第九章 4 静电的防止与利用（配套教参Word）-【步步高】2025-2026学年高二物理必修第三册学习笔记（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、静电屏蔽的成因及应用，最后介绍静电吸附在除尘、喷漆、复印中的工作原理，构建理论到应用的学习支架。 资料通过设问引导学生分析自由电子移动等问题培养科学探究能力，结合避雷针、静电除尘等实例渗透科学态度与责任，配套例题和课时对点练强化科学思维中的科学论证，课中助力教师教学，课后帮助学生巩固知识、弥补盲点。

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(难点)。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(重点)。3.了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理。 一、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)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：导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。 2.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'。 3.导体上电荷的分布： (1)静电平衡时，导体内部没有净电荷(未被抵消的电荷)，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，凹陷的位置几乎没有电荷。 4.处于静电平衡状态的导体，其外表面任一点的电场强度方向跟该点的表面垂直。 (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。(　×　) 例1　(2024·重庆市高二期末)如图所示，一长为2l且粗细均匀的导体棒原来不带电，现将一电荷量为+q的点电荷放在其中轴线上距其左端l处，静电力常量为k，当该导体棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在棒内中心处产生的电场强度大小为(　　) A.0 B. C. D. 答案　B 解析　处于静电平衡的导体，其内部电场强度处处为零。因此，棒上感应电荷在棒内中心处产生的电场强度大小与点电荷在该处的电场强度大小相等，即E==。 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2　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，故B正确。 二、尖端放电 1.空气的电离：在一定条件下，导体尖端电荷密度很大，导体尖端周围的强电场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：所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引，而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.尖端放电的应用与防止： (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会减少电能的损失。 (1)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。(　√　) (2)避雷针避雷的原理是尖端放电能将云层中的电荷中和。(　√　) (3)为了美观，通常把避雷针顶端设计成球形。(　×　) (4)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。(　√　) 例3(2021·浙江6月选考)如图所示，在火箭发射塔周围有钢铁制成的四座高塔，高塔的功能最有可能是(　　) A.探测发射台周围风力的大小 B.发射与航天器联系的电磁波 C.预防雷电击中待发射的火箭 D.测量火箭发射过程的速度和加速度 答案　C 解析　在火箭发射塔周围有钢铁制成的四座高塔，其功能是预防雷电击中待发射的火箭，故选C。 三、静电屏蔽 1.定义：导体壳(或金属壳)内达到静电平衡后，外电场对内部不会产生影响，金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。 2.实质：静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象，使金属壳内的感应电荷的电场和外加电场的电场强度矢量和为零。 3.航天器经过地球大气层时，与大气层高速摩擦产生高温，在航天器周围形成等离子体，对航天器产生静电屏蔽作用，导致地面控制中心与航天器的通信暂时中断。 4.电梯轿厢通常是用不锈钢做的，因此在封闭的电梯里手机通信中断，也是发生了静电屏蔽。 例4　下列关于静电屏蔽实验的说法正确的是(　　) 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　题图甲中金属网达到静电平衡，内部电场强度为零，金属箔不会张开，金属网屏蔽了外电场，故A、D错误；题图乙中金属网未接地，网内的带电体在金属网内侧感应出负电荷，金属网外侧产生等量的正电荷，正电荷在金属网外侧有电场，对外界产生影响，所以金属箔会张开，故B错误；题图丙中金属网已接地，外部电场消失，金属箔不会张开，故C正确。 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，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，用于做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体 四、静电吸附 1.静电吸附：在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向着电极运动，最后被吸附在电极上的现象。 2.静电除尘：当空气中的尘埃带电时，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来的过程。 3.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，这些微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件表面的过程。 4.静电复印：复印机应用了静电吸附的原理。 例5　(2024·成都市高二期中)如图，静电除尘器由板状收集器A和线状电离器B组成。尘埃进入静电除尘区域时会遇上B处电离出的电子，之后被吸附到正极A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。 (1)尘埃遇上B处电离出的电子后带上　　　　　(选填“正”或“负”)电。  (2)尘埃带电后，在被吸附的过程中，静电力对尘埃　　　　　(选填“做正功”“不做功”或“做负功”)。  答案　(1)负　(2)做正功 解析　(1)电子带负电，则尘埃遇上B处电离出的电子后带上负电。 (2)尘埃带上负电后，在被吸附的过程中，尘埃逆电场线运动，尘埃所受静电力也逆电场线，可知静电力对尘埃做正功。 课时对点练 [分值：60分] [1~7题，每题4分] 考点一　静电平衡 1.如图所示，空心金属球壳上所带电荷量为+Q，关于O、M两点电场强度EO、EM的说法中正确的是(　　) A.EO≠0　EM=0 B.EO=0　EM≠0 C.EO=0　EM=0 D.EO≠0　EM≠0 答案　C 解析　静电平衡状态中的导体内部电场强度处处为零，故C正确。 2.一金属球原来不带电，现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，处于静电平衡状态的导体内部电场强度为零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强度与MN在这一点产生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。 考点二　静电屏蔽　尖端放电 3.(2024·台州市高二期末)在燃气灶上常安装电子点火器，接通电子线路时产生高电压，通过高压放电的电火花来点燃气体。电子点火器的放电电极应该做成(　　) A.针尖状 B.圆头状 C.方形 D.椭球形 答案　A 解析　尖端电荷容易聚集，电子点火器需瞬间高压放电，需要有高电荷密度区。故安装的电子点火器往往把放电电极做成针尖状。 4.(2024·亳州市高二期末)下列现象中不属于静电屏蔽应用的是(　　) A.在三条高压输电线的上方还有两条金属导线与大地相连形成一个稀疏的金属网 B.超高压输电线上带电作业的电力工人穿着含有金属丝织物的衣服 C.信号传输线中间是铜芯线，芯线外包裹发泡塑料，发泡塑料外面还要包一层金属丝编织成的网，最外层为防护套 D.在加油站，工作人员给汽车加油前，要触摸一下静电释放器 答案　D 解析　在三条高压输电线的上方还有两条金属导线与大地相连形成一个稀疏的金属网，这个金属网就是一个静电屏蔽装置，可以保护高压输电线不受外部电场的影响，故A不符合题意；超高压输电线上带电作业的电力工人穿着含有金属丝织物的衣服，这个衣服就是一个静电屏蔽装置，可以保护电力工人不受外部电场的影响，故B不符合题意；信号传输线中间是铜芯线，芯线外包裹发泡塑料，发泡塑料外面还要包一层金属丝编织成的网，最外层为防护套，这个金属丝编织成的网就是一个静电屏蔽装置，可以保护信号传输线不受外部电场的影响，故C不符合题意；在加油站，工作人员给汽车加油前，要触摸一下静电释放器，这是为了释放人体上的静电，防止静电产生火花从而引起火灾，不属于静电屏蔽应用，故D符合题意。 5.(多选)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。 考点三　静电吸附 6.(2025·哈尔滨市第六中学高二月考)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，带有病毒的飞沫靠近口罩的熔喷层后，会被吸附在表面无法通过，从而起到隔离病毒的作用，属于静电吸附，故选B。 7.如图是静电喷涂原理的示意图。发射极喷枪喷嘴与吸极被涂工件之间有强电场。在强电场作用下，一带电的涂料微粒(不计重力)从发射极由静止释放，加速飞向吸极，以达到喷涂目的。下列说法正确的是(　　) A.加速飞向吸极的带电的涂料微粒带正电荷 B.带电的涂料微粒加速飞向吸极，电场强度方向由发射极指向吸极 C.在强电场中同一位置带电荷量越多的涂料微粒所受静电力越大 D.带电的涂料微粒所受静电力的方向与电场强度方向相同 答案　C 解析　由于发射极与电源负极相连，吸极与电源正极相连，电场强度方向由吸极指向发射极，则加速飞向吸极的带电的涂料微粒带负电荷，故A、B错误；根据F=qE，可知在强电场中同一位置带电荷量越多的涂料微粒所受静电力越大，故C正确；由于涂料微粒带负电，可知带电的涂料微粒所受静电力的方向与电场强度方向相反，故D错误。 [8~11题，每题6分] 8.(2025·重庆市长寿中学高二期中)学校楼顶立有数根接地的细长金属装置，关于该装置，下列说法可能正确的是(　　) A.该装置利用静电屏蔽，在考试期间起到屏蔽考场内信号的作用 B.该装置利用静电吸附，通过吸附空气中的带电尘埃提高空气质量 C.在雷雨天气，该装置会主动引导雷电击中自身，危害安全，应当拆除 D.在雷雨天气，该装置通过尖端放电将云层中的电荷中和，避免雷击 答案　D 解析　楼顶立有数根接地的细长金属装置是避雷针，在雷雨天气，该装置通过尖端放电将云层中的电荷中和，避免雷击。 9.(多选)(2024·濮阳市第一高级中学高二期末)如图所示，一个原来不带电的半径为r的空心金属球放在绝缘支架上，右侧放置一个电荷量为+Q的点电荷，点电荷到金属球表面的最近距离为2r。下列说法正确的是(静电力常量为k)(　　) A.金属球在静电平衡后左侧带正电，右侧带负电 B.金属球在静电平衡后左侧带负电，右侧带正电 C.感应电荷在球心激发的电场强度大小等于 D.感应电荷在球心激发的电场强度大小等于0 答案　AC 解析　由于静电感应，金属球的左侧带正电，右侧带负电，故A正确，B错误；感应电荷的电场正好与点电荷的电场叠加，叠加后合电场强度为零，即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，即E=k=，故C正确，D错误。 10.(2025·赣州市高二月考)如图，A点固定一个带正电的点电荷，将一个不带电的金属球壳移到A点附近并固定，O为球壳球心，在过A、O两点的直线上有B、C两点，两点均在球壳内且到O点的距离相等，开始时开关K断开，下列说法正确的是(　　) A.在感应电荷的电场中，B、C两点的电场强度大小相等 B.在感应电荷的电场中，B点的电场强度比C点的电场强度大 C.将开关K闭合，感应电荷在B点产生的电场强度变大 D.将开关K闭合，感应电荷在C点产生的电场强度变小 答案　B 解析　处于静电平衡时，导体内部电场强度处处为零，点电荷在B点产生的电场强度比在C点产生的电场强度大，因此感应电荷在B点产生的电场强度比在C点产生的电场强度大，故A错误，B正确；将开关闭合，点电荷在B、C两点产生的电场强度不变，感应电荷在B、C两点产生的电场强度不变，故C、D错误。 11.一个不带电的空心金属球，在它的球心处放一个正电荷，其电场是图中的(　　) 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，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，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分] 12.(多选)下列图中P是一个带电体，N是一个不带电的金属空腔，在下列情况下放在绝缘板上的小纸屑(图中S)不会被吸引的是(　　) 答案　AD 解析　选项A、C中当负电荷放在金属壳外上方，金属壳上端带正电荷，下端带负电荷，内部合电场强度为零，外部电场强度不为零，故内部绝缘板上的小纸屑不会被吸引，外部绝缘板上的小纸屑会被吸引，故A正确，C错误；选项B、D中负电荷放在金属壳内，金属壳未接地时，金属壳内部带正电，外部带负电，外部电场强度不为零，故外部绝缘板上的小纸屑会被吸引，金属壳接地时，则金属壳内部电场对壳外空间没有影响，外部电场强度为零，外部绝缘板上的小纸屑不会被吸引，故B错误，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $