2020春新教材高中物理 第9章 静电场及其应用 第4节 静电的防止与利用教案 新人教版必修第三册

第4节静电的防止与利用核心素养物理观念科学思维科学探究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。会根据静电平衡条件求解感应电荷产生的场强。1.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。2.查阅并搜集资料，了解静电屏蔽和静电吸附在技术和生活中的应用。知识点一静电平衡状态、导体上电荷的分布观图助学(1)(2)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。这种定向移动是无休止的吗？电荷的移动对导体内部的电场有影响吗？1.静电感应现象：把导体放入电场中，导体内部的自由电荷在静电力作用下定向移动，而使导体两端出现等量异种电荷的现象。2.静电平衡状态导体中(包括表面)自由电子不再发生定向移动，我们就认为导体达到了静电平衡状态。3.静电平衡状态下导体的特点(1)处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零。(2)表面处的电场强度不为零，方向跟导体表面垂直。4.导体上电荷的分布(1)处于静电平衡状态的导体，内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面。(2)在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积上的电荷量)越大，凹陷的位置几乎没有电荷。思考判断(1)处于静电平衡状态的导体，表面处的电场强度不为零，方向跟导体表面可能垂直，可能平行，也可能成任意夹角。()(2)因为外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的合电场强度为0，所以处于静电平衡的导体内部电场强度处处为0。()知识点二尖端放电、静电屏蔽和静电吸附观图助学(1)避雷针的作用是什么(如图甲所示)?(2)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(如图乙所示)。但是当飞机遭遇雷击时，电流可以从雷电云达到飞机头部，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，而不会进入机内对乘客造成伤害，你知道这是为什么吗？甲乙1.空气的电离：导体尖端电荷密度很大，附近的电场很强，强电场作用下的带电粒子剧烈运动，使分子中的正负电荷分离的现象。2.尖端放电：与导体尖端异号的粒子，由于被吸引，而与尖端上电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象。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。3.静电屏蔽：金属壳(网)内电场强度保持为0，外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响的作用叫作静电屏蔽。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。4.静电吸附：静电虽然会有危害，但也可以利用。在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上。这一原理在生产技术上被广泛应用。应用实例：静电除尘、静电喷漆、静电复印、静电植绒等。思考判断(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。()(3)飞机轮上装有拖地线，油罐车后面拖条铁链都是把静电导入大地。()静电感应的因果关系当小球通过导线分别与带电空腔连接时，如图所示，不管怎样连接，连接后小球和带电空腔都会成为一个整体，小球成了这个整体的外部，故小球都会带电。一般的电子打火装置、避雷针、工业烟囱除尘的装置利用的都是尖端放电的原理。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。核心要点 对静电平衡的理解观察探究如图所示，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号电荷。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。探究归纳1.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。2.静电平衡状态的特点(1)处于静电平衡状态下的导体的特点导体内部某处感应电荷产生的场强e与周围原电场场强e大小相等，方向相反，两者相互抵消，导体内部处处合场强e合为零，但导体表面的电场强度不为零。电场线与导体表面垂直。(2)静电平衡状态下的导体的电荷分布特点净电荷都分布在导体的外表面，导体内部没有净电荷。感应电荷分布于导体两端，电性相反，电荷量相等，远同近异，如图甲所示。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。试题案例例1 长为l的导体棒原来不带电，现将一带电荷量为q的点电荷放在距棒左端r处，如图所示。当棒达到静电平衡后，棒上的感应电荷在棒内中点p处产生的电场强度大小等于_，方向为_。解析导体棒在点电荷q的电场中发生静电感应，左端出现负电荷，右端出现正电荷，棒中任意一点都受两个电场的影响，即外电场(q在该点形成的电场e0)和附加电场(棒上感应电荷在该点形成的电场e)，达到静电平衡状态时ee0。题中所求的即为e，ee0，负号代表e和e0方向相反，即方向向左。答案向左方法凝炼求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的场强的方法(1)先求出外电场场强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 在真空中有两个点电荷a和b，电荷量分别为q和2q，相距为2l，如果在两个点电荷连线的中点o有一个半径为r(rl)的空心金属球，且球心位于o点，如图所示，则球壳上的感应电荷在o处的场强的大小为多少？方向如何？解析根据电场的叠加和静电平衡，球心o处的合场强为0，即感应电荷的电场强度与a、b两点电荷在o处所产生的合场强等大、反向，即e感eaebkk，a、b在o处产生的场强方向向左，所以e感向右。答案方向向右核心要点 静电屏蔽观察探究1.(1)电梯是什么材质的，能否被看成是金属容器？(2)王明刚搬了新家，可每次进入电梯里手机总打不通，这是为什么？答案(1)电梯是用不锈钢板做成的，可以看成金属容器。(2)电梯可以看成金属容器，起到了屏蔽作用。2.在如图所示的实验中，验电器的金属箔片能张开吗？为什么？答案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。探究归纳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场强为零，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，不能是绝缘体试题案例例2 将悬挂在细线上的带正电的小球a放在不带电的金属球壳c内(不和球壳内壁接触)，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，则()a.a往左偏离竖直方向，b往右偏离竖直方向b.a的位置不变，b往右偏离竖直方向c.a往左偏离竖直方向，b的位置不变d.a和b的位置都不变解析不接地的空腔导体可以屏蔽外界电场，接地的空腔导体可以屏蔽内部电场，该题中带正电的小球a放在不带电的空心球壳c内，通过静电感应，空心球外壳带正电，内壁带负电。由于金属空心球壳c的外壳和带电小球b带异种电荷，所以b受c球壳的吸引往右偏离竖直方向。而由于空心球壳c能屏蔽小球b所产生的外部电场，使小球a不受外电场的作用，所以a的位置不变，故选项b正确。答案b针对训练2 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，选项b正确。答案b核心要点 静电的应用与静电危害的防止观察探究如图所示，在工厂里，靠近传送带的工人经常受到电击。经研究发现，这是由于传送带在传送过程中带上了电。(1)解释为什么靠近传送带的物体会带电？(2)你可以用什么方法来解决这个问题？答案(1)传送带因为与被传送的物体间发生摩擦而带电，靠近传送带的物体因为静电感应也带上电。(2)要避免这种电击，可以把导体材料如金属丝等掺到传送带材料中，让传送带变成导体，或者用导体制造传送带，再用适当的方法把传送带接地，静电便不会积累，工人也不会再遭电击。探究归纳1.静电的应用在生产和生活中，静电的应用十分广泛，如激光打印、静电喷漆、静电除尘、静电处理种子、静电处理水、静电放电产生臭氧、静电植绒、静电复印、喷墨打印、静电净化空气、静电提高喷洒农药的效果、静电选矿等。2.静电的危害静电是一种常见现象，它会给人们带来麻烦，甚至造成危害。如在印刷厂里，纸张之间摩擦带电，会使纸张粘在一起，难以分开；在印染厂里，棉纱、毛绒、人造纤维上的静电会吸引空气中的尘埃，使印染质量下降。静电对现代高精密度、高灵敏度电子设备影响很大，大量的静电不但会妨碍电子设备的正常运行，甚至会因火花放电而击穿电子仪器的某些器件。3.防止静电危害的主要方法与途径(1)尽量减少静电的产生，常用的方法是增大空气的湿度。(2)尽快把静电导走，防止静电积累，常用的最简单办法是接地。实例地毯中植入金属丝，就是为了将摩擦产生的电荷及时导走。试题案例例3 (多选)下列四幅图中涉及静电屏蔽现象的有()解析当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，逐渐中和云中的电荷，使建筑物免遭雷击，其原理为尖端放电，故选项a错误；办公用复印机，是静电的应用，故选项b错误；高压输电线上方还有两条导线，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，故选项c正确；用来装硬盘的铝箔袋，起到静电屏蔽的作用，故选项d正确。答案cd方法总结防止静电危害的对策和措施(1)要尽快导走多余电荷，避免静电积累，可用导线把设备接地。(2)调节空气的湿度。(3)在易燃易爆气体和粉尘聚集的场所保持良好的通风，消除静电火花的引爆条件。针对训练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解析根据电荷间的相互作用特点结合题目中原理图分析。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。答案a1.(静电平衡)处于静电平衡中的导体，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导体内部电场强度处处为零是感应电荷的电场与外电场叠加的结果，故d正确。答案d2.(尖端放电现象的应用与防止)下列应用与防护与尖端放电现象无关的是()a.一般高压设备中导体的表面应该尽量光滑b.一般马路表面建造得很平滑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解析马路表面建造得很平滑与静电无关，a、c、d属于尖端放电现象，故选b。答案b3.(静电的利用与防止)下列与静电屏蔽无关的是()a.避雷针的顶端做得很尖细b.用几万伏的高压电电击关在金属笼里的鸟，而鸟安然无恙c.超高压带电作业的工作人员穿戴的工作服用包含金属丝的织物制成d.电视闭路线芯外常包有一层金属网解析避雷针是应用尖端放电的原理，其余三项均是利用了金属对内部的静电屏蔽作用。答案a4.(静电屏蔽)(多选)如图所示，金属壳放在光滑的绝缘水平垫上，能起到屏蔽外电场或内电场作用的是()解析题图a中，由于金属壳发生静电感应，内部电场强度为零，金属壳起到屏蔽外电场的作用，a正确；题图b中，金属壳同大地连为一体，同题图a一样，金属壳起到屏蔽外电场的作用，b正确；题图c中电荷会引起金属壳内、外表面带电，外表面电荷会在壳外空间中产生电场，即金属壳不起屏蔽作用，c错误；将金属壳接地后，外表面不带电，壳外不产生电场，金属壳起屏蔽内电场的作用，d正确。答案abd5.(静电除尘)(多选)图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，在静电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荷b.电场方向由集尘极指向放电极c.带电尘埃所受静电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的静电力越大解析电子吸附尘埃使尘埃带负电，受力方向与电场方向相反，选项a、c错误。答案bd基础过关1.请用学过的电学知识判断下列说法正确的是()a.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从事高压带电作业的电工穿含有金属丝织物的工作服能屏蔽外电场，起到安全保护作用，选项a错误；塑料油桶会因摩擦而带电，因为塑料是绝缘材料，不能把电荷导走，所以塑料油桶内易产生火花导致塑料油桶爆炸，选项b正确；小鸟停在单根高压输电线上时，加在小鸟两脚间的电压非常小，小鸟不会被电死，选项c错误；打雷时，待在汽车里，汽车的金属外壳起到静电屏蔽的作用，而木屋没有静电屏蔽作用，所以待在汽车里比待在木屋里要安全，选项d错误。答案b2.一金属球，原来不带电，现沿球直径的延长线放置一均匀带电的细杆mn，如图所示，金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的场强大小分别为ea、eb、ec，三者相比，则()a.ea最大 b.eb最大c.ec最大 d.eaebec解析处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零，故a、b、c三点的场强都为零。处于静电平衡状态的导体内部场强为零是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果，所以感应电荷在球内某点产生的电场的场强与mn在这一点产生的电场的场强等大反向。比较a、b、c三点感应电场的场强，实质上是比较带电体mn在这三点的场强。由于c点离mn最近，故mn在c点的场强最大，感应电荷在c点的场强也最大。正确选项为c。答案c3.在医疗手术中，为防止麻醉剂乙醚爆炸，地砖要用导电材料制成，医生和护士要穿由导电材料制成的鞋子和外套，一切设备要良好接地，甚至病人身体也要良好接地，这样做是为了()a.除菌消毒 b.消除静电c.利用静电 d.防止漏电解析医生和护士要穿由导电材料制成的鞋子和外套是为了将身上的静电导走，b正确。答案b4.(多选)每到夏季，各地纷纷进入雨季，雷雨等强对流天气频繁发生。当我们遇到雷雨天气时，一定要注意避防雷电。下列说法正确的是()a.不宜使用无防雷措施或防雷措施不足的电器及水龙头b.不要接触天线、金属门窗、建筑物外墙，远离带电设备c.固定电话和手提电话均可正常使用d.在旷野，应远离树木和电线杆解析表面具有突出尖端的导体，在尖端处的电荷密度很大，使得其周围电场很强，就可能使其周围的空气发生电离而引发尖端放电。固定电话和手提电话的天线处有尖端，易引发尖端放电造成人体伤害，故不能使用，选项a、b、d正确，c错误。答案abd5.(多选)下列措施中，属于防止静电危害的是()a.油罐车后有一条拖在地上的铁链条b.小汽车上有一根露在车面上的小天线c.在印染厂中保持适当的湿度d.在地毯上夹杂0.050.07 mm的不锈钢丝导电纤维解析选项b属于防止静电屏蔽。答案acd6.某农村小塑料加工厂的高频热合机(焊缝用)产生的电磁波频率和电视信号频率接近，由于该村尚未通有线电视信号，空中的信号常常受到干扰，在电视荧屏上出现网状条纹，影响正常收看。为了使电视机不受干扰，可采取的办法是()a.将电视机用一金属笼子罩起来b.将电视机用一金属笼子罩起来，并将金属笼接地c.将高频热合机用一金属笼子罩起来d.将高频热合机用一金属笼子罩起来，并将金属笼接地解析为了使电视机能接收电磁波信号，但又不接收高频热合机产生的电磁波，应将高频热合机产生的电磁波信号屏蔽，而将金属笼子接地具有屏蔽金属笼内电场的作用，故选项d正确。答案d7.如图所示，较厚的空腔球形导体壳中有一个正点电荷，则图中a、b、c、d各点的电场强度大小关系为()a.eaebeced b.eaecedebc.eaecedeb d.eaebecedeb，c正确。答案c8.具有一定厚度的空心金属球壳的球心位置处放一正电荷，下列四幅图画出了其空间电场的电场线情况，符合实际情况的是()解析球壳处于正电荷的电场中，达到静电平衡，球壳的内外表面之间的导体内部场强处处为零，故d选项正确。答案d能力提升9.导体球壳b带有正电荷q，其中心处放有导体球a，用细金属丝通过b上的小孔与地相连(细金属丝不与球壳b相碰)，如图所示。则导体球a()a.不带电b.带正电c.带负电d.可能带正电，也可能带负电解析球壳b带正电荷后，附近的大地因静电感应将带负电荷，由于导体球a与大地相连，相当于近端，因此，a上也会感应出一定量的负电荷。答案c10.在点电荷q的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆平面与点电荷在同一平面内，则盘上感应电荷在盘中p点所激发的附加场强e的方向在图中正确的是()解析由于金属圆盘处于静电平衡状态，金属圆盘内各点合场强为零，所以感应电荷的场强与点电荷的场强等大反向。又因为点电荷的电场沿p点与点电荷的连线指向点电荷，所以感应电荷产生的电场方向沿p点与点电荷的连线向外。选项a正确。答案a11.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、e