人教版 (2019)必修 第三册第九章 静电场及其应用4 静电的防止与利用导学案及答案

静电的防止与利用

[核心素养·明目标]

知识点一　静电平衡

1．静电感应现象：放入电场中的导体，由于静电感应，在导体的两侧出现感应电荷的现象。

2．静电平衡状态：导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。

3．导体内部电场强度特点：内部的电场强度处处为0。

1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)处于静电平衡的导体内部无任何电场。 (×)

(2)导体处于静电平衡时，外电场和所有感应电荷的电场在导体内部合场强为零。(√)

知识点二　尖端放电

1．电离：导体尖端的电荷密度越大，附近的电场强度越大，空气中的带电粒子剧烈运动，从而使空气分子被撞“散”而使空气分子中的正、负电荷分离的现象。

2．尖端放电：导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异种离子与尖端的电荷中和，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，减少电能的损失。

2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)避雷针避雷的原理是尖端放电能将云层中的电荷中和。 (√)

(2)为了美观，通常把避雷针顶端设计成球形。 (×)

(3)为了避免因尖端放电而损失电能，高压输电导线表面要尽量光滑。 (√)

知识点三　静电屏蔽与静电吸附

1．把一个电学仪器放在封闭的金属壳(网)里，即使壳(网)外有电场，由于壳(网)内场强保持为零，外电场对壳(网)内的仪器也不会产生影响的现象叫静电屏蔽。

2．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。

实现静电屏蔽不一定要用密闭的金属容器，金属网也可起到屏蔽作用。

3．静电吸附原理

在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向着电极运动，最后被吸附在电极上，这个原理在生产技术上被广泛应用。

3：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)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。(×)

(2)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。 (√)

考点1　静电平衡的理解及应用

1．对静电平衡的三点理解

(1)静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果，达到静电平衡时，自由电荷不再发生定向移动。

(2)金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的。

(3)导体达到静电平衡后内部电场强度处处为零是指外电场E与导体两端的感应电荷产生的附加电场E′的合电场强度为零，E′＝－E。

2．处于静电平衡时的导体上的电荷分布特点

(1)净电荷只分布在导体表面，内部没有净电荷。

(2)感应电荷分布于导体两端，电性相反，电量相等，近异远同，如图甲所示。

(3)净电荷在导体表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集，如图乙所示。

甲　　　　　　　乙

3．处于静电平衡的导体周围的电场分布情况

静电平衡的导体尖端电荷集中，电荷电场线密集。

4．感应电荷场强的求解思路

(1)先求解外电场在该处场强的大小和方向。

(2)再利用导体内部合场强处处为零和电场的叠加原理，求解感应电荷在该处的场强，此场强与外电场的场强大小相等，方向相反。

　对静电平衡的理解

【典例1】　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(　　)

A　　　　　　　　B

C　　　　　　　　D

A　[导体处于静电平衡状态时，导体内部场强处处为0，感应电荷在导体内部某处产生的电场与场源电荷Q在此处产生的电场场强大小相等，方向相反，故A正确，B、C、D错误。]

　利用静电平衡的特点求解电场强度

【典例2】　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。当棒达到静电平衡时，求棒上感应电荷在棒内中点P处产生的电场强度。

[解析]　导体棒在点电荷＋q的电场中发生静电感应，左端感应出负电荷，右端感应出正电荷，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E0，感应电场——棒上感应电荷在该点形成的电场E′，达到静电平衡时E′＝E0。棒的中点与点电荷＋q的距离r＝R＋，于是有E′＝E0＝。E′和E0方向相反，即E′方向向左。

[答案]　 　方向向左

求处于静电平衡状态的导体内部

某点感应电荷产生的场强的方法

(1)求出外电场在所求点的电场强度E外的大小和方向。

(2)由于导体处于静电平衡状态，则导体内部各点满足静电平衡条件E合＝0。

(3)由E合＝E外＋E感＝0，求出感应电场E感的大小和方向。

[跟进训练]

1．(角度一)如图所示，将一个不带电的金属球A放在带正电的点电荷Q的左侧，当金属球达到静电平衡时，下列判断正确的是(　　)

A．金属球将产生出正电荷

B．金属球左侧将出现负的净电荷

C．点电荷Q在A的球心处产生的电场强度为零

D．A的内部合电场强度处处为零

D　[由于静电感应，金属球左侧带正电，右侧带负电，A、B错误；点电荷在球心产生的电场强度不为零，C错误；A的内部合电场强度处处为零，D正确。]

2．(角度二)图中接地金属球A的半径为R，球外点电荷的电荷量为Q，到球心的距离为r。金属球上的感应电荷的电场在球心的场强大小等于(　　)

A．k－k　B．k＋k  C．0  D．k

D　[静电平衡时球心处的电场强度为零，根据点电荷场强公式求得点电荷Q在球心处的场强大小E＝，则金属球上的感应电荷在球心处产生的电场强度大小与点电荷Q在球心处产生的场强大小相等，为E′＝E＝，故D正确。]

考点2　对静电屏蔽的理解

1．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。

2．静电屏蔽的两种情况

【典例3】　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接触，达到静电平衡后，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

[思路点拨]　(1)因静电感应，带正电小球A可使金属壳内外表面产生感应电荷。

(2)金属壳B的外表面接地，外表面与大地间可通过接地线发生电荷的转移，最终使金属壳外表面不带电。

D　[因为金属壳的外表面接地，所以外表面没有感应电荷，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对，B、C错；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，所以空腔内电场强度不为零，A错。]

处理静电屏蔽问题的三点注意

(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)对静电感应，要掌握导体内部的自由电荷是如何移动的，是如何建立起附加电场的，何处会出现感应电荷。

(3)对静电平衡，要理解导体达到静电平衡时所具有的特点。

[跟进训练]

3．如图所示，将悬在绝缘细线上带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内(不跟球壁接触)，再将一个悬挂在绝缘细线上的带负电的小球B向C靠近，但不接触时(　　)

A．小球A往左偏离竖直方向，小球B往右偏离竖直方向

B．小球A的位置不变，小球B往右偏离竖直方向

C．小球A往左偏离竖直方向，小球B的位置不变

D．小球A和B的位置都不变

B　[对A受力分析：由于静电屏蔽，B球对球壳里面没有影响，A球受力情况不变，A球位置不变，A、C错；对B受力分析：球壳C不接地，A球对外界有影响，B球受到球壳的引力，B球向右偏离，B对，D错。]

考点3　静电吸附的理解及应用

1．静电是如何产生的

两种不同的物体相互摩擦可以起电，甚至干燥的空气与衣物摩擦也会起电。摩擦起的电在能导电的物体上可迅速流失，而在不导电的绝缘体(如化纤、毛织物等物体)上就不会流失而形成静电，并聚集起来，当达到一定的电压时就产生放电现象，产生火花并发出声响。

2．静电的应用和防止

(1)静电的应用

(2)静电的防止

防止静电危害的基本办法是尽快把产生的静电导走，避免越积越多。

防止静电的途径主要有：

①避免产生静电，例如，在可能情况下选用不易产生静电的材料。

②避免静电的积累，产生的静电要设法导走，例如，增加空气湿度、接地等。

【典例4】　(多选)静电的应用有多种，如静电除尘、静电喷涂、静电植绒、静电复印等，它们依据的原理都是让带电的物质粒子在电场力作用下奔向并吸附到电极上，静电喷漆的原理如图所示，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．涂料微粒可以带正电，也可以带负电

AC　[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，而达到喷漆的目的，A正确；由题图知，待喷漆工件带正电，所以涂料微粒应带负电，C正确。]

[跟进训练]

4．如图为静电除尘示意图，m、n 为金属管内两点。在 P、Q 两点加高电压时，金属管内空气电离。电离出来的电子在电场力的作用下，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电，导致煤粉被吸附到管壁上，排出的烟就清洁了。就此示意图，下列说法正确的是(　　)

A．Q 接电源的正极，且电场强度Em＝En

B．Q 接电源的正极，且电场强度 Em＞En

C．P 接电源的正极，且电场强度 Em＝En

D．P 接电源的正极，且电场强度 Em＞En

B　[管内接通静电高压时，管内存在强电场，它使空气电离而产生电子和正离子。电子在电场力的作用下，向正极移动时，碰到烟尘微粒使它带负电。所以金属管Q应接高压电源的正极，金属丝P接负极。构成类似于点电荷的辐向电场，所以越靠近金属丝，电场强度越强，故A、C、D错误，B正确。]

1．(2021·合肥六中月考)下列图片显示的技术中，属于防止静电危害的是(　　)

A．静电复印　　　　B．静电喷漆

C．静电附尘　　　　　D．避雷针

D　[复印机复印文件，是利用静电墨粉成像在鼓上，故A属于静电的利用；静电喷漆利用异种电荷间的吸引力工作的，故B属于静电的利用；静电除尘时除尘器中的空气被电离，烟雾颗粒吸附电子而带负电，颗粒向电源正极运动，故C属于静电的利用；下雨天，云层带电打雷，往往在屋顶安装避雷针，是导走静电，属于静电防止，故D项正确。]

2．如图所示，接地的空心金属球壳B右侧有一原来不带电的枕形导体C，现将带正电的小球A，置于空心金属球壳B的内部，则下列说法中正确的是(　　)

A．球壳B带负电，枕形导体C的左端带负电

B．球壳B带负电，枕形导体C的左端带正电

C．球壳B带负电，枕形导体C的左端不带电

D．球壳B不带电，枕形导体C的左端不带电

D　[A置于球心后，球内部感应出负电荷，由于接地，球外部不带电，故枕形导体C的左端不带电，D正确。]

3．如图所示，一个验电器用金属网罩罩住，当加上水平向右的、电场强度大小为E的匀强电场时，下列说法正确的是(　　)

A．验电器的箔片张开

B．金属网罩内部空间存在向右的匀强电场

C．金属网罩上的感应电荷在金属网罩内部空间产生的电场方向水平向左

D．金属网罩内外表面都存在感应电荷

C　[在金属内部由于电子可以自由移动，所以当加上水平向右的、电场强度大小为E的匀强电场时，金属网罩会产生一个与外加电场相反的电场，来抵消外加电场在金属网罩内部的电场，以保证平衡，从而金属网罩上的电荷重新分布，这就是“静电屏蔽”的原理。达到静电平衡后金属网罩中的场强为零，故验电器的箔片不张开，A、B错误；由以上分析可知，金属网罩上的感应电荷在金属网罩内部空间产生的电场方向水平向左，C正确；由于静电感应，金属网罩外表面存在感应电荷，内表面不存在感应电荷，D错误。]

4．(多选)静电除尘器除尘原理如图所示。尘埃在电场中通过某种机制带电，在电场力的作用下向收尘极迁移并沉积，以达到除尘目的。下列表述正确的是(　　)

A．带电尘埃带正电荷

B．电场方向由收尘极指向电晕极

C．带电尘埃所受电场力的方向与电场方向相同

D．在同一位置，带电荷量越多的尘埃所受电场力越大

BD　[由题图可知，电晕极为负极，收尘极为正极，带电尘埃必带负电，电场方向指向电晕极，带电尘埃受到的电场力方向与电场方向相反，故A、C错误，B正确；在同一位置上，电场强度大小相同，带电荷量越多的尘埃所受电场力越大，故D正确。]

5．情境：为避免雷击，现代高层建筑的顶端都安装上避雷针，避雷针用粗导线与埋在地下的金属板连接，如图甲所示。图乙是古建筑的一角，上面有各种造型的动物。

甲　　　　　　　　　　乙

问题：你知道古建筑是如何安全引电避雷的吗？

[解析]　在古建筑物的屋顶、屋角设置各种的造型，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

回归本节知识，自我完成以下问题：

1．如图所示，把一个不带电的金属导体ABCD放到电场强度为E0的电场中。由于静电感应，在导体AB侧的平面上和CD侧的平面上将感应出什么电荷？

提示：在导体AB侧的平面上将感应出负电荷，在CD侧的平面上将感应出正电荷。

2．静电平衡时，导体AB内部的电场强度有什么特点？

提示：处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0。

3．什么叫做尖端放电？

提示：中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子。这些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，产生更多的带电粒子。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。

4．尖端放电有什么危害？应怎样减小危害？

提示：尖端放电会导致高压设备上电能的损失，所以高压设备中导体的表面应该尽量光滑。

5．野外高压输电线是怎样利用静电屏蔽的？

提示：野外高压输电线在三条输电线上方还有两条导线，它们与大地相连，形成一个稀疏的金属“网”，把高压线屏蔽起来，使其免遭雷击。

6．静电吸附主要有哪些应用？

提示：静电除尘、静电喷漆、静电复印等。

(教师用书独具)

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0.1 μm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。

　(1)根据以上信息，加有驻极材料的N95口罩为什么过滤效果更好？

提示：驻极体材料能依靠静电感应吸附更小微粒。

(2)加有驻极体的口罩为什么会因存放时间过长而过期？

提示：由于外界震动等作用使驻体极体内部的分子取向变得不再一致，电场衰减而过期。