2022-2023学年高二物理讲义人教版必修第三册9.4 的防止与应用（教师版）

9.4静电的防止与应用学习目标1．理解静电平衡状态及特点。2．知道静电平衡时导体上电荷的分布特点。3．了解生活中的静电现象及应用。重点：静电平衡状态。难点：电场中导体的特点。知识点一、静电平衡状态1．静电感应现象：处于电场中的导体，由于电场力的作用，电荷出现重新分布的现象。2．静电平衡状态：导体中（包括表面上）没有电荷定向移动的状态。如上图所示，金属导体中自由电子受到导体周围电场的电场力作用后向左移动，在右侧出现多余正电荷，导体两侧正、负电荷在导体内部产生与原电场反向的电场，因与原来的电场反向，叠加的结果是使原电场强度逐渐减弱，直至导体内部各点的合电场强度等于零为止，此时F＝E内q＝0，导体内的自由电子不再发生定向移动，处于一个平衡状态，我们就说导体达到静电平衡状态。3．静电平衡状态的特征（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，外部表面附近任何一点的场强方向必跟该点的表面垂直。（3）处于静电平衡状态的整个导体是个等势体，导体的表面为等势面。（4）在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度越大，凹陷的位置几乎没有电荷。4．静电平衡实质（1）在达到静电平衡的过程中，外电场引起导体内自由电荷的定向移动使导体两侧出现感应电荷，感应电荷的电场和外电场方向相反，使合场强减小，随着感应电荷的继续增加，合场强逐渐减小，直至合场强为零，自由电荷的定向移动停止。（2）静电平衡的条件：导体内部的合场强为零，即E合＝0。由于静电感应，在导体两侧出现等量异种感应电荷，感应电荷在导体内部形成与电场E0反向的电场E′，在导体内任一点E′=－E0，使得合电场强度E内=0。【题1】如图所示，接地的金属板右侧有固定的点电荷+Q，a、b两点是金属板右侧表面上的两点，其中a到+Q的距离较小，下列说法正确的是A．由于静电感应，金属板右侧表面带负电，左侧表面带正电B．由于静电感应，金属板右侧表面带负电，左侧表面不带电C．整个导体，包括表面上的a、b两点，是一个等势体，且电势等于零D．a、b两点的电场强度不为零，且a、b两点场强方向相同【答案】BCD【解析】金属板左侧接地，金属板与地球形成了一个导体，金属板相当于近端，而地球相当于远端，根据感应电荷“近异远同”的分布特点，A错，B对；由处于静电平衡状态导体的特点可知，a、b两点电势相等，接地后电势等于零，C对；金属板是一个等势体，电场线垂直于金属板表面向左，所以a、b两点的场强方向相同，D对。【题2】一个带有绝缘底座的空心金属球壳A上均匀带有4×10－8C的正电荷，有绝缘柄的金属小球B上带有2×10－8C的负电荷，使B球与球壳A内壁接触。如图，则A、B带电荷量分别为A．QA＝1×10－8C，QB＝1×10－8CB．QA＝2×10－8C，QB＝0C．QA＝0，QB＝2×10－8CD．QA＝4×10－8C，QB＝－2×10－8C【答案】B【解析】由于A、B带异种电荷，接触以后，要先中和掉一部分电荷，中和以后可以把A、B看做一个整体，对于这个整体来说，由于静电平衡它的内壁和B球将无净电荷的分布。所以QA＝2×10－8C，QB＝0。【特别提醒】（1）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，具有静电平衡的所有特点。（2）人与大地都是导体，在人摸（触）导体的过程中，带电体、人、大地组成一个新导体，达到静电平衡状态。【题3】如图，水平放置的金属板正上方有一固定的正点电荷Q，一表面绝缘的带电的小球（可视为质点且不影响Q的电场），从左端以初速度v0滑上金属板，沿光滑的上表面向右运动到右端，在该运动的过程中A．小球做匀速直线运动B．小球做先减速，后加速的运动C．小球的电势能保持不变D．电场力对小球所做的功为零【答案】ACD【解析】水平放置的金属板处于点电荷Q的电场中而达到静电平衡状态，是一个等势体，其表面电场线处处与表面垂直，所以小球运动时只在竖直方向上受力的作用，在水平方向上不受力的作用，故带电小球（表面绝缘，电荷量不变）在导体表面滑动时，电场力不做功，故小球做匀速直线运动，所以A、C、D选项正确。知识点二、导体上电荷的分布特点1．内外表面分布不同，电荷都分布在外表面上，导体内部没有净电荷。2．感应电荷分布于导体两端，电性相反，电量相等，远同近异，如图甲所示。3．净电荷在导体表面分布不均匀，导体表面尖锐处电荷分布密集，平滑处电荷分布稀疏，凹陷处几乎没有电荷，如图乙所示。【特别提醒】（1）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，具有静电平衡的所有特点。（2）人与大地都是导体，在人摸（触）导体的过程中，带电体、人、大地组成一个新导体，达到静电平衡状态。知识点三、尖端放电1．电离：在导体尖端强电场的作用下，使空气分子中的正负电分离，这种现象叫做空气的电离。2．尖端放电：由于导体尖端的电荷密度很大，其附近电场很强，使周围中性空气分子电离，变成带电离子，这些带电粒子在强电场加速下，会使更多的空气分子电离，产生大量的带电粒子，与导体尖端的电荷符号相反的粒子被吸引到尖端，跟尖端上的电荷中和，这相当于尖端失去电荷，这个现象叫尖端放电。3．应用和防止（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________________会减少电能的损失。知识点四、静电屏蔽1．实质：静电屏蔽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，矢量和为零而已。2．静电屏蔽的两种情况（1）金属壳内部不受外部影响：如图，把验电器靠近带电体，箔片会张开，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，说明网罩内不受外电场的影响。（2）接地的封闭导体壳，内部电场对外部没有影响：如一封闭的导体壳内部空间某点有一点电荷+q。由于静电感应，导体壳内外表面感应出等量的异种电荷。其电场线如图甲所示，当把导体壳接地后，+q在壳内的电场对壳外空间就没有影响了，如图乙所示。当把球壳接地后，壳外表面感应的正电荷在静电力作用下流入大地（实际是大地的电子在电场作用下通过接地的导线流到球壳面上与壳外表面的正电荷中和），使球壳外表面没有电荷，壳外空间就没有电场了，于是网罩内带电体对外界的影响就随之消除。壳内＋q的电场不会受到球壳外界电场的任何影响，这样就出现图乙所示的情况。这种情况，既能屏蔽外界电场对网罩内部的影响，又能屏蔽网罩内带电体对网罩外部电场的影响。【特别提醒】（1）接地的空腔导体，腔外电场对腔内空间不产生影响，腔内电场对腔外空间也不产生影响，即内外互不影响。（2）空腔导体不接地，腔外电场对腔内空间不产生影响，腔内电场对腔外空间产生影响。【题4】下图中P是一个带电体，N是一个不带电的金属空腔，在哪些情况下，放在绝缘板上的小纸屑（图中S）不会被吸引【答案】AD【解析】小纸屑是绝缘体，当处于电场中时，虽不会像导体一样出现电荷的定向移动，但内部的极性分子也会在电场力的作用下移动，使异种电荷一端更靠近施感电荷，因而也会受到施感电荷的吸引力。A中由于静电屏蔽，P的电场影响不到导体N的内部，即N内部无电场，所以S不会被吸引，A正确。B中N没有接地，P的电场会影响到N的外部，即S处有电场，S会被吸引。C中P和S都处于导体N的外部，S处有电场，会被吸引。D中N被接地，内部电场不影响导体外部，即S处无电场，不会被吸引，D正确。【题5】如图，电力工作人员在几百万伏的高压线上进行带电作业，电工全身穿戴带电作业用的屏蔽服，屏蔽服是用导电金属材料与纺织纤维混纺交织成布后再做成的服装，下列说法正确的是A．采用金属材料编织的衣服目的是使衣服不易拉破B．采用金属材料编织的衣服目的是利用静电屏蔽C．电工穿上屏蔽服后，体内场强为零D．电工穿上屏蔽服后，体内电势为零【答案】BC【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势屏蔽面，从而防护人体免受高压电场及电磁波的危害；等势面说明电势相等而不是等于0，而电场中的导体内的电场强度为0，所以BC正确，AD错误。【题6】如图，用起电机使金属鸟笼带电，站在金属架上的鸟安然无恙，且不带电，其原因是A．鸟的脚爪与金属架绝缘B．鸟与笼电势相同，无电势差C．鸟笼内部场强为零，电荷分布在笼的外表面D．起电机使笼带电，笼的电势不会很高【答案】BC【解析】由于金属鸟笼的静电屏蔽作用，使得鸟笼内部场强为零，电荷分布在笼的外表面，C正确；处于静电平衡状态的鸟笼是一个等势体，其上各点电势都相等，故B正确；鸟的脚爪与金属架不是绝缘的，A错误；起电机使鸟笼带电，电势可以达到很高，D错误。3．应用和防止（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：为防止外界电场的干扰，有些电子设备的外面套有金属壳，通讯电缆的外层包有一层金属线来进行静电屏蔽。静电屏蔽也可带来不利的影响，如航天飞机、飞船返回地球大气层时，由于飞船与大气层的高速摩擦而产生高温，在飞船的周围形成一层等离子体，它对飞船产生静电屏蔽作用，导致地面控制中心与飞船的通信联系暂时中断．对宇航员来说，这是一个危险较大的时间段。高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失。【题7】静电喷涂利用了电荷之间的相互作用，其喷涂原理如图，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】根据电荷间的相互作用特点结合题目中现象图分析。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，而达到喷涂的目的，喷嘴与工件之间的电场是非匀强电场，选项D错误；由题图知，待喷涂工件带负电，所以涂料微料应带正电，选项A正确，B、C错误。【题8】小强在加油站加油时，看到加油机上有如图所示的图标，关于图标涉及的物理知识及其理解，下列说法正确的是A．制作这些图标的依据是静电屏蔽原理B．工作人员工作时间须穿绝缘性能良好的化纤服装C．化纤手套与接触物容易摩擦起电存在安全隐患D．用绝缘的塑料梳子梳头应该没有关系【答案】C【解析】这些图标是防止静电的发生，A错误；化纤手套、化纤衣服与接触物容易摩擦起电存在安全隐患，B错，C对；用绝缘的塑料梳子梳头，摩擦起电，存在安全隐患，D错。【题9】如图所示，B是带有绝缘支架的空腔带电金属球壳，A是验电器，A、B相距较远，导线C的一端接验电器的金属球。下列现象正确的是A．将C的另一端与B的外壳接触，验电器的金属箔张开B．将