新教材同步系列2024春高中物理第2章静电场的应用第3节静电的利用与防护教师用书粤教版必修第三册

第三节静电的利用与防护学习任务1．了解静电的利用与防护，能解释相关的自然现象。2．能对静电平衡状态下电荷的分布规律进行分析。3．通过静电平衡实验，会探究相关的静电问题；通过静电现象的利用和防护，增强安全利用静电的意识，有进行科学普及的兴趣和责任感。知识点一静电的利用1．静电喷涂(1)原理：静电喷涂是一种利用静电作用使雾化涂料微粒在高压电场作用下带上负电荷，并吸附于带正电荷的被涂物的涂装技术。(2)优点：静电喷涂具有显著优点，如涂层质量高、涂料利用率高、对使用者操作技术要求低等。2．静电除尘原理：静电除尘是利用电荷相互作用的性质，把带有不同电性的粉尘从烟气中分离出来，再分类处理的过程。3．静电复印(1)原理：静电复印是利用正、负电荷的吸引力进行油墨转移的印刷方式，又称无压印刷。(2)应用：静电复印技术已发展成一门成熟的技术，被广泛应用于激光打印机、喷墨打印机、模拟式复印机、数字式复印机、速印机、传真机等。4．静电植绒原理：静电植绒是利用电荷之间同性相斥、异性相吸的性质，通过使绒毛带上负电荷，令绒毛被吸引到带正电的被植体表面上。知识点二尖端放电1．空气的电离：导体尖端处表面的电荷密度很大，附近的电场很强，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动，并使分子中的正、负电荷分离的现象。2．尖端放电：与导体尖端带相反电荷的粒子，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。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。知识点三防止静电危害1．静电危害的分类：(1)静电力造成的不良后果；(2)静电火花引发的灾害。2．防止静电产生的措施：(1)控制静电的产生；(2)把产生的电荷尽快导走。静电利用的原理：带电粒子在静电力作用下聚集到相应带电极板，从而达到除尘、喷涂、复印等目的。1．思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)(1)我们经常看到油罐车车尾有一根导电拖地带，其作用是将油罐车上的静电尽快导走。 (√)(2)静电平衡时，导体内的自由电子不再定向移动。 (√)2．填空一金属球，原来不带电，如图所示，沿球直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN，a、b、c为该直径上从左向右排列的三点，设静电平衡时，金属球上感应电荷产生的电场在这三点的电场强度大小分别为Ea、Eb、Ec，则三点电场强度的大小顺序为Ec＞Eb＞Ea。发生静电感应现象时，达到静电平衡后导体内部自由电子为什么不再发生定向移动？[提示]达到静电平衡后导体内部电场强度E＝0。静电平衡与静电屏蔽1．静电平衡(1)静电平衡状态：导体中(包括表面)没有电荷定向移动的状态。(2)静电平衡的条件：导体内部合场强为零，即E内＝0。(3)静电平衡状态下导体的特征：①导体内部场强处处为零。②导体表面场强垂直表面。如果不垂直，场强就有一个沿导体表面的分量，自由电子还要发生定向移动，这就不平衡了。③导体为等势体，表面为等势面。导体内部场强处处为零，在导体内部移动电荷时，电场力不做功，任意两点间的电势差为零，因此导体是等势体。电荷在导体表面移动时，电场力与位移垂直，也不做功，故表面是等势面。(4)静电平衡导体的电荷分布特点：①导体内部没有净电荷，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。2．静电屏蔽由于静电感应，可使金属网罩或金属壳内的场强为零，遮挡住了外界电场的影响，这种现象叫静电屏蔽。金属包皮或网罩只能屏蔽外来电场，不能挡住内部电荷向外激发的电场。3．两种静电屏蔽现象(1)导体内空腔不受外界影响，如图甲所示。甲乙(2)接地导体空腔外部不受内部电荷影响，如图乙所示。【典例1】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发生接触，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，由电场叠加可知，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。]静电屏蔽问题的两点注意(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作用，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，还是合电场作用的结果。(2)静电屏蔽的本质是静电感应与静电平衡。[跟进训练]1．如图所示，两个相同的空心金属球M和N，M带电荷量－Q，N不带电(M、N相距很远，互不影响)，旁边各放一个不带电的金属球P和R，当将带正电Q的小球分别放入M和N的空腔中时()A．P、R上均出现感应电荷B．P、R上均没有感应电荷C．P上有感应电荷而R上没有感应电荷D．P上没有感应电荷而R上有感应电荷D[当将带正电Q的小球放入M的空腔中时，由于静电感应，M的内表面带负电，而外表面带正电，其电荷量为Q，它与原来金属球M外表面所带的电荷－Q正好中和，使外表面不带电。这实际上是M所带电荷－Q被吸引至内表面，所以金属球M外部不存在电场，不能使P产生静电感应，P上没有感应电荷。当将带正电Q的小球放入原来不带电的金属球N的空腔中时，由于静电感应，使N的内表面带负电荷，外表面带正电荷，N的外部有电场，使R产生静电感应，其左端带负电，右端带正电。故选项D正确。]静电的利用与防护1．静电利用的基本原理异种电荷相吸引，使带电的物质微粒在电荷所产生的力的作用下，奔向并吸附到电极上。2．静电危害产生的主要原因静电危害起因于静电力和静电火花，静电危害中最严重的是静电放电引起可燃物的起火和爆炸。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。常用的最简单的办法是接地。【典例2】如图所示，运输汽油等易燃易爆物品的车辆总有一条铁链拖在地上，这样做的目的是()A．发出声音，引起路人注意B．减缓车速，保证行车安全C．把静电引入大地，避免因放电引起爆炸D．与地面发生摩擦，在运输车上积累电荷思路点拨：(1)易燃物与电火花易发生危险。(2)为避免危险应把静电导走，不让其产生电火花。C[汽车行驶时，油罐中的汽油随车的振动摩擦起电，如果不及时将这些静电导走，一旦出现放电现象，就会发生爆炸事故。拖地铁链使油罐表面与大地相连，使油罐罐体中的电荷不断地中和，避免因放电引起爆炸，C正确。][跟进训练]2．(多选)下列说法正确的是()A．静电除尘的原理是让灰尘带上电荷，然后在静电力的作用下，奔向并吸附到带有异种电荷的电极上B．静电复印的原理是让油墨带上电荷，然后在静电力的作用下，奔向并吸附到带异种电荷的白纸上C．静电喷涂的原理是让油漆带上电荷，然后在静电力的作用下，奔向并吸附到吸引油漆的工件上D．静电复印中的硒鼓上字迹的像实际是曝光的地方ABC[灰尘很容易吸附电子，静电除尘的原理就是使带负电荷的灰尘在静电力作用下被吸附到带正电荷的圆筒上，A正确；静电复印和静电喷涂是分别使油墨和油漆带电，在静电力作用下吸附到带异种电荷的预期部位；静电复印曝光时，在光学系统作用下，将原稿图像投射到感光片上，并使其形成静电潜像，曝光时，感光片亮区光导体导通，表面电荷迅速消失(亮衰)，暗区光导体绝缘，表面电荷基本保持不变，B、C正确，D错误。]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＝dB[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处电场强度为零，则Ea＞Ec＞Ed＞Eb，故B正确，A、C、D错误。]2．(多选)如图所示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的过程中所受静电力做负功AB[尘埃经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的过程中静电力做正功，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的过程中所受静电力做正功，故D错误。]3．以下各种现象中不属于静电屏蔽的是()A．避雷针B．超高压带电作业的工人要穿戴金属织物的工作服C．电子设备外套金属网罩D．野外高压输电线上方有两条与大地相连的导线A[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A不属于静电屏蔽；超高压带电作业的工人要穿戴金属织物的工作服可以起到屏蔽作用，故B属于静电屏蔽；电子设备外套金属网罩可以起到静电屏蔽的作用，故C属于静电屏蔽；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，故D属于静电屏蔽。故选A。]4．(新情境题，以“静电除尘”为背景，考查静电的利用)在玻璃管中心轴上安装一根直导线，玻璃管外绕有线圈，直导线的一端和线圈的一端分别跟感应圈的两放电柱相连，开始时，感应圈未接通电源，点燃蚊香，让烟通过玻璃管冒出，当感应圈电源接通时，玻璃管中的导线和管外线圈间就会加上高电压，立即可以看到，不再有烟从玻璃管中冒出来了。过一会儿还可以看到管壁吸附了一层烟尘。问题：请思考其中的原因。[解析]蚊香的烟中含有一定的碳颗粒，当玻璃管中的导线和管外线圈间加上高电压后，玻璃管中的导线和管外线圈间的空气被电离，碳颗粒吸附一定的电子带上负电荷，然后碳颗粒将向正极移动，所以可以看到，不再有烟从玻璃管中冒出来了，该方法与静电除尘是相同的。[答案]见解析回归本节知识，自我完成以下问题：1．静电平衡状态下导体的特征有哪些？[提示](1)导体内部场强处处为零。(2)导体表面场强垂直表面。(3)导体为等势体，表面为等势面。2．写出几种静电的应用。[提示]静电除尘、静电喷雾、激光打印、避雷针等。雷火炼殿武当山位于湖北省西北部，其主峰天柱峰屹立着一座光耀百里的金殿，全部为铜铸鎏金。武当山金殿雷雨交加时，金殿的屋顶常会出现盆大的火球来回滚动。雨过天晴时，大殿金光灿灿，像被重新炼洗过一般，这就是人们所说的“雷火炼殿”奇观。武当山重峦叠嶂，气候多变，云层常带大量电荷。金殿屹立峰巅，是一个庞大的优良导体。当带电的积雨云移来时，云层与金殿顶部之间形成巨大的电压，使空气电离，产生电弧，也就是闪电。强大的电弧使周围空气剧烈膨胀而爆炸，看似火球，并伴有雷鸣。金殿顶部，除海马等屋脊上的装饰外，很少有带尖的结构，不易放电，所以能使电压升得比较高，保证“炼殿”之需。如此，金殿五百年灿烂地屹立在天柱峰之巅。近些年来因为金殿周围的一些建筑物常遭雷击，金殿也安装了避雷设施。此后，雷火炼殿的奇观消失了。没有水火的炼洗，金殿的色泽暗淡了许多。为什么能形成“雷火炼殿”？[提示]空气电离形成导体放电。课时分层作业(八)静电的利用与防护1．(多选)如图所示，P是一个带电体，N是一个不带电的金属空腔，在下列情况中，放在绝缘板上的小纸屑(图中S)不会被吸引的是()ABCDAD[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转动，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外部，即S处有电场，S会被吸引，B错误；C中P和S都处于导体N的外部，S处有电场，会被吸引，C错误；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。]2．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．化纤手套与接触物摩擦容易起电，存在安全隐患D．在加油站可以用绝缘的塑料梳子梳头C[用塑料梳子梳头时会产生静电，戴非棉手套加油易产生静电，穿衣、脱衣也会产生静电，这些图标都是为了减少静电的产生，不是静电屏蔽，故A、D错误；工作人员工作时间穿绝缘性能良好的化纤服装，会引起静电，故B错误；化纤手套与接触物摩擦容易起电，有可能引起油料燃烧，故C正确。]3．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正确的是()ABCDB[处于静电平衡状态的导体，其内部合电场强度处处为零，感应电荷产生的电场在导体内的电场线一定与点电荷的电场线反向。故选B。]4．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，棒上感应电荷在棒内中点P处产生的场强大小等于________，方向为________(静电力常量为k)。[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，棒中任何一点都有两个电场，即外电场——＋q在该点形成的电场E1，感应电场——棒上感应电荷在该点形成的电场E2。达到静电平衡时E2＋E1＝0，题中所求的即为E2，所以可转化为求E1。棒的中点距离点电荷r＝R＋l2，于是E2＝E1＝kqR+l22，E[答案]kqR+5．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B[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，使得金属空心球外壳带正电，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，所以小球B受空心球C的吸引向右偏离竖直方向，而由于空心球C能屏蔽小球B所产生的外部电场，因此小球A不受小球B产生的电场的影响，从而保持竖直位置不变，选项B正确。]6．N95口罩中起阻隔作用的关键层是熔喷布，熔喷布的纤维里加入了驻极体材料，它能依靠静电感应吸附比熔喷布网状纤维孔洞小很多的0.1μm量级或更小的微粒，从而有了更好的过滤效果。制备驻极体的一种方法是对某些电介质材料进行加热熔化，然后在强电场中进行极化冷却。电介质中每个分子都呈电中性，但分子内正、负电荷分布并不完全重合，每个分子可以看成是等量异号的电荷对。如图所示，某种电介质未加电场时，分子取向随机排布，熔化时施加水平向左的匀强电场，正、负电荷受电场力的作用，分子取向会发生一致性的变化。冷却后撤掉电场，形成驻极体，分子取向能够较长时间维持。根据以上信息可知，下列说法正确的是()A．驻极体能够吸引带电的微粒，但不能吸引电中性的微粒B．驻极体吸附小微粒利用了静电感应，所以驻极体所带的总电荷量一定不为零C．不带电的微粒也能被驻极体吸引，但并不会中和驻极体表面的电荷D．加有驻极体的口罩会因存放时间过长而导致其中的电场衰减从而过期，这是驻极体向外放电使电荷减少的结果C[驻极体所带的总电荷量始终为零，但能够吸引带电的微粒，也能吸引电中性的微粒，故A、B错误，C正确；加有驻极体的口罩会因存放时间过长而导致其中的电场衰减从而过期，这是由于外界震动等作用使驻极体内部的分子取向变得不再一致，而不是驻极体向外放电使电荷减少的结果，故D错误。]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B[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，也会摩擦产生静电，后面拖一条铁链就可以及时的把产生的静电导走，避免产生电火花引起爆炸，故B正确；飞机上的着地轮装有