荷，如图乙所示。 【例1】　（对静电平衡的理解）如图所示，把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正点电荷形成的电场中，导体处于静电平衡状态。下列说法正确的是（　　） A.导体内部A点的电场强度大于B点的电场强度 B.感应电荷在A、B两点产生的附加电场强度EA＝EB C.感应电荷在A、B两点产生的附加电场强度EA＜EB D.当开关S闭合时，电子从大地沿导线向导体移动 答案：D 解析：枕形导体在正点电荷附近，由于静电感应现象，导致电荷重新分布，因此在枕形导体内部出现感应电场，它与点电荷的电场叠加，达到静电平衡时，导体内部电场强度处处为零，A错误；导体内部的电场强度处处为零，所以感应电荷产生的电场强度的大小与点电荷产生的电场强度的大小相等，方向相反，故EA＞EB，B、C错误；当开关S闭合时，由于导体处在正电荷形成的电场中，电子从大地沿导线向导体移动，D正确。 【例2】　（ 处于静电平衡的导体的电荷分布）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，带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，内部的电荷量为零，带电导体的电荷只能分布于导体的外表面，故QB＝0，QA＝4×1 C－2×10－8 C＝2×10－8 C，B正确。 【例3】　（避雷针）〔多选〕如图所示，是闪电击中某塔的画面，塔的尖顶是一避雷针，雷雨天气时，低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，云层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.向塔尖端运动的负电荷受到的电场力越来越小 C.越靠近避雷针尖端，电场强度越大 D.向塔尖端运动的负电荷做加速运动 答案：ACD 解析：根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，可知云层靠近避雷针时，针尖感应出正电荷，故A正确；据电场线的疏密可知，塔尖的电场强度较大，所以向塔尖端运动的电荷受到的电场力越来越大，故B错误；由于电荷更容易集中到尖端，越靠近避雷针尖端电场强度越大，故C正确；负电荷在电场力的作用下向塔尖端运动，电场力做正功，速度增大，故D正确。 知识点二　静电屏蔽　静电吸附 情境：超高压带电作业的工人穿戴的工作服采用金属丝织物（如图所示）。 问题：为什么要用包含金属丝的织物制成？ 提示：超高压带电作业的工人穿戴的工作服是用包含金属丝的织物制成的，利用静电屏蔽现象使输电线周围的电场被工作服屏蔽起来 ，确保工人带电作业时的安全。 1.静电屏蔽 （1）定义：静电平衡时，导体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）应用 ①把电学仪器放在封闭的金属壳或金属网里。 ②野外三条输电线上方架设两条导线，与大地相连，形成一个稀疏的金属“网”，把高压输电线屏蔽起来。 2.静电吸附 （1）静电除尘：设法使空气中的尘埃带电，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来。 （2）静电喷漆：接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电，在静电力作用下，微粒飞向正极的工件，并沉积在工件的表面，完成喷漆工作。 （3）静电复印 ①核心部件：有机光导体鼓，有机光导体（OPC）在受到光照射时变成导体。 ②工作过程 【易错辨析】 　（1）打雷时，人呆在汽车里要比呆在木屋里安全。（　√　） （2）有线电视信号线外面有一层金属丝，是为了静电屏蔽，使信号不受干扰。（　√　） 　静电屏蔽的两种情况 屏蔽外电场外屏蔽 屏蔽内电场全屏蔽或内屏蔽 图示 实现过程 因场源电荷产生的电场与导体球壳表面上感应电荷产生的电场在空腔内的合电场强度为零，达到静电平衡状态，起到屏蔽外电场的作用 当空腔外部接地时，导体球壳外表面的感应电荷被中和，外部电场消失，起到屏蔽内电场的作用 最终结论 导体内空腔不受外界电荷影响 接地导体空腔外部不受内部电荷影响 本质 静电感应与静电平衡，做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体 【例4】　（静电屏蔽）如图所示，放在绝缘台上的金属网罩B内放有一个不带电的验电器C，若把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则（　　） A.金属罩B的内表面带正电荷 B.金属罩B的右侧外表面带正电荷 C.验电器C的金属箔片将张开 D.金属罩B左、右两侧电荷电性相同 答案：B 解析：金属罩B处于静电平衡状态，电荷分布在其外表面上，A错误；由于静电感应，使金属罩B在左侧外表面感应出负电荷，金属罩B的右侧外表面感应出正电荷，B正确，D错误；由于静电屏蔽，金属网罩内电场强度为零，故验电器C上无感应电荷，验电器C的金属箔片不会张开，C错误。 感应电荷产生的电场中电场强度的求解方法 1.确定外电场的电场强度E外的大小和方向。 2.由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡的条件E合＝0。 3.由E外＋E感＝0，求出感应电场的电场强度E感的大小和方向。 【典例】　（2025·广西玉林期中）如图所示，原来不带电，长为l的导体棒水平放置，现将一个电荷量为＋q（q＞0）的点电荷放在棒的中心轴线上距离棒的左端R处，A、B分别为导体棒左右两端的一点，静电力常量为k。当棒达到静电平衡后，下列说法正确的是（　　） A.棒的两端都感应出负电荷 B.棒上感应电荷在棒的中心轴线上距棒的右端处产生的电场强度大小为E＝k C.棒上感应电荷在棒的中心O处产生的电场强度方向水平向右 D.导体棒内部没有净电荷 答案：D 解析：由静电感应可知，棒左端感应出负电荷，右端感应出正电荷，故A错误。q在棒中心O处产生的电场方向向右，根据静电平衡条件可知，棒上感应电荷在棒中心O处产生的电场方向向左，二者电场强度大小相同；同理可知，棒上感应电荷在棒的中心轴线上距棒的右端处产生的电场强度大小为E＝，故B、C错误。在静电平衡状态下，导体棒内部没有电荷的定向移动，即导体棒内部没有净电荷，故D正确。 1.（静电平衡）如图所示，一个带负电的金属球放在绝缘的支架上，处于静电平衡状态，金属球内部的电场强度大小为E1，若减少金属球的带电荷量，再次处于静电平衡状态后，金属球内部的电场强度大小为E2，则（　　） A.E2＜E1 B.E2＞E1 C.E2＝E1 D.无法确定 解析：C　处于静电平衡状态的导体内部的电场强度处处为零，选项C正确。 2.（尖端放电）下列说法不正确的是（　　） A.避雷针避雷的原理是尖端放电能将云层中的电荷中和 B.为了美观，通常把避雷针顶端设计成球形 C.验电器的金属杆上端固定一个金属球而不是做成针尖状，这是为了防止尖端放电 D.为了避免因尖端放电而损失电能，高压输电导线表面要尽量光滑 解析：B　避雷针利用尖端放电的原理来避雷，必须做成针状，不能做成球形，带电云层靠近建筑物时，避雷针上产生的感应电荷会通过针尖放电，中和云层中的电荷，A正确，B错误；验电器的金属杆上端固定一个金属球而不是做成针尖状，这是为了防止尖端放电，C正确；高压输电导线表面要尽量光滑，这样可以避免因尖端放电而损失电能，D正确。 3.（静电屏蔽）〔多选〕如图所示，绝缘金属球壳的空腔内有一带电小球，现在球壳左侧放一带电小球A，下列说法正确的是（　　） A.A球不影响球壳内的电场 B.由于静电屏蔽，球壳内没有电场 C.球壳内外表面均没有电荷 D.由于球壳接地，空腔内的电场对外部也没有影响 解析：AD　由于金属球壳接地，对内外电场都有屏蔽作用，故A、D正确；球壳外表面没有电荷，因为空腔内有带电体，所以空腔内有电场，球壳内表面有感应电荷，故B、C错误。 4.（静电吸附）如图所示，为静电除尘器除尘机理的示意图。尘埃在电场中通过某种机制带电，在电场力的作用下向集尘极迁移并沉积，以达到除尘目的，下列表述正确的是（　　） A.到达集尘极的尘埃带正电 B.电场方向由放电极指向集尘极 C.带电尘埃所受电场力的方向与电场方向相同 D.同一位置带电荷量越多的尘埃所受电场力越大 解析：D　集尘极接电源的正极，尘埃在电场力作用下向集尘极迁移并沉积，说明尘埃带负电，A错误；由于集尘极与电源的正极连接，所以电场方向由集尘极指向放电极，B错误；负电荷在电场中受电场力的方向与电场方向相反，C错误；根据F＝qE可得，同一位置带电荷量越多的尘埃所受电场力越大，D正确。 知识点一　静电平衡　尖端放电 1.（2025·山西太原期中）关于静电平衡，下列说法正确的是（　　） A.导体内部的电场强度处处为0 B.导体内的自由电子在发生定向移动 C.导体的外表面没有电荷 D.越尖锐的位置，电荷的密度越小 解析：A　处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零，故A正确；由于导体内部电场强度为零，则导体内部没有定向移动的自由电子，故B错误；导体的外表面有电荷分布，故C错误；越尖锐的位置，电荷的密度越大，故D错误。 2.如图是模拟避雷针作用的实验装置，金属板M接高压电源的正极，金属板N接负极。金属板N上有两个等高的金属柱A、B，A为尖头，B为圆头。逐渐升高电源电压，当电压达到一定数值时，可看到放电现象，先产生放电现象的是（　　） A.A金属柱 B.B金属柱 C.A、B金属柱同时 D.可能是A金属柱，也可能是B金属柱 解析：A　根据导体表面电荷分布与尖锐程度有关可知，A金属柱尖端电荷密集，容易发生尖端放电现象，故选项A正确。 3.如图所示，较厚的空腔导体中有一个正电荷，图中a、b、c、d各点的电场强度大小顺序为（　　） A.Ea＞Eb＞Ec＞Ed B.Ea＞Ec＞Ed＞Eb C.Ea＞Ec＝Ed＞Eb D.Ea＜Eb＜Ec＝Ed 解析：B　当静电平衡时，空腔球形导体内壁感应出负电荷，外表面感应出正电荷，画出电场线的分布如图所示，由于a处电场线较密，c处电场线较疏，d处电场线更疏，b处电场强度为零，则Ea＞Ec＞Ed＞Eb，故选B。 知识点二　静电屏蔽　静电吸附 4.如图所示，A为空心金属球，B为金属球，A、B原来不带电，将另一带正电荷的小球C从A球开口处放入A球中央，不接触A球，然后用手接触一下A球，再用手接触一下B球，再移走C球，则（　　） A.A球带负电荷，B球带正电荷 B.A球带负电荷，B球不带电 C.A、B两球都带负电荷 D.A、B两球都带正电荷 解析：B　首先带正电荷的小球C从A球开口处放入A球中央，根据静电感应现象可知，A球内表面带负电荷，外表面带正电荷。用手接触A球相当于把A球接地，由大地传导过来的电子与A球外表面的正电荷中和，使A球外表面不带电，此时A球对内起静电屏蔽作用，A球内的电场不影响外部。用手接触B时，无电荷移动，B球不带电。当带正电荷的C球从A球内移走后，A球内表面所带的负电荷移至外表面，所以此时A球带负电荷。由上述可知，选项B正确。 5.静电喷涂时，喷枪喷出的涂料微粒带电，在带有正电的被喷工件的静电力作用下，向被喷工件运动，最后吸附在其表面。在涂料微粒向工件靠近的过程中（　　） A.涂料微粒带正电 B.离工件越近涂料微粒所受静电力越小 C.静电力对涂料微粒做负功 D.涂料微粒的动能增大 解析：D　由题图知，工件带正电，涂料微粒在静电力作用下向工件靠近，可知涂料微粒带负电，A错误；离工件越近，涂料微粒所受静电力越大，B错误；涂料微粒在静电力作用下向工件运动，则静电力对涂料微粒做正功，其动能增大，C错误，D正确。 6.〔多选〕（2025·广东潮州期中）对于书本中几幅插图所涉及的物理现象或原理，下列说法正确的是（　　） A.甲图中，该女生和带电的金属球带有异种性质的电荷 B.乙图为静电除尘装置的示意图，带负电的尘埃被收集在线状电离器B上 C.丙图中，燃气灶中电子点火器点火应用了尖端放电的原理 D.丁图中，两条优质的话筒线外面包裹着金属外衣应用了静电屏蔽的原理 解析：CD　甲图中，该女生接触带电的金属球，属于接触起电，与金属球带同种性质的电荷，故A错误；乙图中线状电离器B带负电，管壁A带正电，带负电的尘埃被收集在管壁A上，故B错误；丙图中，燃气灶中电子点火器点火应用了尖端放电的原理，故C正确；金属体壳能产生静电屏蔽作用，两条优质的话筒线外面包裹着金属外衣应用了静电屏蔽的原理，故D正确。 7.A是带正电的物体，B是金属网，放在绝缘底垫上，C是原来不带电的验电器，下列各图能使验电器的金属箔张开的是（　　） 解析：C　此题关键要清楚静电屏蔽的两种情况。达到静电平衡后，各图电荷分布情况大致如图所示。由于静电屏蔽，选项A中验电器的金属箔不能张开；选项B中金属网接地，但是金属网仍然处于静电平衡状态，故其内部电场强度处处为0；选项C中金属网外壳带正电，能使验电器的金属箔张开；选项D中金属网外部没有电场，因此C正确。 8.（2025·河南周口期中）在水平向右且电场强度大小为E0的匀强电场中，放入一不带电的导体球，导体球在达到静电平衡后其周围的电场分布如图所示，以球心O为坐标原点建立直角坐标系，x轴平行于原匀强电场的方向。已知M、N为x轴上关于O点对称的两个点，两点电场强度分别为EM、EN，P、Q为y轴上关于O点对称的两个点，两点电场强度分别为EP、EQ，且有EN＞EO，EQ＜EO，下列选项正确的是（　　） A.EM＞EN B.EP＞EQ C.导体球上的感应电荷在M点产生的电场方向向左 D.导体球上的感应电荷在P点产生的电场方向向左 解析：D　根据对称性可知EM＝EN，EP＝EQ，EN＝EM＞EO，所以导体球上的感应电荷在M点产生的电场方向向右，因为EP＝EQ＜EO，所以导体球上的感应电荷在P点产生的电场方向向左。故选D。 9.〔多选〕如图所示，绝缘金属球壳的空腔内、外各有一小球B和A，球壳接地。下列说法正确的是（　　） A.若A球带电，则球壳内的B球处的电场强度为零 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，则彼此不会相互影响 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球有影响 解析：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；由于球壳接地时对内外电场都有静电屏蔽作用，A、B两球彼此不会相互影响，故C正确，D错误。 10.〔多选〕（2025·北京海淀区期中）如图所示，将一个半径为r的不带电的金属球放在绝缘支架上，金属球的右侧放置一个电荷量为Q的带正电的点电荷，点电荷到金属球表面的最近距离也为r。由于静电感应在金属球上产生感应电荷。设静电力常量为k。则关于金属球内的电场以及感应电荷的分布情况，以下说法中正确的是（　　） A.金属球内部电场强度处处为零 B.电荷Q与感应电荷在金属球内任意位置激发的电场场强都是等大且反向的 C.电荷Q在金属球球心处激发的电场强度大小E＝k，方向向右 D.感应电荷在金属球球心处激发的电场强度大小E＝k，方向向右 解析：ABD　电荷Q与感应电荷在金属球内任意位置激发的电场强度都是等大且反向，金属球内部合电场强度为零，电荷不再移动，处于静电平衡状态，故A、B正确；由公式E＝可知，电荷Q在金属球球心处激发的电场强度大小为E＝k，方向向左，故C错误；感应电荷在金属球球心处激发的电场强度与点电荷在球心处产生的电场强度大小相等，方向相反，即为k，方向向右，故D正确。 11.如图所示，点电荷A和B带电荷量分别为q1＝3.0×10－8 C和q2＝－2.4×10－8 C，彼此相距d＝6 cm。若在两点电荷连线中点O处放一个半径为1 cm的金属球壳，求球壳上的感应电荷在中点O处产生的电场强度。 答案：5.4×105 N/C，方向由O指向A 解析：q1在O点产生的电场强度大小E1＝k＝3×105 N/C，方向由O指向B；q2在O点产生的电场强度大小E2＝k＝2.4×105 N/C，方向由O指向B；设感应电荷在O点的电场强度大小为E3，由静电平衡条件知E3＝E1＋E2＝5.4×105 N/C，方向由O指向A。 2 / 11 学科网（北京）股份有限公司 $