《静电的防止与利用》教案

《静电的防止与利用》教案核心素养点击物理观念(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电场强度。科学探究(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。科学态度与责任能对公众利用和防护静电的一些行为发表自己的观点，有进行科学普及的兴趣和责任感。eq\a\vs4\al(一、静电平衡与尖端放电)1．填一填(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，当导体内部各点的电场强度为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状态。(2)导体处于静电平衡状态时，其内部的电场强度处处为0。(3)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。2．判断(1)放入电场中的导体两侧出现异种电荷是静电感应导致的。(√)(2)处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为0。(√)(3)带电导体尖端电荷密度大，周围电场强度也大。(√)3．选一选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：选D导体内部电场强度处处为零是由于感应电荷的电场与外电场叠加的结果，故D正确。eq\a\vs4\al(二、静电屏蔽与静电吸附)1．填一填(1)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。(2)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。2．判断(1)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。(√)(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)飞机轮上装上拖地线，油罐车后面拖条铁链，都是把静电导入大地。(√)3．想一想把手机放在不锈钢快餐杯中并用盖子盖住，手机还能接通吗？如果放在塑料饭盒中呢？试一试并解释其中的原因。提示：手机放在塑料饭盒中能够接通，放在不锈钢快餐杯中不能接通。这是因为不锈钢快餐杯能够形成静电屏蔽，手机无法接收到外界的电磁信号，所以不能接通。eq\a\vs4\al(主题探究一)eq\a\vs4\al(对静电平衡的理解)[问题驱动]如图9.4­1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？提示：自由电子受外加电场的电场力作用而移动，向着与电场相反的方向定向移动。(2)自由电子能否一直定向移动？为什么？图9.4­1提示：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。【重难释解】1．静电平衡状态的实质由于静电感应，在导体两侧出现等量异种的感应电荷，感应电荷在导体内部形成与原电场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。2．对孤立带电导体的理解对一孤立带电导体，可视为导体处于自己所带电荷的电场中，达到静电平衡时，也有两个基本特点：一是导体内部的场强处处为零，二是导体所带电荷只能分布在导体的外表面上。这种情况下导体内部场强为零的本质是：导体表面所带全部电荷在内部任一处产生的电场强度的矢量和为零。3．对静电平衡时导体上电荷的分布的理解(1)实心导体：导体内部无电荷，电荷只分布在导体外表面上。(2)空腔导体：空腔内无电荷时，电荷分布在外表面上(内表面无电荷)；空腔内有电荷时，内表面因静电感应出现等量的异种电荷，外表面有感应电荷。eq\a\vs4\al(典例1)如图9.4­2所示，在真空中有两个点电荷A和B，电荷量分别为－Q和＋2Q，它们相距L，如果在两点电荷连线的中点O有一半径为r(2r＜L)的空心金属球，且球心位于O点，则球壳上的感应电荷在O点的电场强度为()图9.4­2A.eq\f(12kQ,L2)，水平向右 B．eq\f(12kQ,L2)，水平向左C.eq\f(3kQ,L2)，水平向右 D.eq\f(3kQ,L2)，水平向左[解析]两个点电荷A和B在O点处产生的合电场强度大小为E1＝keq\f(Q,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L,2)))2)＋keq\f(2Q,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L,2)))2)＝eq\f(12kQ,L2)，方向水平向左。根据静电平衡导体上电荷分布的特点可知，球壳上的感应电荷在O点处的电场强度大小与两个点电荷A和B在O点处产生的合电场强度大小相等、方向相反，则球壳上的感应电荷在O点处的电场强度大小为E2＝E1＝eq\f(12kQ,L2)，方向水平向右，故A正确，B、C、D错误。[答案]A感应电荷电场强度的求解思路(1)求解外电场在该处电场强度的大小和方向。(2)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。【素养训练】1.一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，有绝缘柄的金属小球B带有2×10－8C的负电荷，使球B和A球内壁接触，如图9.4­3所示，则A、B带电荷量分别为()A．QA＝10－8C，QB＝10－8CB．QA＝2×10－8C，QB＝0图9.4­3C．QA＝0，QB＝2×10－8CD．QA＝4×10－8C，QB＝－2×10－8C解析：选BA、B接触达到静电平衡后，中和后的电荷只分布在A的外表面上，故B项正确。2．如图9.4­4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的点电荷放在盒左边附近，达到静电平衡后，盒上的感应电荷在盒内部产生的电场分布情况正确的是()图9.4­4解析：选C由于金属盒内部处于静电平衡状态，所以内部每点的合电场强度都为0，即金属盒内的感应电荷产生的电场的电场强度都与点电荷＋Q在该点产生的电场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，故选项C正确。A组·基础达标1．(2021年上海名校期末)以下不属于静电防范的有效措施是()A．使用避雷针 B．静电复印C．保持良好接地 D．保持空气湿度【答案】B【解析】下雨天时云层带电打雷，往往在屋顶安装避雷针，可以导走静电，防止触电，故属于静电防范，A错误；复印机复印文件资料，属于静电的利用，不属于静电防范范围，B正确；保持良好的接地可以导走静电，防止触电，属于静电防范，C错误；保持空气湿度，可导走静电，属于静电防范，D错误．2．油罐车后面都有一条拖地的铁链，其作用是()A．向外界散热B．把电荷导入大地，避免由静电造成危害C．作为油罐车的标志D．发出响声，提醒其他车辆和行人的注意【答案】B【解析】油罐车上的搭地铁链是为了把产生的静电导走，属于静电的防止，故B正确．3．如图所示是模拟避雷针作用的实验装置，金属板M、N间有两个等高的金属体A、B，A为尖头、B为圆头．将金属板M、N接在高压电源上，逐渐升高电源电压，首先观察到()A．A放电 B．B放电C．A、B一起放电 D．A、B之间放电【答案】A【解析】越尖的物体电荷的面密度越大，其附近的电场越强，越容易使空气电离，从而容易产生放电现象．A为尖头，当逐渐增加电压时，先放电，故A正确，B、C、D错误．4．导体处于静电平衡时，下列说法正确的是()A．导体内部没有电场B．导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面C．导体内部没有电荷的运动D．以上说法均不正确【答案】D【解析】金属导体的内部电场强度处处为零，不是导体内部没有电场，故A错误；金属导体在点电荷附近，出现静电感应现象，导致电荷重新分布，电荷分布在外表面上，内部没有净电荷，但是有正、负电荷，故B错误；在金属导体内部出现感应电荷的电场，正好与点电荷的电场叠加，内部电场强度处处为零，内部没有电荷的定向移动，但是电荷的无规则的运动是不停止的，故C错误；由以上分析可知，故D正确．5．处于静电平衡的导体，其内部场强处处为零的原因是()A．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场强为零D．以上解释都不正确【答案】A【解析】当导体在电场中处于静电平衡状态时，在导体内部任意一点，感应电荷产生的附加电场的场强与外场强大小相等，方向相反，此时导体的内部场强处处为0，电荷只分布在导体的外表面，故B、C、D错误，A正确．6．(嘉兴名校期末)下列说法正确的是()A．打雷时，待在汽车里比待在木屋里要安全B．为了安全，避雷针的顶端应该设计成球形C．制作汽油桶的材料用塑料比用金属好D．超高压带电作业的工人穿包含金属丝制成的工作服时更危险【答案】A【解析】一辆金属车身的汽车也是最好的“避雷所”，一旦汽车被雷击中，它的金属构架会将闪电电流导入地下，打雷时，待在汽车里更安全，故A正确；避雷针是利用了静电的尖端放电效应制作的，故避雷针必须做成针状，不能做成球形，B错误；因为塑料和油摩擦容易起电，产生的静电荷不易泄漏，形成静电积累，造成爆炸和火灾事故，故C错误；电力工人高压带电作业，全身穿戴金属丝网制成的工作服，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全作业，故D错误．7．(2021年辽宁名校期末)疫情以来，人们外出需要戴口罩．口罩中间层的熔喷布是一种用绝缘材料做成的带有静电的超细纤维布，它能阻隔几微米的病毒，这种静电的阻隔作用属于()A．静电屏蔽 B．尖端放电C．静电感应和静电屏蔽 D．静电感应和静电吸附【答案】D【解析】由题意可知，熔喷布是一种用绝缘材料做成的带有静电的超细纤维布，所以当几微米的病毒靠近时，由于静电感应而带电，从而被熔喷布吸附，则可知其原理为静电感应和静电吸附，D正确，A、B、C错误．8．(多选)如图所示，接地的金属板右侧有固定的点电荷＋Q，a、b是金属板右侧表面的两点，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，左侧表面也带少量负电C．稳定后，整个导体内部电场不为零D．a、b两点的电场强度不为零，且a、b两点场强方向相同，但a点的场强比b点的场强要强(大)一些【答案】BD【解析】若金属板不接地，右侧表面将感应出负电荷，左侧表面将感应出正电荷；若金属板接地，自由电子通过接地导线导入金属板，再次达到静电平衡时左侧表面也带负电，所以A错误，B正确．稳定后，导体内部电场为零，否则自由电荷会受电场力继续移动，最终达到零电场的稳定状态，C错误．金属板接地时，右侧表面上有感应负电荷，而且a点附近的电场线密度(单位表面积的电荷量)比b点附近的电场线密度要大些，场强要强(大)些，金属表面电场方向必定垂直于表面，否则在电场力作用下自由电子会移动，最终达到垂直的稳定状态，可见a、b电场方向相同，所以D正确．9．如图所示，长为l的金属杆原来不带电，在距其右端d处放一个电荷量为＋q的点电荷．(1)金属杆中点处的电场强度为多少？(2)金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的电场强度为多大？【答案】(1)0(2)eq\f(kq,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(d＋\f(l,2)))2)【解析】(1)金属杆处于静电平衡状态，其内部场强处处为零．因此，金属杆中点处的电场强度为0.(2)点电荷q在金属杆中点处产生的场强E点＝keq\f(q,r2)＝eq\f(kq,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(d＋\f(l,2)))2)，方向水平向左．由于杆中点处的场强为零，所以感应电荷在杆中点处产生的场强与点电荷在该处产生的场强大小相等，方向相反，所以，感应电荷在杆中点处产生的场强大小E感＝E点＝eq\f(kq,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(d＋\f(l,2)))2).B组·能力提升10．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，小球C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