静电的防止与利用 专题复习课件 -2027届高考物理一轮复习

第九章 静电场及其应用 4 静电的防止与利用 1 知识点1 静电平衡 重点 1.静电感应现象：把不带电的导体放入电场，导体内的自由电子在电场力作用下定向移动，而使导体两端 出现等量异种电荷的现象. 2.静电平衡状态：导体在电场中发生静电感应现象，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部各点的合 场强等于零，导体内的自由电子不再发生定向移动的状态. 3.静电平衡的实质：金属导体放到场强为 的电场中，金属中的自由电子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，感应电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场 ，导致合场强 减小.感应电荷继续增加，合场强继续减小，直到合场强为零时，自由电子的定向移动停止. 图解1 理解1 知识梳理 2 1静电平衡的实质 1金属导体达到静电平衡的时间非常短，是瞬间完成的. 3 划重点 求处于静电平衡状态的导体内部某点感应电荷产生的场强的方法 （1）求出外电场在所求点的场强<m></m>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<m></m>； （3）由<m></m>，求出感应电荷产生的场强<m></m>的大小和方向. 4 4.静电平衡状态下场强的特点 （1）处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零. （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.<m></m> 理 解2 2反证法：假设导体内部电场强度不为零，则自由电子必受到静电力的作用发生定向移动，与导体达到 静电平衡矛盾；假设导体表面某点的电场强度方向与该点所在的表面不垂直，该点的电场强度有沿导体表面的 分量，会使导体表面的自由电子发生定向移动，与导体达到静电平衡矛盾. 求甚解 导体达到静电平衡状态后内部场强处处为零，是指外电场的电场强度与导体表面感应电荷产生的电场强 度的矢量和为零，而不是导体表面的感应电荷在导体内部产生的电场强度为零，更不是外电场在导体内部的场 强为零.外电场在空间中位于导体内部某点的电场强度与没有导体时在空间中该点的电场强度相同. 5 知识点2 尖端放电 基本点 1.静电平衡时导体上电荷的分布特点 （1）导体内部没有净电荷，电荷只分布在导体的外表面. 若导体内部有净电荷，导体内部的电场强度就不可能为零，自由电荷会发生定向移动，导体也就没有处于 静电平衡状态. （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. 6 （3）感应电荷分布于导体的两端，电性相反，电荷量相等.<m></m> 拓展1 1感应电荷的分布 如图所示，处于静电平衡状态的导体，离场源电荷较近和较远的两端将感应出等量的异种电荷，即“近异远同”. 感应电荷分布在导体两端的外表面，导体右端比左端尖锐，则右端电荷的密度大. 求甚解 处于静电平衡状态时，导体的外表面是相对的.（1）当场源电荷放在空心球 体外面时，感应电荷只分布在外侧，空心球体的内侧没有电荷，如图甲所示；（2） 当场源电荷放在空心球体的内部时，则感应电荷在空心球体的内、外两个表面都有 分布，如图乙所示. 7 2.尖端放电 （1）空气的电离 （2）尖端放电 导体尖端附近的强电场使空气电离，电离产生的那些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）尖端放电的应用与防止 应用：一般的电子打火装置、避雷针、工业烟囱除尘的装置利用的都是尖端放 电的原理.<m></m> 图解2 8 2避雷针怎么避免雷击？ 将尖锐的金属棒安装在建筑物的顶端，用粗导线将金属棒与埋在地下的金属板连接， 保持与大地的良好接触，就成为避雷针.当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反 的电荷，通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，达到避免雷击的目的.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.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. 防止：高压设备中导体的表面应该尽量光滑以避免尖端放电，从而减少电能的损失. 9 知识点3 静电屏蔽 重点 1.定义：当金属壳达到静电平衡状态时，内部没有电场，因而金属壳会对其内部起保护作用，使内部不受 外部电场的影响. 2.静电屏蔽的实质：金属壳内感应电荷产生的场强和外加电场的场强矢量和为零，如同金属壳将外电场“挡” 在外面. 图解3 10 3导体内部不受外电场的影响 11 3.静电屏蔽的两种情况及本质 （1）导体内部不受外部电场的影响 ①现象：使带电的金属球靠近验电器，由于静电感应，验电器箔片张开，将验 电器放入导体网罩内部后验电器箔片不张开，如图所示. 注意1 1实现静电屏蔽不一定要用密封的金属容器,金属网也能起到屏蔽作用. ②本质：由于静电感应，导体网罩上感应电荷产生的电场与外电场在导体网罩 内部任一点的场强相互抵消. 12 （2）封闭导体壳内部电场对壳外空间的影响 ①现象：如图甲所示，导体壳未接地，正电荷处于导体壳内部，达到静电平衡状态时，导体壳内、外表面 出现等量异种电荷，空间电场的电场线起于场源正电荷，终于导体壳内表面负电荷，再起于导体壳外表面正电 荷，终于无穷远处，壳的内、外表面之间场强处处为零，壳外场强不为零. 甲 乙 13 如图乙所示，导体壳接地，导体壳外表面的正电荷被大地的负电荷中和，正电荷出现在地球的另一端无穷 远处，空间电场起于场源正电荷,终于导体壳内表面负电荷，导体壳的内、外表面之间及导体壳外部场强处处为 零，导体壳外部空间不受内部电场影响. ②本质：由于静电感应，导体壳内表面感应电荷产生的电场与壳内场 源电荷产生的电场在导体壳内表面以外任一点的场强相互抵消. 划重点导体接地时外表面的感应电荷被大地中和，屏蔽内电场. 14 4.应用 （1）电学仪器和电子设备外面会有金属罩，通信电缆外面包一层铅皮，可以防止外电场的干扰. （2）电工高压带电作业时，穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋子，可以对人体起到静电屏蔽作用，使 人安全作业.<m></m> 注意2 示例1 2静电屏蔽也可能带来不利的一面，飞船返回地球大气层时，由于飞船与大气层高速摩擦产生高温， 在飞船周围形成等离子体，对飞船产生静电屏蔽作用，会导致地面控制中心与飞船的通信联系暂时中断.电梯轿 厢一般是用不锈钢做的，由于静电屏蔽，在封闭的电梯里手机打不通. 1若飞机在云层与云层之间飞行遭遇雷击时，电流只会沿着飞机外壳流过，而不会进入机内对乘客造成 伤害，原因就是静电屏蔽. 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，使其免遭雷击. 15 知识点4 防止静电危害 基本点 静电是一种常见现象，它会给人们带来麻烦，甚至造成危害.如在印刷厂里，纸张之间摩擦起电，会使纸张 粘在一起，难以分开；在印染厂里，棉纱、毛绒、人造纤维上的静电会吸引空气中的尘埃，使印染质量下降； 油罐车在运输过程中，燃油会和油罐摩擦起电，严重时产生电火花引起爆炸.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. 防止静电危害的主要方法与途径： （1）尽量减少静电的产生，常用的方法是增大空气的湿度. （2）尽快把静电导走，防止静电积累，常用的、最简单的办法是用导线把设备接地. 示例2 2地毯中植入金属丝，就是为了将摩擦产生的电荷及时导走，飞机机轮上装有搭地线、油罐车后面拖条 铁链都是为了把静电导入大地. （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. 16 知识点5 静电吸附 重点 1.静电吸附的原理 在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上. 17 2.静电吸附的应用 在生产和生活中，静电吸附的应用十分广泛，如静电除尘、静电喷涂、 静电复 印等. （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，这 就是静电除尘.静电除尘器由板状收集器和线状电离器组成. 接到几千伏高压电源 的正极，接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距 越近，电场强度 越大.附近的空气中的气体分子更容易被电离，成为正离子和电子.正离子被吸到 上，得到电子，又成为分子.电 子在向着正极运动的过程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带负电.粉尘被吸附到正极 上，最后在重力的作用下落 入下面的漏斗中.静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘. 图解4 18 （3）静电复印 激光扫描原稿上的文字或图案，经反射，聚焦在携带静电的硒鼓上.激光扫描到原稿 上的空白处，硒鼓上相应部位的静电荷就被消除，留在硒鼓上的静电荷就形成了原稿上 的文字或图案，墨粉被硒鼓上的静电吸引，被转移到复印纸上并被加热固定，复印纸上 就出现了原稿上的文字或图案. 图解5 5静电复印示意图 4电子空气净化器工作原理 （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，这些微粒向着作为正极的工件运动，并 沉积在工件的表面，完成喷漆工作. 19 能力进阶 重难点1 对静电平衡的理解 重难点 导体达到静电平衡后内部场强处处为零是指外电场与导体两端的感应电荷产生的电场的合场强为零.导体远、 近端感应电荷的电性相反,电荷量相等.关于近端、远端的理解及电荷分布，有以下两种常见情况. 情况1，导体不接地 导体的中间部分因感应电荷较少,可认为无感应电荷，感应电荷分布在 两端 情况2，导体接地/几个 导体相连 导体和大地或几个相连的导体看作一个整体,再判断近端或远端.图中导 体是近端,大地是远端，导体带负电荷 重难点突破 20 例1 [河南濮阳一中2026高三下月考] 如图所示，将原来不带电且与大地绝缘的导体静置于带正电的点电荷 所 形成的电场中，、两点在其表面， 点在其内部，达到静电平衡时，以下说法正确的是( ) C A. 点一侧表面带正电 B.感应电荷在 点产生的场强为零 C.感应电荷在点产生的场强大小等于点电荷在 点产生的场强大小 D.若用手触摸一下导体，放手后导体将不带电 【解析】静电感应时，导体离场源电荷较近的一端感应出异种电荷，远端感应出同种电荷， 点一侧属于近端， 则其表面带负电，A错误；静电平衡后，感应电荷在点产生的场强和点电荷在点产生的场强等大反向， 点 的合场强为零，B错误，C正确；若用手触摸一下导体（点拨：手摸导体相当于接地，导体与人体、大地构成一 个整体），导体为近端，带负电荷，远端在地球另一端无穷远处，带正电，则放手后导体将带负电，D错误. 21 高分突破 重难点2 静电平衡状态下导体的特点 难点 （1）导体内部场强处处为0. （2）导体表面处场强垂直于导体表面. （3）导体内部没有净电荷，电荷只分布在导体外表面. （4）导体外表面越尖锐的位置，电荷密度越大，凹陷位置几乎没有电荷. 22 例2 [浙江G5联盟2026高三下期中] 如图所示，不带电的半径为 的空心金属球放在绝缘支架上，右侧放一个电 荷量为的点电荷，点电荷到金属球球心的距离为，已知静电力常量为 ，达到静电平衡后，下列说法正确 的是( ) D 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 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 23 【解析】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；静电平衡的导体内部场强处处为零，是点电荷和感应电荷在金属球 内产生的合场强为零（易错点：导体内部的场强指合场强，而非点电荷产生的场强），B错误；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；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. 24 重难点3 静电屏蔽的两种情况 重难点 由于静电感应，金属网罩或金属壳内的场强为零，遮挡住了外界电场的影响，但值得注意的是，金属外壳 或网罩只能屏蔽外界电场，不能挡住内部电荷向外激发的电场.为了深刻理解静电屏蔽，我们来分析两种静电屏 蔽现象. 屏蔽外电场 屏蔽内电场 图示 实现过程 因场源电荷产生的电场与导体球壳表面感应电荷 产生的电场在空腔内的合场强为零，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，外表面的感应电荷因被 大地中和，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场影响 接地导体空腔外部不受内部电场影响 本质 静电感应与静电平衡，用于静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体 25 例3 （多选）如图所示，金属壳放在绝缘垫上，能起到屏蔽点电荷电场作用的是( ) ABD A. B. C. D. 【解析】当正电荷放在金属壳外时，由于静电感应，使金属壳左端带负电荷，右端带正电荷，金属壳处于静电 平衡状态，所以内部电场强度为零，能起到屏蔽点电荷电场的作用，故A正确；当正电荷放在金属壳外时，由 于静电感应使金属壳左端带负电荷，由于右端接地，则金属壳右端不带电，感应电场与外电场叠加，所以内部 电场强度为零，能起到屏蔽点电荷电场的作用，故B正确；当正电荷放在金属壳内时，金属壳内带负电荷，壳 外带正电荷，金属壳外合场强不为零，即不能起到屏蔽点电荷电场的作用，故C错误；当正电荷放在金属壳内 时，由于金属壳接地，则金属壳外不带电，外部没有电场，可以起到屏蔽点电荷电场的作用，故D正确. 26 重难点4 静电的防止与应用 拓展点 1.常见的静电的防止措施：防静电服、防静电手腕带、接地和跨接、增加湿度、使用抗静电添加剂. 2.静电在多个领域都有广泛的应用，主要包括除尘、分类、喷漆、复印、杀菌. 27 例4 [北京怀柔一中2026高三下月考] 在一次科学晚会上，一位老师表演了一个“魔术”：一个没有底的透明塑料 瓶内固定着一根铁锯条（图中未画出锯齿）和一块易拉罐（金属）片，把它们分别跟静电起电机的两极相连.在 塑料瓶里放一盘点燃的蚊香，很快就看见整个透明塑料瓶里烟雾缭绕.开启起电机,顿时塑料瓶里清澈透明；关闭 起电机,又是烟雾缭绕.关于以上实验，下列说法正确的是( ) B A.室内的空气湿度越大,实验效果越好 B.若锯条接起电机负极,金属片接正极,则这些烟尘附着在金属片上面 C.起电机开启前,需先让烟尘颗粒带上电荷才能成功 D.起电机开启时,塑料瓶内易拉罐（金属）片边缘电场强度最大 28 【解析】加大空气湿度，由于潮湿的空气易于导电，则起电机产生的静电不容易在铁锯条和易拉罐（金属）片 上积累，则该实验不易成功，A错误；锯条和金属片间的电场让空气电离，电离产生的电子让烟尘颗粒带负电， 故不需要先让烟尘颗粒带上电荷，C错误；若锯条接起电机负极，金属片接正极，俘获电子的烟尘带负电，则 这些烟尘会附着在金属片上面，B正确；起电机开启时，因为锯齿处比较尖锐，锯齿处的电荷密度（单位面积 的电荷量）大，因此锯条边缘的电场强度最大，D错误. 29 $