第4节　静电的防止与利用-物理人教版必修第三册

第4节静电的防止与利用学习目标1.知道什么是静电平衡状态，理解处于静电平衡状态的导体的特性。2.知道什么是静电屏蔽及其有关应用。3.了解静电吸附原理及其应用。知识点一静电平衡尖端放电如图所示，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？提示(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。1.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。2.尖端放电(1)空气的电离：在一定条件下，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。(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应该尽量光滑，减少电能的损失。【思考】(1)验电器的金属杆上端固定一个金属球而不是做成针尖状，原因是什么？(2)避雷针的顶端设计成针尖的形状而不设计成球形的原因又是什么？提示(1)传到验电器上的电荷会向尖端聚集，而验电器的金属杆上端固定一个金属球，不会使金属小球上聚集很多电荷，这是为了防止尖端放电。(2)避雷针利用尖端放电的原理来避雷，必须做成针状，不能做成球形，带电云层靠近建筑物时，避雷针上产生的感应电荷会通过针尖放电，中和云层中的电荷。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E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，E′＝－E。2.处于静电平衡时的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。3.处于静电平衡的导体周围的电场分布情况电场线与导体表面垂直。静电平衡的导体尖端电荷集中，电荷电场线密集。4.感应电荷电场强度的求解思路(1)先求解外电场在该处电场强度的大小和方向。(2)再利用导体内部合电场强度处处为零和电场的叠加原理，求解感应电荷在该处的电场强度，此电场强度与外电场的电场强度大小相等，方向相反。角度1对静电平衡的理解例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。角度2处于静电平衡的导体的电荷分布例2一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10－8C的正电荷，上端开有适当小孔，绝缘柄的金属小球B带有2×10－8C的负电荷，使B球和A球内壁接触，如图所示，则A、B带电荷量分别为()A.QA＝1×10－8CQB＝1×10－8CB.QA＝2×10－8CQB＝0C.QA＝0QB＝2×10－8CD.QA＝4×10－8CQB＝－2×10－8C答案B解析B球与A球内壁接触后成为一个新的导体，处于静电平衡状态，内部的电荷量为零，带电导体的电荷只能分布于导体的外表面，故QB＝0，QA＝4×10－8C－2×10－8C＝2×10－8C，B正确。训练1(2023·河北衡水中学月考)矩形金属导体处于正点电荷Q产生的电场中，静电平衡时感应电荷产生的电场在导体内的电场线分布情况正确的是()答案A解析导体处于静电平衡状态时，导体内部电场强度处处为0，感应电荷在导体内部某处产生的电场与场源电荷Q在此处产生的电场电场强度大小相等，方向相反，故A正确，B、C、D错误。知识点二静电屏蔽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A中不会张开，金属网可以屏蔽外电场；B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；C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。1.静电屏蔽静电平衡时，空腔导体内表面没有电荷，导体壳壁内的电场强度为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.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。【思考】超高压带电作业的工人穿戴的工作服(图)，为什么要用包含金属丝的织物制成？提示通过静电屏蔽保证工人带电作业时的安全。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类别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导入大地，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，不能是绝缘体例3如图所示，放在绝缘台上的金属网罩B内放有一个不带电的验电器C，若把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则()A.金属罩B的内表面带正电荷B.金属罩B的右侧外表面带正电荷C.验电器C的金属箔片将张开D.金属罩B左、右两侧电荷电性相同答案B解析金属罩B处于静电平衡状态，电荷分布在其外表面上，A错误；由于静电感应，使金属罩B在左侧外表面感应出负电荷，所以金属罩B的右侧外表面感应出正电荷，B正确，D错误；由于静电屏蔽，金属网罩内电场强度为零，故验电器C上无感应电荷，验电器C的金属箔片不会张开，C错误。训练2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(不和球壁接触)，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，下列说法正确的有()A.A往左偏离竖直方向，B向右偏离竖直方向B.A的位置不变，B往右偏离竖直方向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放在不带电的空心球C内，通过静电感应，空心球外壳带正电，内壁带负电，因此，金属空心球C的外表面和带电小球B带异种电荷，所以B受C球的吸引往右偏离竖直方向，而由于空心球C能屏蔽小球B所产生的外部电场，因此A球不受B球电场的影响，而保持竖直位置不变，选项B正确。知识点三静电吸附油罐车尾部都装有导电拖地带，你知道这是为什么吗？提示油罐车在运输过程中，油与桶壁的摩擦、车身与空气的摩擦都会产生静电，导电拖地带的作用是及时地把静电导走，防止产生电火花而发生爆发。1.静电吸附在电场中，带电粒子受到静电力的作用，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，向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，复印机的有机光导体鼓表面涂覆有机光导体(OPC)，没有光照时，OPC是绝缘体，受到光照时变成导体。1.静电的应用利用静电的性质应用举例利用静电能吸引较小物体静电复印、静电喷漆、静电喷雾、激光打印、静电除尘利用高压产生的电场静电保鲜、静电灭菌、农作物种子处理利用放电产生物臭氧防止紫外线、氮合成氨2.静电的防止防止静电危害的基本办法是尽快把产生的静电导走，避免越积越多。防止静电的途径主要有：(1)避免产生静电，例如，在可能情况下选用不易产生静电的材料。(2)避免静电的积累，产生的静电要设法导走，例如，增加空气湿度、接地等。例4(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，金属管内的空气被电离，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处的电场强度比A处的电场强度大，即EB>EA，C正确，D错误。训练3(多选)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负电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AB解析尘埃通过过滤网后被正极吸引，所以尘埃带负电，故A正确；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；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；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。随堂对点自测1.(静电平衡)如图所示，一个带负电的金属球放在绝缘的支架上，处于静电平衡状态，金属球内部的电场强度大小为E1，若减少金属球的带电荷量，再次处于静电平衡状态后，金属球内部的电场强度大小为E2，则()A.E2＜E1 B.E2＞E1C.E2＝E1 D.无法确定答案C解析处于静电平衡状态的导体内部的电场强度处处为零，选项C正确。2.(尖端放电)下列说法不正确的是()A.避雷针避雷的原理是尖端放电能将云层中的电荷中和B.为了美观，通常把避雷针顶端设计成球形C.验电器的金属杆上端固定一个金属球而不是做成针尖状，这是为了防止尖端放电D.为了避免因尖端放电而损失电能，高压输电导线表面要尽量光滑答案B解析避雷针利用尖端放电的原理来避雷，必须做成针状，不能做成球形，带电云层靠近建筑物时，避雷针上产生的感应电荷会通过针尖放电，中和云层中的电荷，A正确，B错误；验电器的金属杆上端固定一个金属球而不是做成针尖状，这是为了防止尖端放电，C正确；高压输电导线表面要尽量光滑，这样可以避免因尖端放电而损失电能，D正确。3.(静电屏蔽)(多选)如图所示，绝缘金属球壳的空腔内有一带电小球，现在球壳左侧放一带电小球A，下列说法正确的是()A.A球不影响球壳内的电场B.由于静电屏蔽，球壳内没有电场C.球壳内外表面均没有电荷D.由于球壳接地，空腔内的电场对外部也没有影响答案AD解析由于金属球壳接地，对内外电场都有屏蔽作用，故A、D正确；球壳外表面没有电荷，因为空腔内有带电体，所以空腔内有电场，球壳内表面有感应电荷，故B、C错误。4.(静电吸附)如图所示，为静电除尘器除尘机理的示意图。尘埃在电场中通过某种机制带电，在电场力的作用下向集尘极迁移并沉积，以达到除尘目的，下列表述正确的是()A.到达集尘极的尘埃带正电B.电场方向由放电极指向集尘极C.带电尘埃所受电场力的方向与电场方向相同D.同一位置带电荷量越多的尘埃所受电场力越大答案D解析集尘极接电源的正极，尘埃在电场力作用下向集尘极迁移并沉积，说明尘埃带负电，A错误；由于集尘极与电源的正极连接，电场方向由集尘极指向放电极，B错误；负电荷在电场中受电场力的方向与电场方向相反，C错误；根据F＝qE可得，同一位置带电荷量越多的尘埃所受电场力越大，D正确。对点题组练题组一静电平衡1.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EO、EM的说法中正确的是()A.EO≠0EM＝0 B.EO＝0EM≠0C.EO＝0EM＝0 D.EO≠0EM≠0答案C解析静电平衡状态中的导体内部电场强度处处为零。故C正确。2.(多选)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.用绝缘导线把验电器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BCD解析A项中取电棒先和B的内壁接触后，由于B的内壁本身没有电荷，所以再接触A时验电器箔片不张开；B项中可以使C球带电，从而使A带电；C项中实际上是将验电器A和B连成了一个导体，A在外面故带电；D项是感应起电，所以B、C、D项正确。题组二尖端放电3.(多选)下列应用与防护属于尖端放电现象的是()A.一般高压设备中导体的表面尽量光滑B.一般马路表面建造的很平滑C.夜间高压线周围会出现一层绿色光晕D.一般高楼大厦顶部装有避雷针答案CD解析导体表面光滑不属于尖端放电；马路表面建造的很平滑与静电无关，C、D属于尖端放电现象，故C、D正确。4.如图是模拟避雷针作用的实验装置，金属板M接高压电源的正极，金属板N接负极。金属板N上有两个等高的金属柱A、B，A为尖头，B为圆头。逐渐升高电源电压，当电压达到一定数值时，可看到放电现象。先产生放电现象的是()避雷针模拟实验A.A金属柱B.B金属柱C.A、B金属柱同时D.可能是A金属柱，也可能是B金属柱答案A解析根据导体表面电荷分布与尖锐程度有关可知，A金属柱尖端电荷密集，容易发生尖端放电现象，故选项A正确。题组三静电屏蔽5.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从小孔中放入球壳内，但不与B接触，达到静电平衡后，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的内表面带负电答案D解析因为金属壳的外表面接地，所以外表面没有感应电荷，只有内表面有感应电荷分布，且由于A带正电，B的内表面带负电，D正确，B、C错误；B的空腔内带正电的小球A与金属壳内表面感应电荷之间产生电场，所以空腔内电场强度不为零，A错误。6.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两球都带正电荷答案B解析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球相当于把A球接地，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球对内起静电屏蔽作用，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，选项B正确。题组四静电吸附7.关于静电的利用和防止，以下说法正确的是()A.印染厂应保持环境干燥，避免静电积累带来的潜在危害B.油罐车行驶途中车尾有一条铁链拖在地上，避免产生电火花引起爆炸C.飞机起落架的轮胎用绝缘橡胶制成，可防止静电积聚D.手术室的医生和护士都要穿绝缘性能良好的化纤制品，可防止麻醉药燃烧答案B解析印染厂的车间，有大量静电产生，因此要保持潮湿，这样才能及时将静电导走，故A错误；油罐车在运动的过程中，由于油罐里面的油在晃动，会摩擦产生静电，后面拖一条铁链就可以及时地把产生的静电导走，避免产生电火花引起爆炸，故B正确；飞机上的着地轮装有搭地线或用导电橡胶做轮胎，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通过导体转移给大地，以免发生放电现象，保证飞机和乘客的安全，故C错误；绝缘性能良好的化纤制品的衣服不能及时把静电导入大地，容易造成手术事故，故D错误。8.(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，静电喷涂的原理如图所示，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，也可以带负电答案AC解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，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。综合提升练9.处于强电场中的空气分子会被电离为电子和正离子，利用此原理可以进行静电除尘。如图所示是一个用来研究静电除尘的实验装置，铝板与手摇起电机的正极相连，缝被针与手摇起电机的负极相连，在铝板和缝被针中间放置点燃的蚊香。转动手摇起电机，蚊香放出的烟雾会被电极吸附，停止转动手摇起电机，蚊香的