第4节　静电的防止与利用

第4节静电的防止与利用核心素养导学物理观念(1)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。(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。科学思维会根据静电平衡条件求解感应电荷产生的电场强度。科学探究观察演示实验并对实验现象分析，体会运用所学知识进行分析推理的方法；查阅并搜集资料，了解静电屏蔽在科技领域和生活中的应用。科学态度与责任能对公众利用和防护静电的一些行为发表自己的观点，有进行科学普及的兴趣和责任感。一、静电平衡1．静电平衡：导体内的自由电子不再发生_________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___。3．导体上电荷的分布：(1)静电平衡时，导体_____没有净剩电荷，电荷只分布在导体的_______。(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)_____

，凹陷的位置几乎没有电荷。定向移动0内部外表面越大二、尖端放电1．空气的电离：在一定条件下，导体尖端电荷_____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_____的现象。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______而奔向尖端，与尖端上的电荷_____，相当于导体从尖端_________的现象。密度分离吸引中和失去电荷3．尖端放电的应用与防止(1)应用：_______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_____会减少电能的损失。处于静电平衡中的导体，内部任意一点处外电场的电场强度与所有感应电荷的电场强度一定大小相等、方向相反。避雷针光滑三、静电屏蔽1．静电屏蔽静电平衡时，空腔导体内表面没有电荷，导体壳内空腔里的电场强度处处为__。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_________。2．静电屏蔽的应用：电学仪器外面有金属壳、野外高压输电线上方还有两条导线与大地相连。0静电屏蔽四、静电吸附1．静电吸附：在电场中，带电粒子受到________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_____的工件运动，并沉积在工件表面。4．静电复印：复印机应用了_________的原理，复印机的有机光导体鼓表面涂覆有机光导体(OPC)，无光照时，OPC是______，受到光照时变成导体。静电力正极静电吸附绝缘体1.如图所示，当一个带电体靠近不带电导体时，由于导体内的自由电子受到静电力的作用，将向着与电场相反的方向定向移动，从而使导体两端出现等量异种电荷，这就是前面学习的静电感应现象。(1)这种定向移动是无休止的吗？(2)电荷的移动对导体内部的电场有影响吗？提示：(1)不是，当内部电场强度为0时，自由电荷的定向移动停止。(2)感应电荷产生的电场抵消导体内部电场。2．为防止雷击对建筑物造成损坏，常在建筑物的顶端安装避雷针，那么，避雷针是如何避免建筑物遭雷击的？提示：当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属针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。3．飞机在云层与云层之间飞行或起飞、着陆时都有可能遭遇雷击(如图所示)。但是当飞机遭遇雷击时，电流可以从雷电云到达飞机头部，纵向流过机身外壳，最后从机尾凌空打到地上或从其中一机翼打过另一机翼，横向流过机身，但不管怎样，闪电都只会沿着飞机外壳流过，而不会进入机舱内对乘客造成伤害，你知道这是为什么吗？提示：静电屏蔽。新知学习(一)|静电平衡的特点及应用[重点释解]1．处于静电平衡状态的导体内部场强为零的本质是外电场E0和感应电荷产生的电场E′的合场强为0，即E0＝－E′。2．孤立的带电导体处于静电平衡状态，内部场强为0的本质是分布在导体外表面的电荷在导体内部的合场强为0。3．处于静电平衡状态的导体，其外表面任一点的场强方向跟该点的表面垂直。4．静电平衡时，导体上的电荷分布在导体的外表面，其内部没有净剩电荷，且电荷在导体外表面的分布不均匀，越是尖锐的地方电荷的分布越密集。/方法技巧/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(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。

[针对训练]1．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的点电荷放在盒左边附近，达到静电平衡后，盒上的感应电荷在盒内部产生的电场分布情况正确的是

(

)解析：由于金属盒内部处于静电平衡状态，所以内部每点的合电场强度都为0，即金属盒上的感应电荷在盒内任一点产生的电场的电场强度都与点电荷＋Q在该点产生的电场的电场强度大小相等、方向相反，即感应电荷的电场线与点电荷＋Q的电场线重合，但方向相反，故选项C正确。答案：C2．(2022·江苏南通期末)如图所示，将带正电荷Q的导体球C靠近不带电的导体，若沿虚线1将导体分成A、B两部分，这两部分所带电荷量大小分别为QA、QB；若沿虚线2将导体分成两部分，这两部分所带电荷量大小分别为QA′和QB′。对于上述实验，电荷量关系正确的是

(

)A．QA<QB，QA＝QA′

B．QA＝QB，QA>QA′C．QA′<QB′，QB＝QB′

D．QA′＝QB′，QB<QB′解析：当导体处于静电平衡状态时，不管是沿虚线1将导体分开还是沿虚线2将导体分开，两部分所带异种电荷量的大小均相等，即QA＝QB，QA′＝QB′，若沿虚线1将导体分成A、B两部分，由于虚线1距正电荷Q较远，A部分感应出的正电荷较少，即B部分感应出的负电荷较少，有QA<QA′，QB<QB′，故选D。答案：D新知学习(二)|对静电屏蔽的理解和应用[任务驱动]如图所示为带有高电压的法拉第笼，笼内站有几名同学。请思考下列问题：(1)法拉第笼内各处的电场强度是多大？提示：处处为零。(2)为什么在带高电压的笼内的人安然无恙？提示：法拉第笼外壳是金属，能起到静电屏蔽作用，所以在带高电压的笼内的人安然无恙。

[重点释解]1．导体内部不受外部电场影响的情况(1)现象：由于静电感应，验电器箔片张开，如图甲所示。将验电器放入导体网罩内部后验电器箔片不张开，如图乙所示，即外部电场影响不到导体内部。(2)本质：是静电感应，导体外表面感应电荷与外电场在导体内部任一点的电场强度的叠加结果为零。2．接地导体壳内部电场对壳外空间无影响的情况(1)现象①如图甲所示，导体壳没有接地时，处于内部电场中，达到静电平衡，导体壳内外表面出现等量异种电荷，壳内外表面之间电场强度处处为零，壳外电场强度不为零。②导体壳接地后，如图乙所示，导体壳外的正电荷被大地负电荷中和，正电荷出现在地球的另一端无穷远处，导体壳内外表面之间及导体壳外部电场强度处处为零，导体壳外部空间不受内部影响。(2)本质：仍然是静电感应，使导体壳内表面感应电荷与壳内电荷在导体壳内表面以外空间叠加结果为零

[针对训练]1．请用学过的电学知识判断下列说法正确的是

(

)A．维修高压电路的电工穿绝缘衣比穿金属衣安全B．制作汽油桶的材料用金属比用塑料好C．小鸟停在单根高压输电线上会被电死D．打雷时，待在汽车里比待在木屋里要危险解析：绝缘衣在高电压下不能屏蔽高压电场对人体的损害，而穿金属衣可以对高压电产生的电场起到屏蔽作用，A错误；由电学知识可知，汽油桶用金属材料制作时可以及时将产生的静电导走，B正确；小鸟站在单根高压输电线上，因为两爪之间电压几乎为零，故小鸟不会被电死，C错误；由静电屏蔽知识可知，打雷时待在汽车里更安全，故D错误。答案：B2.(2022·浙江台州期末)如图所示为某带电导体四周的电场线分布，M、N是电场中两点，则

(

)A．导体左侧带正电，右侧带负电B．导体左侧的电荷分布密度大于右侧C．M点的电场强度大于N点的电场强度D．导体内部的P点场强为零解析：由电场线分布可知，导体左右两侧均带正电，故A错误；右侧电场线分布较密集，可知导体电荷分布密度左侧小于右侧，故B错误；因N点电场线较M点密集，则N点的电场强度大于M点的电场强度，故C错误；导体处于静电平衡状态，所以内部场强为零，故D正确。答案：D3．(2022·河北衡水期末)如图所示，P是一个带电体，S代表放在绝缘板上的一些小纸屑，而N是一个不带电的空腔金属球。那么，下列图中的纸屑S不会被带电体P吸引的是

(

)解析：由于空腔金属球无论是否接地，都能把外部的电场屏蔽起来不让它影响内部，A正确；若把空腔金属球接地，就能够把内部带电体的电场屏蔽起来不让它影响外部，B项中金属球未接地，金属球内表面和外表面都有感应电荷，纸屑S会被带电体P吸引，B错误；C、D选项中带电体与纸屑在同一空间中，不构成静电屏蔽，会被吸引，C、D错误，故选A。答案：A

一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

物理观念——尖端放电的应用1．(选自鲁科版教材“物理聊吧”)请观察建筑物上的避雷针(如图)，看它们是如何巧妙设计的，分析它们如何能安全引电避雷，它们的造型与建筑物是否协调，并与同学讨论交流。提示：在古建筑物的屋顶、屋角设置各种造型的动物，避雷针一端以动物头上的角须形式或巨兽的舌头向上探出的形式巧妙安装，另一端引入大地，从而起到引电避雷效果。

科学思维——静电除尘的原理分析2．(选自鲁科版教材课后练习)(多选)静电除尘器除尘原理如图所示。尘埃在电场中通过某种机制带电，在静电力的作用下向收尘极迁移并沉积，以达到除尘目的。下列表述正确的是

(

)A．带电尘埃带正电荷B．电场方向由收尘极指向电晕极C．带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相同D．在同一位置，带电荷量越多的尘埃所受静电力越大解析：由题图可知，电晕极为负极，收尘极为正极，带电尘埃必带负电荷，电场方向指向电晕极，带电尘埃受到的静电力方向与电场方向相反，A、C错误，B正确；在同一位置上，电场强度大小相同，带电荷量越多的尘埃所受静电力越大，故D正确。答案：BD二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值1．复印机的核心部件是有机光导体鼓，它是在一个金属圆柱表面涂盖一层有机光导体OPC(没有光照时OPC是绝缘体，受到光照时变成导体)而制成的。如图所示，复印机的基本工作过程是：(1)在暗处的有机光导体鼓和一个金属丝电极之间加上高电压，金属丝附近空气发生电离，使转动鼓体均匀带上正电荷；(2)文件反射的强光通过光学系统在鼓上成像，鼓上形成“静电潜像”；(3)鼓体转动经过墨粉盒，潜像将带相反电荷的墨粉吸引到鼓体带电部位；(4)鼓体继续转动经过复印纸，带电复印纸又将墨粉吸引到复印纸上。以下说法正确的是

(

)A．步骤(1)中发生了静电感应现象

B．步骤(2)中发生了局部导电现象C．步骤(3)中发生了静电平衡现象

D．步骤(4)中发生了静电屏蔽现象解析：在暗处的有机光导体鼓和一个金属丝电极间加高电压，金属丝附近的空气发生电离，这是将空气电离的现象，故A错误；文件反射的强光使鼓体上部分OPC变成导体，将电荷导走，有字的部分则仍是绝缘体，保留电荷，这是局部导电现象，B正确；鼓体转动经过墨粉盒，潜像将带相反电荷的墨粉吸引到鼓体带电部位，这是异种电荷相互吸引现象，C错误；鼓体继续转动经过复印纸，带电复印纸又将墨粉吸引到复印纸上，这是异种电荷相互吸引现象，D错误。答案：B2．(2022·浙江宁波联考)对于下列几幅图中所涉及的物理现象或原理，以下说法不正确的是

(

)A．甲图中，该女生和带电的金属球带有同种性质的电荷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