第4节　静电的防止与利用 教学设计

第4节静电的防止与利用[学习目标]1．了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体的特性。2．了解静电平衡时带电导体上电荷的分布特点。3．了解尖端放电、静电屏蔽和静电吸附现象。知识点1静电平衡1．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电场强度等于0，导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。2．静电平衡状态的特征：(1)处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0。(2)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。[判一判]1．(1)处于静电平衡状态的导体内部任意点的电场强度为零。()(2)静电平衡状态下的导体内部电场强度处处为零，导体内部没有电荷。()(3)处于静电平衡状态下的导体内部的自由电荷静止不动。()提示：(1)√(2)×(3)×知识点2尖端放电1．电荷分布特点：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。2．电离：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。3．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。4．应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。5．防止：高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失。知识点3静电屏蔽1．定义：静电平衡时，在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，但由于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：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，都是利用静电屏蔽现象消除外电场的影响。[判一判]2．(1)避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地。()(2)用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，则验电器箔片能张开。()提示：(1)×(2)×知识点4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，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。3．静电复印：复印机也应用了静电吸附。1．(静电感应和静电平衡)如图所示，Q为一带正电的点电荷，P为原来不带电的枕形金属导体，a、b为导体内的两点。当导体P处于静电平衡状态时()A．a、b两点的电场强度大小Ea、Eb的关系为Ea>EbB．a、b两点的电场强度大小Ea、Eb的关系Ea<EbC．感应电荷在a、b两点产生的电场强度大小Ea′和Eb′的关系是Ea′>Eb′D．感应电荷在a、b两点产生的电场强度大小Ea′和Eb′的关系是Ea′＝Eb′解析：选C。当导体P处于静电平衡状态时，导体内部电场强度处处为零，故a、b两点的电场强度大小Ea、Eb的关系为Ea＝Eb＝0，A、B错误；感应电荷在a、b两点产生的电场强度与点电荷在a、b两点产生的电场强度等大反向，则感应电荷在a、b两点产生的电场强度的大小Ea′和Eb′的关系是Ea′>Eb′，C正确，D错误。2．(静电屏蔽)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：选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相当于把A接地，由大地传导过来的电子与A球外表面正电荷中和，使A球外表面不带电，此时A球对外起静电屏蔽作用，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，B正确。3．(尖端放电)在气候干燥的秋冬季节，人们常常会碰到这些现象：晚上脱衣时，常会听到“劈啪”的声响；早上起来梳头时，头发常会“飘”起来。这就是发生在我们日常生活中的静电现象。有一次，小明的手指靠近金属门把手时，突然有一种被电击中的感觉。这是因为运动摩擦使身体带电，当手指靠近门把手时，二者之间形成的放电现象。若放电前，小明的手指带负电。有关金属门把手的两端被感应带电的情况，下列图中标示正确的是()解析：选A。人的手指带负电，则由于静电感应，门把手中离手指较近的一端感应出正电，离手指较远的一端感应出负电，则图A是正确的。4．(静电的防止和利用)生活科技上处处存在静电现象，有些是静电的应用，有些是要防止静电；下列关于静电防止与应用说法正确的是()A．印染厂应保持空气干燥，避免静电积累带来的潜在危害B．静电复印机的工作过程实际上和静电完全无关C．在地毯中夹杂0.05～0.07mm的不锈钢丝导电纤维，是防止静电危害D．小汽车的顶部露出一根小金属杆类同避雷针，是防止静电危害解析：选C。印刷车间中，纸张间摩擦产生大量静电，所以印刷车间中保持适当的湿度，及时把静电导走，避免静电造成的危害，故A错误；静电复印机是利用静电工作的，与静电有关，故B错误；不锈钢丝的作用是把鞋底与地毯摩擦产生的电荷导入大地，避免发生静电危害，属于防止静电危害，故C正确；小汽车的顶部露出的一根小金属杆是天线，接受无线电信号用，不属于防止静电危害，故D错误。探究一静电感应和静电平衡【问题导引】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？定向移动的方向又如何？(2)自由电子能否一直定向移动？为什么？[要点提示](1)自由电子受外加电场的电场力作用而移动，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．处于静电平衡状态的导体内部电场强度为0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．处于静电平衡的导体表面的电场线应与导体表面垂直。【例1】(多选)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[解析]P处为正点电荷，b点感应出负电荷，a点感应出正电荷，导体内部合电场强度为0，A、D错误，B、C正确。[答案]BC[针对训练1]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．a＞b＞c＞d B．a＞c＞d＞bC．a＞c＝d＞b D．a＜b＜c＝d解析：选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：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0，则Ea＞Ec＞Ed＞Eb，故B正确，A、C、D错误。探究二静电屏蔽1．导体外部的电场影响不到导体内部(1)静电屏蔽的本质是静电感应，导体外面的电场不影响导体内部，是因为外电场与导体表面的感应电荷在导体内部任一点的电场强度叠加后合电场强度为零。(2)把验电器靠近带电体，箔片会张开(如图甲)，但如果把验电器置于金属网罩内，再靠近带电体，箔片不再张开(如图乙)，说明网罩内不受外电场的影响。2．接地导体的内部电场影响不到导体外部(1)接地导体的内部电场不影响导体外部，是因为导体外部的感应电荷都被排斥入地，在只有施感电荷和内壁感应出的异种电荷的情况下，两部分电荷在导体外部任何一点的电场强度叠加后合电场强度为零。(2)如果一封闭的导体球壳内部空间有一点电荷＋q，由于静电感应，导体球壳内外表面感应出等量的异种电荷，其电场线分布如图甲所示；当把导体球壳接地后，＋q在壳内的电场对外部空间就没有影响了，此时的电场线分布如图乙所示。【例2】如图所示，将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内(始终不与球接触)，现将一个悬挂在绝缘细线上的带负电的小球B放在C附近，待稳定后，以下说法正确的是()A．A对B无静电力作用，B对A无静电力作用B．A向左偏离竖直方向，B向右偏离竖直方向C．A对B的静电力向左，B对A的静电力向右D．A的位置不变，B的位置也不变[解析]A在空心金属球内，由于静电感应，使得C外表面带正电，B、C相互吸引，所以B向右偏；而金属空腔可以屏蔽外部电场，所以B的电荷对空腔C的内部无影响，即A、B之间无相互的静电力，所以A位置不变。[答案]A[针对训练2]如图所示，A是带正电的物体，B是金属网，C是原来不带电的金箔验电器，下图中能使验电器的金箔张开的是()解析：选C。题图A、B中，由于金属网的屏蔽作用，带电体A对验电器无作用，故A、B错误；题图C中，受带电体A作用，金属网内外分别带等量异种感应电荷，在验电器处有电场，即能使验电器的金箔张开，故C正确；题图D中由于金属网接地，网罩外无电场，无法使验电器的金箔张开，故D错误。探究三尖端放电静电的防止和利用【例3】雷暴天气和雷击事件，引起了相关部门的高度重视，要求有关部门加大防雷避雷知识的宣传，提高广大人民群众的防范意识，做好防雷工作，保障人民群众安全。假如在户外我们遭遇雷电，下列防雷措施可行的是()①在大树下避雷雨②停留在山顶、山脊的凉亭等地方避雷雨③不要快速开摩托车、快骑自行车和在雨中狂奔④在空旷地带，最好关掉手机电源A．①③ B．②③C．①④ D．③④[解析]大树、山顶、山脊的凉亭等地方是表面具有突出尖端的导体，可能使其周围的空气发生电离而引发尖端放电，故不能躲避雷雨，①、②不可行；快速开摩托车、快骑自行车和在雨中狂奔，身体的跨度越大，电压越大，雷电也越容易伤人，故③正确；在空旷地带使用手机通话，手机很有可能成为闪电的放电对象，④正确，故D正确。[答案]D[针对训练3]冬天，人们在晚上脱衣服的时候，有时会看到火花，并伴有“劈啪”声，这是因为()A．衣服由于摩擦而产生了静电B．人体本身是带电体C．空气带电，在衣服上放电所致D．以上说法均不正确解析：选A。在干燥的天气中脱衣时，外衣与里面的衣服摩擦，使它们带有异种电荷，电荷放电，发出“劈啪”声，所以属于摩擦起电。(限时：20分钟)【合格考练】1．下列说法正确的是()A．在自助加油站给汽车加油时，可以接打移动电话B．家用电器或电线发生火灾时，应先断开电源再灭火C．如果有人触电倒地，应该抱住他的腰部拖到安全的地方D．超高压带电作业的工人所穿衣物的织物中掺入了金属丝，目的是导走因摩擦产生的静电解析：选B。在自助加油站给汽车加油时，不可以接打移动电话，会有爆炸的风险，故A错误；家用电器或电线发生火灾时，应先断开电源再灭火，故B正确；如果有人触电倒地，抱住他的腰部有触电的风险，应立即切断电源或者用绝缘体挑开电线，故C错误；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，这种工作服叫屏蔽服，其作用是在穿用后，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，故D错误。2．下列措施中不是利用静电作业的是()A．静电复印 B．静电除尘C．静电喷涂 D．高楼顶端安装避雷针解析：选D。复印机复印文件资料，就是利用静电墨粉成在鼓上，故A属于静电的利用，不符合题意；静电除尘时除尘器中的空气被电离，烟雾颗粒吸附电子而带负电，颗粒向电源正极运动，故B属于静电的利用，不符合题意；喷枪喷出的油漆微粒带正电，因相互排斥而散开，形成雾状，被喷涂的物体带负电，对雾状油漆产生引力，把油漆吸到表面，故C属于静电应用，不符合题意；在高楼顶端安装避雷针属于防止静电造成危害，D属于静电的防止，不属于静电应用，符合题意。3．处于静电平衡的导体，内部电场强度处处为零的原因是()A．导体内部无任何电场B．外电场不能进入导体内部C．所有感应电荷在导体内部产生的合电场强度为零D．外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为零解析：选C。处于静电平衡的导体内部存在两个电场，一个是外加电场、一个是导体内部自己产生的感应电场，两电场叠加的合电场强度为零，故只有C正确。4．下列四幅图描述的场景依次为雷电击中避雷针(图甲)、高压输电线上方还有两条与大地相连的导线(图乙)、燃气灶中的针尖状点火器(图丙)、工人穿戴着含金属丝制成的工作服进行超高压带电作业(图丁)，关于这四幅图所涉及的物理知识，下列说法正确的是()A．图甲中避雷针的工作原理主要是静电屏蔽B．图丙中的点火器是利用摩擦起电的原理进行点火的C．图丙中的点火器的工作原理和图丁中工作服内掺入金属丝的工作原理是相同的D．图乙中与大地相连的两条导线所起的作用和图丁中工作服内的金属丝所起的作用是相同的解析：选D。避雷针的工作原理主要是利用尖端放电避免雷击，A错误；放电电极做成针尖状，更容易累积电荷从而发生尖端放电现象，B错误；点火器是利用高压尖端放电的原理，而工作服内掺入的金属丝，是利用了静电屏蔽的原理，C错误；高压输电线的上方还有两条导线，这两条导线的作用是它们与大地相连，形成稀疏的金属“网”把高压线屏蔽起来，免遭雷击，与工作服内掺入金属丝，都是利用了静电屏蔽的原理，D正确。5．(多选)静电的应用有多种，如静电除尘、静电喷涂、静电植绒、静电复印等，它们依据的原理都是让带电的物质粒子在电场力作用下奔向并吸附到电极上，静电喷漆的原理如图所示，则以下说法正确的是()A．在喷枪喷嘴与被喷涂工件之间有一强电场B．涂料微粒一定带正电C．涂料微粒一定带负电D．涂料微粒可以带正电，也可以带负电解析：选AC。静电喷涂的原理就是让带电的涂料微粒在强电场的作用下被吸附到工件上，而达到喷漆的目的，A正确；由题图知，待喷漆工件带正电，所以涂料微粒应带负电，C正确。6．随着人们生活水平的提高，各种家用电器逐渐走入我们的居家生活，而家用电器所产生的静电会被人体吸收并积存起来，加之居室内墙壁和地板多属绝缘体，空气干燥，因此更容易受到静电干扰。由于老年人的皮肤相对年轻人干燥以及老年人心血管系统的老化、抗干扰能力减弱等因素，因此老年人更容易受静电的影响。心血管系统本来就有各种病变的老年人，静电更会使病情加重。过高的静电还常常使人焦躁不安、头痛、胸闷、呼吸困难、咳嗽。我们平时生活中就应当采取措施，有效防止静电，下列不可行的是()A．室内要勤拖地、勤洒些水B．要勤洗澡、勤换衣服C．选择柔软、光滑的化纤类衣物D．尽量避免使用化纤地毯和塑料为表面材料的家具解析：选C。室内勤拖地、勤洒些水，可以把室内的静电导入地下而防止静电，故A正确，不符合题意；要勤洗澡、勤换衣服，可以把人体因为摩擦产生的静电导入地下而防止静电，故B正确，不符合题意；柔软、光滑的化纤类衣物摩擦时容易产生静电，而且静电不容易导走，故C错误，符合题意；化纤地毯和塑料容易在摩擦中产生静电，而且静电不容易导走，所以尽量避免使用化纤地毯和塑料为表面材料的家具，故D正确，不符合题意。7．(多选)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解析：选BC。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；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。8.如图所示，把原来不带电的金属壳B的外表面接地，将一带正电的小球A从小孔中放入金属壳内，但不与B接触，达到静电平衡状态后，则()A．B的空腔内电场强度为零B．B不带电C．B的外表面带正电D．B的内表面带负电解析：选D。因为金属壳的外表面接地，所以外表面无感应电荷，只有内表面有感应电荷分布，且由于A带正电，则B的内表面带负电，D正确，B、C错误；B的空腔内有带正电的小球A产生的电场和金属壳内表面感应电荷产生的电场，由电场叠加知，电场线的方向由A指向B，所以空腔内电场强度不为零，A错误。【等级考练】9.(多选)如图所示，将悬在绝缘细线上带正电的小球A放在不带电的金属空心球壳B内(与内壁不接触)。外加一个水平向右的电场强度为E的