高中物理 9.4 静电的防止与利用 （原卷版）

4静电的防止与利用[学习目标]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了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理.知识点一、静电平衡静电平衡：导体内的自由电子不再发生的状态.处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为.导体上电荷的分布：静电平衡时，导体没有净剩电荷，电荷只分布在导体的在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积的电荷量)，凹陷的位置几乎没有电荷.知识点二、尖端放电空气的电离：在一定条件下，导体尖端电荷很大，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的现象.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，而与尖端上的电荷，相当于导体从尖端的现象.尖端放电的应用与防止：应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施.防止：高压设备中导体的表面尽量会减少电能的损失.知识点三、静电屏蔽静电屏蔽静电平衡时，空腔导体内表面没有电荷，导体壳内空腔里的电场强度处处为0.外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响，金属壳的这种作用叫作静电屏蔽的应用：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.知识点四、静电吸附静电吸附：在电场中，带电粒子在作用下，向着电极运动，最后被吸附在电极上的现象.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.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，这些微粒向着作为的工件运动，并沉积在工件表面.静电复印：复印机应用了的原理，复印机的有机光导体鼓表面涂覆有机光导体(OPC)，无光照时，OPC是，受光照时变成导体.电工穿绝缘衣比穿金属衣安全()制作汽油桶的材料用金属比用塑料好．()打雷时，待在汽车里比待在木屋里要危险()处于静电平衡状态下的导体内部的外加电场与附加电场的矢量和为零，即导体内部的电场强度处处为零．()静电平衡时，导体内部表现为电中性，电荷都分布在外表面，导体内部没有净剩电荷．()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．()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．()电工穿的高压作业服是用铜丝编织的，目的是铜丝衣服有屏蔽作用，使体内场强为零．()知识点一：静电平衡现象如图所示，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？【探究重点】处于静电平衡状态的导体内部场强为零的本质是外电场E0和感应电荷产生的电场E′的合场强为0，即E0＝－E′.孤立的带电导体处于静电平衡状态，内部场强为0的本质是分布在导体外表面的电荷在导体内部的合场强为0.处于静电平衡状态的导体，其外表面任一点的场强方向跟该点的表面垂直．静电平衡时，导体上的电荷分布在导体的外表面，其内部没有净电荷，且净电荷在导体外表面的分布不均匀，越是尖锐的地方电荷的分布越密集．【例题精讲】（2022·全国·高二单元测试）对于电场中处于静电平衡状态的导体，下列分析不正确的是（）A．导体内部的场强处处为零B．导体内部没有电荷，电荷只能分布在导体的外表面C．导体内部是外电场与感应电荷电场叠加后的合场强，其大小为零D．处于静电平衡的导体内部的自由电子不再运动【巩固训练】(2021·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()知识点二：尖端放电及静电屏蔽避雷针是利用尖端放电保护建筑物的一种设施，其原理是什么？静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的？【探究重点】尖端放电：导体尖端电荷密度大，周围的电场强度大，把周围的空气电离，带电粒子在强电场的作用下加速撞击空气中的分子，使它们进一步电离，所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和.静电屏蔽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.静电屏蔽的两种情况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产生的电场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【例题精讲】（2022·吉林·通榆县第一中学校高一期末）高压输电线路的铁塔顶端有一条比下面输电线细的金属线，它的作用是（）A．提高铁塔的稳定性B．传输零线的电流C．防雷电，起到避雷针的作用D．作为备用线，供输电线断开时应急使用【巩固训练】（2022·全国·高一）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（

）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，便于构通回路知识点三：静电吸附与静电除尘【探究重点】静电吸附：在电场中，带电粒子在静电力作用下，向着电极运动，最后被吸附在电极上的现象.【例题精讲】（2022·广东模拟）静电除尘器结构如图所示，由板状收集器A和线状电离器B组成，A、B间接有高压电源，使通过除尘器的尘埃带电。下列选项正确的是（）A．收集器A吸附大量尘埃的原因是尘埃带上了正电B．收集器A吸附大量尘埃的原因是尘埃带上了负电C．收集器A和电离器B之间形成的是匀强电场D．静电除尘过程是机械能向电场能转化的过程【巩固训练】（2022·上海模拟）为清除烟气中的煤粉灰尘，可采用如图所示的静电除尘装置，它是由金属管A和在管中轴线上由重锤悬挂一根金属丝B组成，A接到高压电源正极，B接到高压电源负极，AB间将形成很强的电场，空气中的气体分子被强电场电离成电子和正离子，则（）A．空气分子在A极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上正电B．空气分子在A极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上负电C．空气分子在B极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上正电D．空气分子在B极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上负电知识点四：静电平衡场强判断【探究重点】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是：先求出外电场场强E外的大小和方向.由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡条件E合＝0.由E外＋E感＝0，求出感应电场E感的大小和方向.【例题精讲】（2022·浙江台州·高二期末）如图所示为某带电导体四周的电场线分布，M、N是电场中两点，则（）A．导体左侧带正电，右侧带负电 B．导体左侧的电荷分布密度大于右侧C．M点的电场强度大于N点的电场强度 D．导体内部的P点场强为零【巩固训练】(2021·山东德州市月考)有一接地的导体球壳，如图1所示，球心处放一点电荷q，达到静电平衡时，则()A.q的电荷量变化时，球壳外电场随之改变B.q在球壳外产生的电场强度为零C.球壳内、外表面的电荷在壳外的合场强为零D.q与球壳内表面的电荷在壳外的合场强为零一个带电的金属球，当它带的电荷量增加后(稳定)，其内部的电场强度()A.一定增强 B.不变C.一定减弱 D.可能增强，也可能减弱（2021·浙江模拟）如图所示，在一个导体球壳内放一个电荷量为+Q的点电荷，用表示球壳外任一点的场强，下列说法正确的是（）A．当开关S断开，+Q在壳内任意一点，均为0B．当开关S断开，+Q在壳内的中点，为0C．当开关S闭合，+Q在壳内任意一点，均为0D．当开关S闭合，只有当+Q在壳内中点时，为0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（2022·北京模拟）小明同学学习了静电除尘之后，走进物理实验室制作了一个静电除尘装置。在一个没有底的空塑料瓶上固定着一根铁锯条和一块易拉罐（金属）片，把它们分别跟静电起电机的两极相连。实验时，在塑料瓶里放一盘点燃的蚊香，很快就看见整个透明塑料瓶里烟雾缭绕。然后当把起电机一摇，顿时塑料瓶清澈透明，停止摇动，又是烟雾缭绕。关于以上实验说法正确的是（）A．室内的空气湿度越大，实验效果越好B．锯条换成同宽度的金属直尺效果更好C．起电机摇动前，需先让烟尘颗粒带上电荷才能做成功D．若锯条接电源负极，金属片接正极，则这些烟尘附着在金属片上面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（2021·浙江高考）如图所示，在火箭发射塔周围有钢铁制成的四座高塔，高塔的功能最有可能的是（）A．探测发射台周围风力的大小 B．发射与航天器联系的电磁波C．预防雷电击中待发射的火箭 D．测量火箭发射过程的速度和加速度（2022·北京·模拟预测）（1）一个带电金属球达到静电平衡时，球内部没有净剩电荷，电荷均匀分布在外表面，球内部场强处处为0，其在球的外部产生的电场，与一个位于球心、电荷量相等的点电荷在同一点产生的电场相同。已知静电力常量为k。a．根据电场强度的定义式和库仑定律，推导一个电荷量为Q的点电荷，在与之相距r处的电场强度的表达式__________。b．若将金属球内部挖空，使其成为一个均匀球壳，如图1所示。金属球壳的电荷量为Q，A、B是到球心的距离分别为r1和r2的两点，则A点的场强E1=__________，B点的场强E2=__________。（2）万有引力定律与库仑定律有相似的形式，因此质点的引力场与点电荷的电场也有很多相似的规律。已知引力常量为G。a．类比点电荷电场强度的表达式，写出一个质量为m的质点在与之相距r处的引力场强度EG的表达式_______。b．假设沿地轴的方向凿通一条贯穿地球两极的隧道，隧道极窄，地球仍可看作一个半径为R、质量分布均匀的球体。如图2所示，以地心为原点，向北为正方向建立x轴，请在图3中作图描述隧道中地球引力场强度随x变化的规律，并说明作图依据______。（2022·河北保定·高一期末）（多选）如图所示，不规则的导体处于电场强度大小为、方向水平向右的匀强电场中，处于静电平衡状态。对于导体内部由静电感应产生的电场的电场强度，下列说法正确的是（

）A．大小为 B．大小为C．方向水平向左 D．方向水平向右（2021·全国·高二专题练习）（多选）如图所示，原来不带电的金属球壳内壁接地，将一带正电的小球放入其中，但不与球壳接触，则()A．球壳内壁带负电B．球壳外壁带正电C．球壳外壁不带电D．若将接地线去掉再移去正电荷，球壳外壁带负电(多选)如图1所示，当在真空中把一不带电导体AB向带负电的小球P缓慢地靠近(不接触，且未发生放电现象)时，下列说法正确的是()图1A.B端的感应电荷越来越多B.导体内部场强越来越大C.导体上的感应电荷在M点产生的场强大于在N点产生的场强D.导体上的感应电荷在M、N两点产生的场强相等（2022·绍兴二模）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，两钟之间以丝线悬挂一个金属小球C，A钟下方用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。若带负电的云接近避雷针顶端时，则（）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上的两个金属小球最后会下垂并相互接触D．金属小球C会在A与B之间摆动，不断来回撞击A与B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B球和A球内壁接触，如图3所示，则A、B带电荷量分别为()图3A.QA＝1×10－8CQB＝1×10－8CB.QA＝2×10－8CQB＝0C.QA＝0QB＝2×10－8CD.QA＝4×10－8CQB＝－2×10－8C（2020·全国·高二课时练习）（多选）滚筒式静电分选器由料斗A、导板B、导体滚筒C，刮板D、料槽E、F和放电针G等部件组成。C与G分别接于直流高压电源的正负极，并将C接地，如图所示。电源电压很高，足以使放电针G附近的空气发生电离而产生大量离子。现有导电性能不同的两种物质粉粒a、b的混合物从料斗A下落，沿导板B到达转动的滚筒C上，粉粒a具有良好的导电性，粉粒b具有良好的绝缘性，下列说法中正确的是（）A．粉粒a落入料槽F，粉粒b落入料槽EB．粉粒b落入料槽F，粉粒a落入料槽EC．若滚筒C不接地而放电针G接地，从工作原理上看，这也是允许的D．若滚筒C不接地而放电针G接地，从工业实用角度看，这也是允许的(多选)静电喷漆是利用静电吸附现象制造的，其喷涂原理如图所示，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.涂料微粒可能带正电，也可能带负电（2022·全国·高二课时练习）如图是一款避雷针原理演示器，上下金属板之间用绝缘材料固定，尖端电极和球形电极与下金属板连接，给上下金属板接感应圈并逐渐升高电压，当电压逐渐升高时（）A．尖端电极先放电 B．球形电极先放电 C．两电极同时放电 D．两电极都不放电(多选)如图所示的四组静电实验中，能使左边的验电器的金属箔片张开的是()（2022·海南模拟）如图所示，将一金属空腔放在匀强电场中，稳定后，电场线如图分布。A为金属外一点，B为金属空腔内一个点。下列说法正确的是（）A．金属外表面的电场和金属外表面垂直B．B点感应电场为零C．A点电场强度等于B点的电场强度D.正电荷在A点的电势能等于在B点的电势能如图所示，较厚的空腔球形导体壳中心处有一个正点电荷，则图中a、b、c、d各点的电场强度大小关系为()A.Ea>Eb>Ec>EdB.Ea>Ec＝Ed>EbC.Ea>Ec>Ed>EbD.Ea<Eb<Ec＝Ed（2