【讲与练】高中物理人教版(2019)必修3：9.4 静电的防止与利用学案

4．静电的防止与利用课程标准1．知道静电平衡的概念，知道静电平衡是静电感应的结果。2．了解尖端放电及其应用。3．知道静电屏蔽及其应用。4．了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的原理。素养目标物理观念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。科学思维会根据静电平衡条件求解感应电荷产生的场强科学态度与责任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，了解静电屏蔽在技术和生活中的应用。知识点1静电平衡1．静电平衡放入电场中的导体，由于静电感应，导体两侧出现异种电荷，而感应电荷在导体内部产生的电场与原电场反向，使导体内部的电场减弱，当导体内部电场为0时，导体内的自由电荷不再发生定向移动，这时导体就达到静电平衡。2．导体处于静电平衡状态时，其内部的电场强度处处为0。『判一判』(1)静电平衡时，导体内的自由电子不再运动。(×)(2)静电平衡时，导体内部场强为零。(√)知识点2尖端放电1．在导体的外表面，越尖锐的位置，电荷的密度越大，周围的电场强度越大。2．电离：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。3．尖端放电：导体尖端周围被强电场电离的粒子中，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，相当于导体从尖端失去电荷的现象。4．应用：建筑物的顶端安装上避雷针以达到避免雷击的目的；高压设备中导体的表面尽量光滑，以减少电能损失。『判一判』(3)带电导体尖端电荷密度大，周围电场强度也大。(√)知识点3静电屏蔽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．静电屏蔽：放入电场中的导体壳，由于静电感应，壳内电场强度为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。3．应用：把电学仪器放在封闭的金属壳或金属网里；野外三条高压输电线上方架设两条导线，与大地相连，把高压输电线屏蔽起来。『判一判』(4)静电平衡时，导体内部表现为电中性。电荷都分布在外表面，导体内部没有净电荷。(√)(5)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，不具有静电平衡的特点。(×)(6)把仪器放在金属网内和放在封闭的金属壳内能起到同样的静电屏蔽作用。(√)(7)飞机轮上装上拖地线，油罐车后面拖条铁链都是把静电导入大地。(√)『选一选』(2023·浙江绍兴高二期末)如图所示，一有线电视信号线内有一层铜质金属网，其主要作用是(C)A．加固作用不易折断信号线B．用于信号的传输C．为防止外界电场干扰D．铜芯与金属网分别接在电路的两极，便于构成回路解析：根据静电屏蔽原理，金属网能屏蔽外部电场，使其不受外部电场的影响，则有线电视信号线内有一层铜质金属网，其主要作用是为防止外界电场干扰。『想一想』你知道家用电视机、收音机外壳的制作材料为何一般是塑料，而不用金属的主要原因吗？解析：若用金属制作家用电视机、收音机外壳，用电器的金属外壳就形成静电屏蔽，电磁信号就难以被电视机、收音机这类电磁波接收器接收，电视机、收音机就不能正常工作。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：复印机的核心部件是有机光导体鼓，在没有光照时是绝缘体，有光照时是导体，复印机复印的工作流程：充电、曝光、显影、转印、放电。探究对静电平衡及其特点的理解要点提炼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．静电平衡导体的电荷分布特点①内外表面分布不同，电荷都分布在外表面，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，电荷量相等，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：(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。典例剖析典题1(2023·重庆一中高一下期末)如图所示，将原来不带电与大地绝缘的导体静置于带正电的点电荷Q所形成的电场中，A、B两点在其表面，C点在其内部，达到静电平衡时，以下说法正确的是(C)A．A点一侧表面带正电B．感应电荷在C点产生的场强为零C．感应电荷在C点产生的场强大小等于点电荷在C点产生的场强大小D．若用手触摸一下导体，放手后导体将不带电解析：静电感应时，导体离场源的近端感应出异种电荷，远端感应出同种电荷，A点一侧属于近端，则表面带负电，A错误；静电平衡后，感应电荷在C点产生的场强和点电荷在C点产生的场强等大反向，而C点的合场强为零，B错误，C正确；若用手触摸一下导体，导体近端带负电荷，远端在地球另一端，带正电，则放手后导体将只带负电，D错误。对点训练❶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eq\f(4kq,(2R＋l)2)，方向为向左。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E′＝－E0。题中所求的即为E′，E′＝－E0＝－eq\f(kq,(R＋\f(l,2))2)＝－eq\f(4kq,(2R＋l)2)，负号代表E′和E0方向相反，即方向向左。探究对静电屏蔽的理解要点提炼1.静电屏蔽的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。(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。典例剖析典题2(2023·天津耀华中学高一期末)如图所示，放在绝缘台上不带电的金属罩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(B)A．验电器C的金属箔片将张开B．金属罩B的右侧外表面带正电荷C．用导线连接金属罩B和验电器C的金属球，验电器的金属箔片张开D．金属罩B左、右两侧电荷电性相同解析：由于金属罩B的静电屏蔽作用，B的内表面不带电，金属罩B外表面的自由电子重新分布，根据“近异远同”可知，B的右侧外表面带正电荷，B的左侧外表面带负电荷，B正确，D错误；由于金属罩B的静电屏蔽作用，B的内部电场强度处处为零，故验电器的金属箔片不张开，A错误；用导线连接金属罩B和验电器C的金属球，金属罩内的场强仍为零，即验电器的金属箔片不会张开，C错误。对点训练❷(多选)(2023·山西大同高二上期中)如图所示，金属壳放在绝缘垫上，能起到屏蔽点电荷电场作用的是(ABD)解析：当正电荷放在金属壳外时，由于静电感应，使金属壳左端带负电荷，右端带正电荷，金属壳处于静电平衡状态，所以内部电场强度为零，能起到屏蔽点电荷电场的作用，故A正确；当正电荷放在金属壳外时，由于静电感应使金属壳左端带负电荷，由于右端接地，则不带电，导致感应电场与外电场叠加，所以内部电场强度为零，能起到屏蔽点电荷电场的作用，故B正确；当正电荷放在金属壳内时，金属壳内带负电荷，壳外带正电荷，出现电场，不能起到屏蔽点电荷电场的作用，故C错误；当正电荷放在金属壳内时，由于金属壳接地，则使金属壳外不带电，内部左、右端都带负电荷，而外部没有电场，从而起到屏蔽点电荷电场的作用，故D正确。探究静电的应用与防止要点提炼1.应用：静电应用依据的物理原理几乎都是让带电的物质粒子在电场力的作用下，奔向并吸附到电极上。2．危害：静电由于吸附尘埃会给印刷、合成纤维等工业生产带来危害。静电对高精密仪器有干扰甚至毁坏作用。静电的最大危害是有可能因静电火花点燃某些易燃物质而引起爆炸。3．防止：最简单而又最可靠的办法是用导线把设备接地，这样可以把电荷引入大地，避免静电积累。油罐车尾部拖的铁链就是一根接地线。调节空气的湿度也是防止静电危害的有效方法。典例剖析典题3(多选)(2023·浙江高二学业考试)随着人们生活水平的提高，各种家用电器日益走入我们的居家生活，而家用电器所产生的静电荷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，下列可行的是(ABD)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思路引导：了解常见的静电危害、理解静电作用的特点、知道防止静电危害的基本方法是分析、解决该类实际问题的基础。解析：室内要保持一定的湿度，室内要勤拖地、勤洒些水；要勤洗澡、勤换衣服，以消除人体表面积聚的静电荷。对于老年人，应选择柔软、光滑的棉纺织衣物，尽量不穿化纤类衣物，以使静电的危害减少到最低限度；尽量避免使用化纤地毯和以塑料为表面材料的家具，以防止摩擦起电。对点训练❸(2023·河北故城高级中学高二上月考)关于静电的防止与利用，下列说法正确的是(C)A．手术室的医生和护士都要穿绝缘性能良好的化纤制品，可防止静电对手术的影响B．为了防止静电危害，保证乘客的安全，飞机起落架的轮胎用绝缘橡胶制成C．金属导体有静电屏蔽的作用，运输汽油时把汽油装进金属桶比装进塑料桶安全D．轿车上露在外面的小天线是用来避免雷击的解析：绝缘性能良好的化纤制品衣服不能及时把静电导入大地，容易造成手术事故，故A错误；飞机轮胎用导电橡胶制成可以将飞机产生的静电迅速导走，故B错误；由于金属导体能起到静电屏蔽的作用，故运输汽油时把汽油装进金属桶比装进塑料桶安全，故C正确；轿车上露在外面的小天线是无线广播的接收天线，故D错误。古建筑上的避雷针1．空气的电离在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度越大，周围的电场强度越大。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。2．尖端放电的原理导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后产生的那些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。案例请观察建筑物上的避雷针(如图)，看它们是如何巧妙设计的，分析它们如何能安全引电避雷，它们的造型与建筑物是否协调，并与同学讨论交流。解析：在古建筑物的屋顶、屋角设置各种造型的动物，避雷针以动物头上的角须形式或巨兽的舌头向上探出的形式巧妙安装，另一端引入大地，从而起到避雷效果。答案：见解析一、静电平衡1．(2023·宁夏银川高二上月考)如图所示，一个方形的金属盒原来不带电，现将一个带电荷量为－Q的点电荷放在盒左侧附近，金属盒达到静电平衡后，盒上的感应电荷在盒子内部产生的电场分布情况正确的是(D)解析：金属盒内部处于静电平衡状态，因此内部电场强度处处为零，则盒内的每一点感应电荷产生的电场强度都与点电荷－Q在那点产生的电场强度大小相等、方向相反，即感应电荷的电场线与点电荷－Q的电场线重合，但方向相反，D正确。2．(2022·重庆西南大学附中高一下月考)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，当金属杆达到静电平衡后，下列说法正确的是(D)A．a端感应出负电荷B．感应电荷在c点产生的电场强度为零C．感应电荷在c点产生的电场强度的方向由b指向aD．两端出现感应电荷是因为细杆中的自由电子向细杆b端移动解析：根据感应起电规律“近异远同”可知，a端感应出正电荷，故A错误；根据处于静电平衡的导体，内部场强处处为零的特点可知，感应电荷在c点产生的电场强度与正点电荷在该点产生的电场强度大小相等、方向相反，由于正点电荷在c点产生的电场强度方向由b指向a，所以感应电荷在c点产生的电场强度的方向由a指向b，故B、C错误；两端出现感应电荷是因为细杆中的自由电子在正点电荷产生的电场的作用下，向细杆b端移动，故D正确。二、尖端放电3．富兰克林为研究雷电现象，设计了如图所示的装置，避雷针线路与接地线分开，并在分开处装上帽形的金属钟A与B，两钟之间用绝缘丝线悬挂一个金属小球C，A钟下方用细导线连接两个很轻的金属小球形成验电器D，避雷针上空附近的云不带电时，三个金属小球均静止下垂。当带负电的云层接近避雷针顶端时，下列说法正确的是(C)A．避雷针顶端带负电B．接地线上有正电荷流入大地C．验电器D上的两个金属小球带负电且间距增大D．金属小球C会先摆向A，撞到A后被A吸住不再分开解析：根据“异种电荷相互吸引、同种电荷相互排斥”可知，当带负电的云层接近避雷针顶端时，避雷针顶端带正电，验电器D下端两小球始终带负电，所以两小球因相互排斥而间距增大，故A错误，C正确；小球C在验电器D下端的吸引下撞击A，然后和A带同种电荷并相互排斥，之后C和B接触，电子通过B下端接地线导入大地，C不带电，如此反复，故B、D错误。三、静电屏蔽4．(多选)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(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；