人教高中物理同步讲义练习必修三9.4静电的防止与利用（解析版）

第九章静电场及其应用第4节静电的防止与利用课程标准学习目标了解生产生活中关于静电的利用与防护。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.3．了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理．（一）课前阅读：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．2.避雷针是利用尖端放电保护建筑物的一种设施，其原理是什么？答案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，使建筑物避免雷击．3．静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的？答案处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为零，即使导体壳外有电场，由于壳内电场强度保持为0，外电场对壳内的物体不会产生影响．（二）基础梳理一、静电平衡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0.3．导体上电荷的分布：(1)静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，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．【微点拨】孤立的带电体孤立的带电体，电荷分布稳定后，也处于静电平衡状态。【即学即练】1.判断下列说法的正误.(1)处于静电平衡状态下的导体内部的外加电场与附加电场的矢量和为零，即导体内部的电场强度处处为零．(√)(2)静电平衡时，导体内部表现为电中性，电荷都分布在外表面，导体内部没有净剩电荷．(√)(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．(×)二、尖端放电静电屏蔽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．4．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0.外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响，金属壳的这种作用叫作静电屏蔽．5．静电屏蔽的应用：电学仪器外面有金属壳、野外高压线上方还有两条导线与大地相连．【拓展补充】在如图所示的实验中，验电器的金属箔片能张开吗？为什么？提示：(1)图甲中不会张开，金属网可以屏蔽外电场。(2)图乙中会张开，因为金属网未接地，网内的带电体可以对外界产生影响。(3)图丙中不会张开，因为金属网已接地，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。三、静电吸附1．静电吸附：在电场中，带电粒子在静电力作用下，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．4．静电复印：复印机应用了静电吸附的原理，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是绝缘体，受光照时变成导体．【微点拨】静电除尘小实验这里介绍一种很简单的演示装置。将圆柱形铁罐的底部去掉，变为两端开口的圆筒，再通过一根绝缘柄把圆简装在铁架台上，圆筒的中轴线处吊一根下系一个重物的金属线。演示时，将静电起电机的两个电极分别接于圆筒和金属线上端。在圆筒下方点燃蚊香，烟雾从圆筒上冒出。起电时，烟雾即刻消失。一、静电平衡1．处于静电平衡状态的导体内部电场强度为零的本质是外电场E0和感应电荷产生的电场E′的合电场强度为0，即E0＝－E′.2．孤立的带电导体处于静电平衡状态，内部电场强度为0的本质是分布在导体外表面的电荷在导体内部的合电场强度为0.3．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．4．静电平衡时，导体上的电荷分布在导体的外表面，其内部没有净电荷，且净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．【典例精析】例1．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＝EBC．感应电荷在A、B两点产生的附加电场强度EA＜EBD．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，出现静电感应现象，导致电荷重新分布，因此在枕形导体内部出现感应电荷的电场与点电荷的电场叠加，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附加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，电子从大地沿导线向导体移动，D正确．【规律方法】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．二、尖端放电静电屏蔽1．尖端放电导体尖端电荷密度大，周围的电场强度大，把周围的空气电离，带电粒子在强电场的作用下加速撞击空气中的分子，使它们进一步电离，所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和．2．静电屏蔽(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导体外部电场不影响导体内部接地导体内部的电场不影响导体外部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，外表面的感应电荷因接地将传给地球，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，所以做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体【典例精析】例2．将悬挂在绝缘细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内(不与球接触)，另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，如图所示，则()A．A向左偏离竖直方向，B向右偏离竖直方向B．A的位置不变，B向右偏离竖直方向C．A向左偏离竖直方向，B的位置不变D．A和B的位置都不变【答案】B【解析】带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内，由于静电感应，空心球外壳带正电，内壁带负电，因此B所在处有电场，所以B在静电力作用下向右偏而靠近C；由于空心球能屏蔽B球的电场，所以，A所在处电场强度为零，故A球不受静电力作用，位置不变．故B正确．三、静电吸附【典例精析】例3．(多选)如图所示为静电除尘示意图，在M、N两点间加高压电源时，金属管内的空气电离，电离出的电子在静电力的作用下运动，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电荷，因而煤粉被吸附到管壁上，排出的烟就清洁了．就此示意图，下列说法正确的是()A．N接电源的正极 B．M接电源的正极C．电场强度EB＞EA D．电场强度EB＜EA【答案】AC【解析】电子附着在煤粉上，使煤粉带上负电荷，煤粉若能吸附在管壁上，说明管壁带正电荷，因此可知N接电源正极，A正确，B错误．金属棒与金属管可看成圆柱电极与圆环电极，电场线分布情况如图所示．由图可知金属棒附近的B点处电场线较密，而靠近金属管壁的A点处电场线较疏，故B处电场强度比A处电场强度大，即EB＞EA，C正确，D错误．1．对静电平衡的三点理解(1)静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果，达到静电平衡时，自由电荷不再发生定向移动。(2)金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的。(3)导体达到静电平衡后内部电场强度处处为零是指外电场E0与导体两端的感应电荷产生的附加电场E′的合电场强度为零，即E′＝－E0。2．静电平衡状态下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)净电荷在导体表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集，如图乙所示。3．静电屏蔽的实质静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象并达到静电平衡，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，所以做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体。4．静电屏蔽问题的三点注意(1)空腔可以屏蔽外界电场，接地的空腔可以屏蔽内部的电场，其本质都是因为激发电场与感应电场叠加的结果，分析中应特别注意分清是哪一部分电场作用的结果，还是合电场作用的结果。(2)对静电感应，要掌握导体内部的自由电荷是如何移动的，是如何建立起附加电场的，何处会出现感应电荷。(3)对静电平衡，要理解导体达到静电平衡时所具有的特点。一、单选题1．如图所示，在超高压带电作业中，电工所穿的高压工作服内有编织的铜丝，这样做的目的是（）A．铜丝编织的衣服不易拉破B．铜丝电阻小，对人体起到保护作用C．电工被铜丝衣服所包裹，使衣服内场强为零D．电工被铜丝衣服所包裹，使衣服内电势为零【答案】C【解析】屏蔽服的作用是在穿用后，使处于高压电场中的人体外表面各部位形成一个等电位屏蔽面，从而防护人体免受高压电场及电磁波的危害，等电位说明电势相等而不是等于0，等电势时电势差为0，电场强度为0。故选C。2．如图所示，验电器A不带电，验电器B上装有带孔的空心金属球C，金属球C带电。D是带有绝缘手柄的金属小球，可以从C上方的小孔进入其内部。下列说法正确的是（）A．图甲中，使D跟C的外部接触，再让D跟A靠近时，A的箔片张开B．图甲中，使D跟C的外部接触，再让D跟A接触时，A的箔片不张开C．图乙中，使D跟C的内部接触，再让D跟A靠得更近些，A的箔片张开D．图乙中，使D跟C的内部接触，再让D跟A接触，重复多次后，A的箔片张开【答案】A【解析】A．空腔导体带电时净电荷分布于金属球外侧，内部不带电，故让D先接触金属球C的外部，则D带上电荷，再让D跟A靠近时，由于发生静电感应，A的箔片张开，故A正确；B．让D先接触金属球C的外部，则D带上电荷，再让D跟A接触时，A的箔片张开，故B错误；C．让不带电的D先跟C的内部接触，因为C的内部不带电，所以D始终不带电，再让D跟A靠得更近些，A的箔片始终不张开，故C错误；D．让不带电的D先跟C的内部接触，因为C的内部不带电，所以D始终不带电，再让D跟A接触，A的箔片始终不张开，故D错误。故选A。3．静电喷涂利用了电荷之间的相互作用，其喷涂原理如图所示，则下列说法正确的是（）A．涂料微粒一定带正电B．涂料微粒一定带负电C．涂料微粒可能带正电，也可能带负电D．喷嘴与工件之间的电场为匀强电场【答案】A【解析】ABC．由于工件带负电，因此根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，涂料微粒一定带正电，可知才能更容易吸附在工件上，A正确，B、C错误；D．根据图中的信息可知，喷嘴与工件之间的电场是非匀强电场，D错误。故选A。4．关于静电的防止与利用，下列说法正确的是（）A．飞机上的着地轮用绝缘橡胶做轮胎，是为了及时地把飞机在飞行过程中由于摩擦而产生的电荷转移给大地，以免发生放电现象，保证飞机和乘客的安全B．给病人做麻醉的医生和护士都要穿绝缘性能良好的化纤制品，可防止麻醉药燃烧C．避雷针是利用了静电的尖端放电现象制作的，通常把避雷针顶端设计成球形是为了美观D．高压输电线表面要很光滑，才能避免因尖端放电而损失电能【答案】D【解析】A．飞机上的着地轮是用导电橡胶做轮胎，而不是用绝缘橡胶的，故A错误；B．绝缘性能良好的化纤制品制成的衣服不能及时把静电导入大地，容易造成手术事故，故B错误；C．避雷针是利用了静电的尖端效应制作的，故避雷针必须做成针状，不能做成球形，故C错误；D．由于尖端效应，高压输电线表面要很光滑，才能避免因尖端放电而损失电能，故D正确。故选D。【点睛】静电的防止更多的指的是对产生的静电进行消除，防止它产生危害，而不是防止它产生。5．如图是某款家用空气净化器及其原理示意图，污浊空气通过过滤网后尘埃带电。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正电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【答案】B【解析】A．尘埃经过过滤网后被正极吸引，所以尘埃带负电，故A错误；B．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；C．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；D．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。故选B。6．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E、E的说法中正确的是（）A．E≠0E＝0 B．E＝0E≠0C．E＝0E＝0 D．E≠0E≠0【答案】C【解析】由题意，可知空心金属球壳处于静电平衡状态，根据处于静电平衡状态中的导体，内部电场强度处处为零，可知EO＝0，EM＝0。故选C。7．如图所示，在绝缘板上放有一个不带电的金箔验电器A和一个带正电荷的空腔导体B。下列实验方法中不能使验电器箔片张开的是（）A．用取电棒C（带绝缘柄的导体棒）先跟B的内壁接触一下后再跟A接触B．用取电棒C先跟B的外壁接触一下后再跟A接触C．用带绝缘外皮的导线把验电器A跟取电棒C的导体部分相连，再把取电棒C与B的内壁接触D．使验电器A靠近B【答案】A【解析】A．取电棒C先和B的内壁接触后，由于B的内壁本身没有电荷，接触后取电棒C不带电，所以再接触A时验电器箔片不张开，故A符合题意；B．用取电棒C先跟B的外壁接触一下，接触后取电棒C带电，再跟A接触时验电器箔片张开，故B不符合题意；C．用带绝缘外皮的导线把验电器A跟取电棒C的导体部分相连，实际上是将验电器A和C连成了一个导体，A因接触而带电，验电器箔片张开，故C不符合题意；D．使验电器A靠近B，由于感应起电使验电器箔片张开，故D不符合题意。故选A。8．如图所示为科技馆里一个趣味体验项目的简化图，核心装置为一个金属球，在干燥的空气里，体验者双脚站在绝缘凳上，右手按在金属球上，并远离周围其他物体。一条特殊传送带（图中未画出）给金属球不断地输送电荷，过一段时间后，体验者的头发便会四处散开，甚至倒立，十分有趣，在此状态下，下列分析正确的是（）A．若用左手也去摸金属球，会被电击B．若用左手与旁边的观众握手，会被电击C．若右手离开金属球，则头发会立刻恢复常态D．若右手离开金属球而且走下绝缘凳，头发不会立刻恢复常态【答案】B【解析】A．若用左手也去摸金属球，不会有电流产生，不会被电击，A错误；B．若用左手与旁边的观众握手，会发生放电现象而被电击，B正确；C．若右手离开金属球，电荷不会转移，头发仍然四处散开，C错误；D．若右手离开金属球而且走下绝缘凳，则电荷将进入大地，人体将不再带电，头发会立刻恢复常态，D错误；故选B。二、多选题9．如图所示，将一个带正电的小球Q放在本身不带电的导体AB靠近A端一侧，由于静电感应，导体的A、B两端分别出现负、正感应电荷。则以下说法正确的是（）A．A端接一下地，导体将带正电荷B．A端接一下地，导体将带负电荷C．导体内部电场强度为0D．导体上的感应电荷在导体内部产生的电场强度为0【答案】BC【解析】AB．达到静电平衡状态以后，A处带负电荷，B处带正电荷，当A端接一下地，会使大地的电子流入导体，导体B处电荷被中和，则导体将带负电，故A错误，B正确；CD．导体在带正电的小球附近时，导体上的自由电子会向金属棒的左边运动，金属棒的右端因少了多余的电子而带正电，左端因多余电子而带负电，到达静电平衡状态以后，导体上感应电荷在导体中产生的电场强度跟靠近的带正电小球在导体中产生的电场强度的合场强为零，故导体内部的电场强度处处为0，导体上的感应电荷在导体内部产生的电场强度不为0，故C正确，D错误。故选BC。10．如图所示，在原来不带电的金属细杆ab附近P处，放置一个正点电荷，达到静电平衡后（）A．a端带负电荷B．b端带负电荷C．c点电场强度为0D．杆内c处电场强度的方向由a指向b【答案】BC【解析】AB．由感应起电可知，当P处为正点电荷，b点感应出负电荷，a点感应出正电荷，故A错误，B正确；CD．处于静电平衡的导体内部合电场强度为0，故C正确，D错误。故选BC。【点睛】主要考查感应起电和静电平衡相关概念11．在一次科学晚会上，一位老师表演了一个“魔术”：如图所示，一个没有底的空塑料瓶上固定着一根铁锯条和一块易拉罐（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。则下列说法正确的是（）A．锯条和金属片之间为匀强电场B．锯条附近的电场强度最大C．若锯条接电源负极，金属片接正极，当摇动起电机时，烟雾会向金属片移动D．当把起电机一摇，顿时塑料瓶清澈透明，当起电机停止摇动一段时间后，又会是烟雾缭绕【答案】BCD【解析】A．由于锯条和金属片形状不同，面积不等，且锯条上电荷分布不均匀，则锯条和金属片之间的电场不为匀强电场，故A错误；B．由于锯条上尖端部分比较多，聚集的电荷最多，则电场强度最大，故B正确；C．起电机产生高电压使锯条和金属片之间的电场将空气中的分子电离，电离出来的电子被烟尘颗粒吸附，俘获电子的烟尘颗粒带负电，容易被带正电的金属片吸引，故烟雾会向金属片移动，故C正确；D．当把起电机一摇，锯条和金属片之间形成电场，电离空气分子，使烟尘颗粒吸附电子后被带正电的金属片（或锯条）吸引，从而使塑料瓶清澈透明。当起电机停止摇动一段时间后，锯条和金属片上的电荷被中和，电场消失，则瓶中又会烟雾缭绕，故D正确。故选BCD。12．从生活走向物理，从物理走向社会，物理和生活息息相关，联系生活实际对物理基本概念的认识和理解，是学好物理的基础。下列有关电学知识的相关说法，正确的是（）A．图甲中超高压带电作业的工作人员，为了保证他们的安全，他们必须穿上橡胶制成的绝缘衣服B．图乙中家用煤气灶的点火装置，是根据尖端放电的原理而制成的C．图丙中是避雷针的示意图，避雷针可以在雷雨天防止建筑物被雷击D．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相同的电荷，这样使油漆与金属表面在静电斥力作用下喷涂更均匀【答案】BC【解析】A．图甲中超高压带电作业的工作人员，为了保证他们的安全，他们必须穿上金属丝制成的衣服，以起到静电屏蔽的作用，选项A错误；B．图乙中家用煤气灶的点火装置，是根据尖端放电的原理而制成的，选项B正确；C．高大的建筑物顶安放避雷针是为了防止静电，在高大建筑物屋顶插入一根尖锐的导体棒地引线与接地装置连接能把静电导走，防止建筑物被雷击，故C正确；D．静电喷漆时使被喷的金属件与油漆雾滴带相反的电荷，这样使油漆与金属表面在静电引力作用下喷涂更均匀，故D错误。故选BC。13．如图所示，在左边的绝缘支架上插上顶针（其顶端是尖的），在顶针上装上金属风针，若给风针附近的圆形金属板接上正高压极，风针接负高压极，风针尖端放电会使其旋转起来，下列说法中正确的是（）A．风针尖端附近的电场线分布较密B．风针附近的空气在强电场下发生电离