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人教版 (2019)必修 第三册4 静电的防止与利用导学案
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这是一份人教版 (2019)必修 第三册4 静电的防止与利用导学案，共35页。学案主要包含了物理核心素养，教学重难点，经典例题1，变式训练1，经典例题2，变式训练2，经典例题3，变式训练3等内容，欢迎下载使用。
物理观念：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，感受静电平衡概念的建立过程。
科学思维：掌握归纳、演绎推理的方法，训练学生的推理能力，亲身感受知识的建立过程。
科学探究：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体的特征。
科学态度与责任：经历观察、实验、探究等学习活动，培养尊重客观事实、实事求是的科学态度。
【教学重难点】
1、掌握静电平衡的概念、理解静电平衡的特征。
2、应用静电平衡知识，认识尖端放电现象和静电屏蔽现象。
知识点一、静电平衡
1．把导体放入电场，导体内的自由电荷在电场力作用下定向移动，而使导体两端出现等量异种电荷的现象．
2．静电平衡状态：导体在电场中发生静电感应现象，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部各点的合电场等于零，导体内的自由电子不再发生移动的状态．
3．静电平衡状态的特征
（1）处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零．
（2）处于静电平衡状态的导体，外部表面附近任何一点的场强方向必跟该点的表面垂直．
（3）处于静电平衡状态的整个导体是个等势体，导体的表面为等势面．
【经典例题1】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＋2q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的大小和方向？
【变式训练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形状正确的是（ ）
A．B．
C．D．
知识点二、尖端放电
1．静电平衡时导体内部没有净剩电荷，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，周围的电场强度越大。
容易使周围空气电离。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。
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。
3．避雷针“避雷”的原理：雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反的电荷。通过尖端放电，使得空气中的带电粒子与空气中的异号电荷中和，避免建筑物遭受雷击.
【经典例题2】如图所示，是闪电击中广州塔的画面，广州塔的尖顶是一避雷针，雷雨天气时，底端带负电的云层经过避雷针上方时，避雷针尖端放电形成瞬间强电流，乌云所带的负电荷经避雷针导入大地，在此过程中，下列说法正确的是（ ）
A．云层靠近避雷针时，针尖感应出负电荷
B．越靠近避雷针尖端，电势越低
C．云层上负电荷流向避雷针的过程中，可能在做匀变速曲线运动
D．云层上负电荷流向避雷针的过程中，其电势能减小
【变式训练2】（多选）高大的建筑物上安装避雷针，阴雨天气时云层中的大量电荷可以通过避雷针直接引入大地，从而达到保护建筑物的目的。如图所示，虚线是某次避雷针即将放电时，带负电的云层和避雷针之间三条等势线的分布示意图；实线是空气中某个带电粒子由点到点的运动轨迹，不计该带电粒子的重力，则（ ）
A．避雷针尖端带负电B．在点的电势能大于在点的电势能
C．放电时避雷针中有向上的电流D．越靠近避雷针尖端，其加速度越小
知识点三、静电屏蔽
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
【经典例题3】如图所示，放在绝缘台上的金属罩B内放有一个不带电的验电器C，如把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则（ ）
A．金属罩B内的场强不为零
B．在B的右侧内表面带正电荷
C．若将B接地，验电器的金属箔片将张开
D．B和C电势处处相等
【变式训练3】遵义市科技馆有一个法拉第笼（FaradayCage），它是一个由金属制成的球形状笼子，其笼体与大地连通。当高压电源通过限流电阻将10万伏直流高压输送给放电杆，放电杆尖端距笼体10厘米时，出现放电火花。周日15：00限时体验时，体验者进入笼体后关闭笼门，操作员接通电源，用放电杆进行放电演示。关于法拉第笼下列说法正确的是（ ）
A．法拉第笼上的感应电荷均匀分布在笼体外表面上
B．同一带电粒子在法拉第笼外的电势能大于在法拉第笼内部的电势能
C．法拉第笼上的感应电荷在笼内产生的电场强度为零
D．法拉第笼内部任意两点间的电势差为零
知识点四、静电吸附
静电除尘原理：静电除尘器由板状收集器A和线状电离器B组成。A接到几千伏高压电源的正极，B接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距B越近，电场强度越大。B附近的空气中的气体分子更容易被电离，成为正离子和电子。正离子被吸到B上，得到电子，又成为分子。电子在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带负电。粉尘被吸附到正极A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。
【经典例题4】如图所示是滚筒式静电分选器，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和G分别接于直流高压电源的正、负极，并令C接地。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到达转动着的滚筒C，粉粒a具有良好的导电性，粉粒b具有良好的绝缘性。
（1）刮板D的作用是什么？
（2）粉粒a会落人哪个料槽，粉粒b会落人哪个料槽？为什么？
【变式训练4】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
题组A 基础过关练
1．带负电的空心金属球壳置于绝缘支架上，将4个原来不带电的金属小球按图示位置放置，A球用绝缘轻绳竖直悬挂，B球接地，C球用导线与球壳内部相连，D球与球壳内部接触．设大地及无穷远处电势为零，当达到静电平衡时，下列说法正确的是
A．由于静电感应，A球带正电，
B．B球接地带负电，但电势为零
C．C球不带电，但电势与球壳电势相等
D．D球带不带电，但电势小于零
2．关于汽车中的物理知识，下述说法正确的是（ ）
A．打雷时，呆在汽车里要比呆在木屋里危险
B．后挡风玻璃上有一根根电热丝，通电后可快速清除霜雾
C．某些小汽车顶上有一根露在外面的小天线是用来避免雷击的
D．汽车上坡要换高速挡，其目的是增大速度，得到较小的牵引力
3．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
4．下列现象中，属于静电屏蔽的是（ ）
A．高压输电线线塔上除了下面的三根粗的输电线外，上方还有两根细的导线
B．油罐车车尾下方拖着一根落地的软铁条
C．高压设备中导体表面应该尽量光滑
D．涂料雾化器喷出的油漆微粒在电场力作用下飞向工件表面，形成漆膜
5．（多选）下列说法正确的是（ ）
A．打雷时，人呆在木屋里要比呆在汽车里安全
B．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为零
C．燃气灶点火器的放电电极做成针形是为了利用尖端放电现象
D．超高压带电作业的工人穿绝缘服比穿含金属丝的工作服安全
6．（多选）如图是某种静电矿料分选器原理图，带正、负电矿粉经漏斗落入水平匀强电场后，分落在收集板中央的两侧，下列关于带负电矿粉分离的过程表述正确的是（ ）
A．落在左侧B．动能变小C．电势能变小D．电场力对矿粉做正功
题组B 能力提升练
7．下列四幅图描述的场景依次为雷电击中避雷针（图甲）、高压输电线上方还有两条与大地相连的导线（图乙）、燃气灶中的针尖状点火器（图丙）、工人穿戴着含金属丝制成的工作服进行超高压带电作业（图丁），关于这四幅图所涉及的物理知识，下列说法正确的是（ ）
A．图甲中避雷针的工作原理主要是静电屏蔽
B．图丙中的点火器是利用摩擦起电的原理进行点火的
C．图丙中的点火器的工作原理和图丁中工作服内掺入的金属丝的工作原理是相同的
D．图乙中与大地相连的两条导线所起的作用和图丁中工作服内的金属丝所起的作用是相同的
8．如图静电除尘器除尘原理的示意图。尘埃在电场中通过某种机制带电，在静电力的作用下向集尘极迁移并沉积，以达到除尘的目的，下列表述正确的是（ ）
A．到达集尘极的尘埃带可能带正电，也可能带负电
B．电场方向由集尘极指向放电极带电
C．到达集尘极的带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相同
D．带电尘埃在电场中匀加速运动
9．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。若带负电的云层接近避雷针顶端时，下列说法正确的是（ ）
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
10．如图，在直角坐标系中固定一不带电的金属导体球，球心O′坐标为（2L，0），a、b是同一个圆上的两个点，圆心在坐标原点O，Ob连线与球相切与d点。现在O处固定一点电荷，带电量为+Q。当金属球处于静电平衡状态时，下列说法正确的是（ ）
A．金属球左侧表面带正电
B．d点电场线与金属球相切
C．图中各点电势关系为
D．导体球上的感应电荷在O′处的场强大小
11．（多选）如图所示A为绝缘空心金属球壳，原来不带电。将一个带正电的小球B从小孔放入金属球空腔内，但不与球壳接触。达到静电平衡后，以下说法正确的是（ ）
A．球壳内侧带负电，外侧带正电B．球壳外侧电势高，内侧电势低
C．金属球内空腔处电场强度为零D．金属球壳内电场强度为零
12．（多选）在一次科学晚会上，一位老师表演了一个“魔术”：如图所示，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。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。则下列说法正确的是（ ）
A．锯条和金属片之间为匀强电场
B．锯条附近的电场强度最大
C．若锯条接电源负极，金属片接正极，当摇动起电机时，烟雾会向金属片移动
D．当把起电机一摇，顿时塑料瓶清澈透明，当起电机停止摇动一段时间后，又会是烟雾缭绕
13．（多选）如图，一个不带电的表面绝缘的导体P正在向带正电的小球Q缓慢靠近，但不接触，也没有发生放电现象，则下列说法中正确的是（ ）
A．导体内场强不变
B．B端的感应电荷为负电荷
C．导体上的感应电荷在C点产生的场强始终小于在B点产生的场强
D．C、B两点的电势始终相同
14．以煤作燃料的电站，每天排出的烟气带走大量的煤粉，不仅浪费燃料，而且严重污染环境，利用静电除尘可以除去烟气中的煤粉。如图所示是静电除尘器的原理示意图，除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，在A、B上各引电极a、b接直流高压电源。假定煤粉只会吸附电子，而且距金属丝B越近场强越大。
（1）试判断所接高压电源的极性；
（2）试定性说明静电除尘器的工作原理；
（3）设金属管A的内径r＝3 m，长为L＝50 m，该除尘器吸附煤粉的能力D＝3.5×10－4 kg/（s·m2），求其工作一天能回收煤粉多少吨？（最后结果取三位有效数字）
题组C 培优拔尖练
15．如图所示，P是一个带电体，S代表放在绝缘板上的一些小纸屑，而N是一个不带电的空金属球。那么，各图中的纸屑S不会被其带电体P吸引的是（ ）
A．B．
C．D．
16．如图所示，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内不与C的内壁接触，在C附近另外有一个悬挂在细线上的带负电的小球B，则（ ）
A．A，B两球均不偏离竖直方向
B．A球不偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向
C．A球向左偏离竖直方向，B球不偏离竖直方向
D．A球向左偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向
17．（多选）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（ ）
A．B．
C．D．
18．（多选）如图所示，半径为R的金属球表面均匀分布着正电荷，以球心O为原点建立x轴，沿x轴上各点的电场强度大小和电势分别用E和φ表示。选取无穷远处电势为零，则下列关于x 轴上各点电场强度大小E和电势φ随位置x变化的关系图像中，可能正确的是（ ）
A．B．
C．D．
19．如图所示，在桌上放两摞书，把一块洁净的玻璃板垫起来，使玻璃板离开桌面，在宽的纸条上画出各种舞姿的人形，用剪刀把它们剪下来，放在玻璃板下面，然后用一块硬泡沫塑料在玻璃板上摩擦，就可以看到小纸人翩翩起舞了。请回答：
（1）小纸人为什么会翩翩起舞？
（2）如果实验前用一根火柴把“跳舞区”烤一烤，实验效果更好，此现象说明了什么？
（3）如果向“跳舞区”哈一口气，小纸人跳得就不活跃了，此现象说明了什么？
（4）通过实验现象，找出一种防止静电的方法。
20．如图所示，M点有电荷量为Q的负点电荷，在距离点电荷为r处放入厚度为d的平行金属板，N点为金属板内距表面为的点，MN连线与金属板表面垂直。当金属板处于静电平衡时：
（1）金属板的左侧面所带电荷电性？
（2）金属板上的感应电荷在板中点N处产生的场强？
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
9.4 静电的防止与利用
【物理核心素养】
物理观念：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，感受静电平衡概念的建立过程。
科学思维：掌握归纳、演绎推理的方法，训练学生的推理能力，亲身感受知识的建立过程。
科学探究：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体的特征。
科学态度与责任：经历观察、实验、探究等学习活动，培养尊重客观事实、实事求是的科学态度。
【教学重难点】
1、掌握静电平衡的概念、理解静电平衡的特征。
2、应用静电平衡知识，认识尖端放电现象和静电屏蔽现象。
知识点一、静电平衡
1．把导体放入电场，导体内的自由电荷在电场力作用下定向移动，而使导体两端出现等量异种电荷的现象．
2．静电平衡状态：导体在电场中发生静电感应现象，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部各点的合电场等于零，导体内的自由电子不再发生移动的状态．
3．静电平衡状态的特征
（1）处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零．
（2）处于静电平衡状态的导体，外部表面附近任何一点的场强方向必跟该点的表面垂直．
（3）处于静电平衡状态的整个导体是个等势体，导体的表面为等势面．
【经典例题1】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＋2q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的大小和方向？
【答案】 （1）0；（2），水平向右
【解析】
（1）水平导体棒当达到静电平衡后，棒上感应电荷在金属杆中点处产生的场强大小与一带电量为+2q的点电荷在该处产生的电场强度大小相等，则该处的电场强度为零。
（2）金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的场强与一带电量为+2q的点电荷在该处产生的电场强度大小相等，方向相反，即方向水平向右
大小为
【变式训练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形状正确的是（ ）
A．B．
C．D．
【答案】 A
【解析】
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A。
知识点二、尖端放电
1．静电平衡时导体内部没有净剩电荷，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，周围的电场强度越大。
容易使周围空气电离。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。
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。
3．避雷针“避雷”的原理：雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反的电荷。通过尖端放电，使得空气中的带电粒子与空气中的异号电荷中和，避免建筑物遭受雷击.
【经典例题2】如图所示，是闪电击中广州塔的画面，广州塔的尖顶是一避雷针，雷雨天气时，底端带负电的云层经过避雷针上方时，避雷针尖端放电形成瞬间强电流，乌云所带的负电荷经避雷针导入大地，在此过程中，下列说法正确的是（ ）
A．云层靠近避雷针时，针尖感应出负电荷
B．越靠近避雷针尖端，电势越低
C．云层上负电荷流向避雷针的过程中，可能在做匀变速曲线运动
D．云层上负电荷流向避雷针的过程中，其电势能减小
【答案】 D
【解析】
A．云层靠近避雷针时，针尖感应出正电荷，A错误；
B．越靠近避雷针尖端，电势越高，B错误；
C．越靠近避雷针尖端，场强越大，电子所受电场力越大，加速度越大，因此云层上负电荷流向避雷针运动的过程中，做加速度增加的变加速曲线运动，C错误；
D．云层上负电荷流向避雷针的过程中，电场力做正功，其电势能减小，D正确。
故选D。
【变式训练2】（多选）高大的建筑物上安装避雷针，阴雨天气时云层中的大量电荷可以通过避雷针直接引入大地，从而达到保护建筑物的目的。如图所示，虚线是某次避雷针即将放电时，带负电的云层和避雷针之间三条等势线的分布示意图；实线是空气中某个带电粒子由点到点的运动轨迹，不计该带电粒子的重力，则（ ）
A．避雷针尖端带负电B．在点的电势能大于在点的电势能
C．放电时避雷针中有向上的电流D．越靠近避雷针尖端，其加速度越小
【答案】 BC
【解析】
A．云层带负电，则避雷针尖端带正电，A错误；
B．根据运动轨迹可知，带电粒子所受电场力指向避雷针尖端，由点到点电场力做正功，电势能降低，B正确；
C．放电时，云层中的负电荷通过避雷针流向大地，而电流方向为负电荷运动的反方向，所以放电时避雷针中有向上的电流，C正确；
D．带电粒子越靠近避雷针尖端，等势线越密集，电场强度越大，带电粒子所受电场力越大，加速度越大，D错误。
故选BC。
知识点三、静电屏蔽
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
【经典例题3】如图所示，放在绝缘台上的金属罩B内放有一个不带电的验电器C，如把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则（ ）
A．金属罩B内的场强不为零
B．在B的右侧内表面带正电荷
C．若将B接地，验电器的金属箔片将张开
D．B和C电势处处相等
【答案】 D
【解析】
A．由于金属网罩的静电屏蔽作用，内部场强为零，A错误；
B．由于金属网罩的静电屏蔽作用，B的内表面不带电，金属网罩表面的自由电子重新分布， B的右侧外表面带正电荷，B的左侧外表面负电荷， B错误；
C．由于金属网罩的静电屏蔽作用，B内的场强为零，验电器的金属箔片不张开，C错误；
D．金属网罩处于静电平衡状态，是等势体，D正确。
故选D。
【变式训练3】遵义市科技馆有一个法拉第笼（FaradayCage），它是一个由金属制成的球形状笼子，其笼体与大地连通。当高压电源通过限流电阻将10万伏直流高压输送给放电杆，放电杆尖端距笼体10厘米时，出现放电火花。周日15：00限时体验时，体验者进入笼体后关闭笼门，操作员接通电源，用放电杆进行放电演示。关于法拉第笼下列说法正确的是（ ）
A．法拉第笼上的感应电荷均匀分布在笼体外表面上
B．同一带电粒子在法拉第笼外的电势能大于在法拉第笼内部的电势能
C．法拉第笼上的感应电荷在笼内产生的电场强度为零
D．法拉第笼内部任意两点间的电势差为零
【答案】 D
【解析】
A．感应电荷在笼体外的分布是不均匀的，靠近放电杆与远离放电杆处的电荷多，中间位置处的电荷少。A错误；
B．不知道带电粒子的电性，所以不能判断同一个带电粒子在法拉第笼外的电势能与在法拉第笼内部的电势能的大小关系。B错误；
C．达到静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零，即感应电荷的附加电场与引起感应的电荷的电场的合场强为0，所以感应电荷在笼内产生的电场强度不能为零。C错误；
D．达到静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零，所以法拉第笼内部任意两点间的电势差为零。D正确
故选D。
知识点四、静电吸附
静电除尘原理：静电除尘器由板状收集器A和线状电离器B组成。A接到几千伏高压电源的正极，B接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距B越近，电场强度越大。B附近的空气中的气体分子更容易被电离，成为正离子和电子。正离子被吸到B上，得到电子，又成为分子。电子在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带负电。粉尘被吸附到正极A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。
【经典例题4】如图所示是滚筒式静电分选器，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和G分别接于直流高压电源的正、负极，并令C接地。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到达转动着的滚筒C，粉粒a具有良好的导电性，粉粒b具有良好的绝缘性。
（1）刮板D的作用是什么？
（2）粉粒a会落人哪个料槽，粉粒b会落人哪个料槽？为什么？
【答案】 （1）见解析；（2）a粉粒落入料槽F，b粉粒落入料槽E；原因见解析
【解析】
（1）放电针G附近的空气，受高压电场作用而电离。在电场力作用下，大量的电子或负离子被喷射在粉粒a上，使a带负电。带负电的物质粉粒a，因具有良好的导电性，所以在与带正电的滚筒C接触后，其上的负电被C上的正电中和并带上正电，带了正电的粉粒a一方面随滚筒转动，一方面受到C上正电的静电斥力而离开滚筒，最后落于料槽F，绝缘性能良好的粉粒b，其所带负电不容易传给滚筒C，在C的静电吸引力作用下，b附着于C的表面并随C转动，最后，b中粉粒较大者在重力作用下掉入料槽E，粉粒较小者由刮板D将其刮入料槽E；
（2）a粉粒落入料槽F，b粉粒落入料槽E，粉粒b中较小者，因其重力较小，不能借助重力落入E中，它们附着于滚筒表面随C转至D处，由刮板D将其刮入料槽E。
【变式训练4】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
【答案】 B
【解析】
AB．AB间接高压电后AB间产生很强的电场，气体分子被电离为电子和正离子，电子被粉尘吸附，粉尘带负电被接高压正极的收集器A吸附。故A错误，B正确；
C．越靠近线装电离器B电场强度越大，收集器A和电离器B之间形成的是非匀强电场，故C错误；
D．带负电的粉尘在电场力的作用下加速运动，电场力做正功，电势能减小，机械能增加，所以静电除尘过程是电场能向机械能转化的过程，故D错误。
故选B。
题组A 基础过关练
1．带负电的空心金属球壳置于绝缘支架上，将4个原来不带电的金属小球按图示位置放置，A球用绝缘轻绳竖直悬挂，B球接地，C球用导线与球壳内部相连，D球与球壳内部接触．设大地及无穷远处电势为零，当达到静电平衡时，下列说法正确的是
A．由于静电感应，A球带正电，
B．B球接地带负电，但电势为零
C．C球不带电，但电势与球壳电势相等
D．D球带不带电，但电势小于零
【答案】 D
【解析】
由于静电感应，A球的左右两端带上不同的电荷，但整体不带电．故A错误；由于静电感应，B球带正电，但电势和大地的电势相等，为零．故B成为；C球在金属球壳的外部，会带上与球壳相同的电荷．故C错误；D球在球壳的内部，与球壳接触后成为球壳内部的一部分，所以D不带电，电势与球壳电势相同，电势小于零．故D正确．故选D．
2．关于汽车中的物理知识，下述说法正确的是（ ）
A．打雷时，呆在汽车里要比呆在木屋里危险
B．后挡风玻璃上有一根根电热丝，通电后可快速清除霜雾
C．某些小汽车顶上有一根露在外面的小天线是用来避免雷击的
D．汽车上坡要换高速挡，其目的是增大速度，得到较小的牵引力
【答案】 B
【解析】
A．由于汽车金属外壳的静电屏蔽作用，打雷时呆在汽车里要比呆在木屋里安全。故A错误；
B．后挡风玻璃上有一根根电热丝，通电后快速发热，用于清除霜雾。故B正确；
C．某些小汽车顶上有一根露在外面的小天线是用来接收无线电信号的。故C错误；
D．汽车上坡要换低速挡，其目的是减小速度，得到较大的牵引力。故D错误。
故选B。
3．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
【答案】 C
【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。
故选C。
4．下列现象中，属于静电屏蔽的是（ ）
A．高压输电线线塔上除了下面的三根粗的输电线外，上方还有两根细的导线
B．油罐车车尾下方拖着一根落地的软铁条
C．高压设备中导体表面应该尽量光滑
D．涂料雾化器喷出的油漆微粒在电场力作用下飞向工件表面，形成漆膜
【答案】 A
【解析】
A．高压输电线线塔上除了下面的三根较粗的输电线外，上方还有两根较细的电线可以有效防止大气中的静电对高压线的影响，利用的是静电屏蔽的原理，故A正确；
B．油罐车拖着一个铁链网，目的是将汽车与空气摩擦产生的静电导入大地，不是静电屏蔽，故B错误；
C．高压设备中导体的表面应该尽量光滑，能有效避免尖端放电，不是静电屏蔽，故C错误；
D．涂料雾化器喷出的油漆微粒在电场力作用下飞向工件表面，形成漆膜，属于静电的利用，不是静电屏蔽，选项D错误。
故选A。
5．（多选）下列说法正确的是（ ）
A．打雷时，人呆在木屋里要比呆在汽车里安全
B．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为零
C．燃气灶点火器的放电电极做成针形是为了利用尖端放电现象
D．超高压带电作业的工人穿绝缘服比穿含金属丝的工作服安全
【答案】 BC
【解析】
A．一辆金属车身的汽车可以起到静电屏蔽的作用，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的电流导入地下，打雷时，呆在汽车里更安全，故A错误；
B．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为零，故B正确；
C．因为电荷集中于形状比较尖端的地方，即尖端放电，故燃气灶的电子点火器的放电电极做成针形比较好，故C正确；
D．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。
故选BC。
6．（多选）如图是某种静电矿料分选器原理图，带正、负电矿粉经漏斗落入水平匀强电场后，分落在收集板中央的两侧，下列关于带负电矿粉分离的过程表述正确的是（ ）
A．落在左侧B．动能变小C．电势能变小D．电场力对矿粉做正功
【答案】 CD
【解析】
因右极板带正电，则带负电矿粉分离的过程受到向右的电场力作用，将落到右侧，电场力做正功，动能变大，电势能减小。
故选CD。
题组B 能力提升练
7．下列四幅图描述的场景依次为雷电击中避雷针（图甲）、高压输电线上方还有两条与大地相连的导线（图乙）、燃气灶中的针尖状点火器（图丙）、工人穿戴着含金属丝制成的工作服进行超高压带电作业（图丁），关于这四幅图所涉及的物理知识，下列说法正确的是（ ）
A．图甲中避雷针的工作原理主要是静电屏蔽
B．图丙中的点火器是利用摩擦起电的原理进行点火的
C．图丙中的点火器的工作原理和图丁中工作服内掺入的金属丝的工作原理是相同的
D．图乙中与大地相连的两条导线所起的作用和图丁中工作服内的金属丝所起的作用是相同的
【答案】 D
【解析】
A．避雷针的工作原理主要是利用尖端放电避免雷击，A错误；
B．放电电极做成针尖状，更容易累积电荷从而发生尖端放电现象，B错误；
C．点火器是利用高压尖端放电的原理，而工作服内掺入的金属丝，是利用了静电屏蔽的原理，C错误；
D．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，与工作服内掺入的金属丝，都是利用了静电屏蔽的原理，D正确。
故选D。
8．如图静电除尘器除尘原理的示意图。尘埃在电场中通过某种机制带电，在静电力的作用下向集尘极迁移并沉积，以达到除尘的目的，下列表述正确的是（ ）
A．到达集尘极的尘埃带可能带正电，也可能带负电
B．电场方向由集尘极指向放电极带电
C．到达集尘极的带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相同
D．带电尘埃在电场中匀加速运动
【答案】 B
【解析】
AB．由于集尘极与电池的正极连接，电场方向由集尘板指向放电极，尘埃在电场力作用下向集尘极迁移并沉积，说明尘埃带负电，故B正确，A错误；
C．负电荷在电场中受电场力的方向与电场力方向相反，故C错误；
D．由图可知，放电极和集尘极之间的电场类似于尖端放电所产生的电场，不是匀强电场，所以带电尘埃在电场中不可能做匀加速运动，故D错误。
故选B。
9．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。若带负电的云层接近避雷针顶端时，下列说法正确的是（ ）
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
【答案】 C
【解析】
A．根据异种电荷相互吸引、同种电荷相互排斥，可知若带负电的云接近避雷针顶端时，避雷针顶端带正电，故A错误；
C．由A选项分析可知，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C正确；
BD．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—负电，然后相互排斥，和B接触，电子通过B下端接地线导入大地，然后C不带电，如此反复；故BD错误。
故选C。
10．如图，在直角坐标系中固定一不带电的金属导体球，球心O′坐标为（2L，0），a、b是同一个圆上的两个点，圆心在坐标原点O，Ob连线与球相切与d点。现在O处固定一点电荷，带电量为+Q。当金属球处于静电平衡状态时，下列说法正确的是（ ）
A．金属球左侧表面带正电
B．d点电场线与金属球相切
C．图中各点电势关系为
D．导体球上的感应电荷在O′处的场强大小
【答案】 D
【解析】
A．金属球处于静电平衡状态，因点电荷为正电荷，则金属球左侧表面带负电，A错误；
B．d点电场线与金属球表面垂直，B错误；
C．由于感应电荷对场源电荷的影响，点电荷左边电场强度大小要大于右侧电场强度的大小，根据
可知b点的电势要小于a点的电势，沿着电场线方向电势降低，则b点的电势要大于d点的电势，即
C错误；
D．点电荷在球心处产生的场强大小为
根据静电平衡条件可知，点电荷和导体球上的感应电荷在O′处产生的场强大小相等，方向相反，则导体球上的感应电荷在O′处的场强大小为，D正确。
故选D。
11．（多选）如图所示A为绝缘空心金属球壳，原来不带电。将一个带正电的小球B从小孔放入金属球空腔内，但不与球壳接触。达到静电平衡后，以下说法正确的是（ ）
A．球壳内侧带负电，外侧带正电B．球壳外侧电势高，内侧电势低
C．金属球内空腔处电场强度为零D．金属球壳内电场强度为零
【答案】 AD
【解析】
A．由于静电感应，金属球壳A内壁感应出负电，外侧带正电，故A正确；
B．静电平衡后，金属球壳A是一个等势体，故B错误；
C．由于B带正电，则A的空腔内电场强度不为零，故C错误；
D．处于静电平衡的金属球壳，其内电场强度为零，故D正确。
故选AD。
12．（多选）在一次科学晚会上，一位老师表演了一个“魔术”：如图所示，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。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。则下列说法正确的是（ ）
A．锯条和金属片之间为匀强电场
B．锯条附近的电场强度最大
C．若锯条接电源负极，金属片接正极，当摇动起电机时，烟雾会向金属片移动
D．当把起电机一摇，顿时塑料瓶清澈透明，当起电机停止摇动一段时间后，又会是烟雾缭绕
【答案】 BCD
【解析】
A．由于锯条和金属片形状不同，面积不等，且锯条上电荷分布不均匀，则锯条和金属片之间的电场不为匀强电场，故A错误；
B．由于锯条上尖端部分比较多，聚集的电荷最多，则电场强度最大，故B正确；
C．起电机产生高电压使锯条和金属片之间的电场将空气中的分子电离，电离出来的电子被烟尘颗粒吸附，俘获电子的烟尘颗粒带负电，容易被带正电的金属片吸引，故烟雾会向金属片移动，故C正确；
D．当把起电机一摇，锯条和金属片之间形成电场，电离空气分子，使烟尘颗粒吸附电子后被带正电的金属片（或锯条）吸引，从而使塑料瓶清澈透明。当起电机停止摇动一段时间后，锯条和金属片上的电荷被中和，电场消失，则瓶中又会烟雾缭绕，故D正确。
故选BCD。
13．（多选）如图，一个不带电的表面绝缘的导体P正在向带正电的小球Q缓慢靠近，但不接触，也没有发生放电现象，则下列说法中正确的是（ ）
A．导体内场强不变
B．B端的感应电荷为负电荷
C．导体上的感应电荷在C点产生的场强始终小于在B点产生的场强
D．C、B两点的电势始终相同
【答案】 AD
【解析】
A．处于静电平衡的导体内场强为0，A正确；
B．导体P处在正电荷的电场中，由于静电感应现象，B端要感应出正电荷，C端出现负电荷，B错误；
C．在C点和B点的场强由导体上的感应电荷和带正电的小球共同叠加产生，且为0，带正电的小球在C点的场强要大于在B点的场强，所以导体上的感应电荷在C点产生的场强始终大于在B点产生的场强，C错误；
D．处于静电平衡的导体是等势体，C、B两点的电势始终相同，D正确。
故选AD。
14．以煤作燃料的电站，每天排出的烟气带走大量的煤粉，不仅浪费燃料，而且严重污染环境，利用静电除尘可以除去烟气中的煤粉。如图所示是静电除尘器的原理示意图，除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，在A、B上各引电极a、b接直流高压电源。假定煤粉只会吸附电子，而且距金属丝B越近场强越大。
（1）试判断所接高压电源的极性；
（2）试定性说明静电除尘器的工作原理；
（3）设金属管A的内径r＝3 m，长为L＝50 m，该除尘器吸附煤粉的能力D＝3.5×10－4 kg/（s·m2），求其工作一天能回收煤粉多少吨？（最后结果取三位有效数字）
【答案】 （1）a为正极，b为负极；（2）带电粒子在电场作用下奔向电极，并吸附在电极上；（3）28.5 t
【解析】
（1）因为煤粉吸附电子，所以带负电，为了将煤粉吸附在金属管上，因此与金属管相连的a为正极，与金属丝相连的b为负极。
（2）由于煤粉吸附电子带电，故将在电场作用下奔向电极，并吸附在电极上。
（3）设一天回收煤粉的质量为m，管内表面积
S＝2πrL
则
题组C 培优拔尖练
15．如图所示，P是一个带电体，S代表放在绝缘板上的一些小纸屑，而N是一个不带电的空金属球。那么，各图中的纸屑S不会被其带电体P吸引的是（ ）
A．B．
C．D．
【答案】 A
【解析】
A．由于空腔金属球（或者网罩）无论是否接地，都能把外部的电场屏蔽起来不让它影响内部，A正确；
B．若把空腔金属球（或者网罩）接地，就能够把内部带电体的电场屏蔽起来不让它影响外部电器，B项中金属球未接地，金属球内表面和外表面都有感应电荷，纸屑S会被其带电体P吸引。B错误；
CD．C、D中带电体与纸屑在同一空间中，不够成静电屏蔽，会被吸引，CD错误。
故选A。
16．如图所示，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内不与C的内壁接触，在C附近另外有一个悬挂在细线上的带负电的小球B，则（ ）
A．A，B两球均不偏离竖直方向
B．A球不偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向
C．A球向左偏离竖直方向，B球不偏离竖直方向
D．A球向左偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向
【答案】 B
【解析】
CD．由于静电屏蔽，小球B的电场对A无影响，小球A不会偏离竖直方向，选项CD错误；
AB．由于静电感应空心球C的内表面带负电，外表面带正电，小球B和空心球C之间异种电荷相吸引，小球B会偏离竖直方向向右靠近C球，选项A错误，B正确。
故选B。
17．（多选）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（ ）
A．B．
C．D．
【答案】 ABD
【解析】
A．当正电荷放在金属壳外时，使金属壳左端带负电荷，右端带正电荷，两端出现电压，导致感应电场与外电场相叠加，所以内部电场强度为零起到屏蔽的作用，故A正确；
B．当正电荷放在金属壳外时，使金属壳左端带负电荷，由于右端接地，则不带电，两端仍出现电压，导致感应电场与外电场相叠加，所以内部电场强度为零起到屏蔽的作用，故B正确；
C．当正电荷放在金属壳内时，使金属内壳带负电荷，外壳带正电荷，出现电场，导致出现感应电场没起到屏蔽的作用，故C错误；
D．当正电荷放在金属壳内时，由于接地，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，从而起到屏蔽的作用，故D正确；
故选ABD。
18．（多选）如图所示，半径为R的金属球表面均匀分布着正电荷，以球心O为原点建立x轴，沿x轴上各点的电场强度大小和电势分别用E和φ表示。选取无穷远处电势为零，则下列关于x 轴上各点电场强度大小E和电势φ随位置x变化的关系图像中，可能正确的是（ ）
A．B．
C．D．
【答案】 AD
【解析】
AB．金属球是处于静电平衡的导体，是一个等势体，在导体外侧，电场线由导体指向无穷远处，沿着电场线电势降低，故A选项可能正确，B选项一定错误；
CD．处于静电平衡的导体，其内部电场强度处处为零，金属球在其外部形成的电场的电场强度，可应用点电荷场强公式表示，故C选项错误，D选项正确。
故选AD。
19．如图所示，在桌上放两摞书，把一块洁净的玻璃板垫起来，使玻璃板离开桌面，在宽的纸条上画出各种舞姿的人形，用剪刀把它们剪下来，放在玻璃板下面，然后用一块硬泡沫塑料在玻璃板上摩擦，就可以看到小纸人翩翩起舞了。请回答：
（1）小纸人为什么会翩翩起舞？
（2）如果实验前用一根火柴把“跳舞区”烤一烤，实验效果更好，此现象说明了什么？
（3）如果向“跳舞区”哈一口气，小纸人跳得就不活跃了，此现象说明了什么？
（4）通过实验现象，找出一种防止静电的方法。
【答案】 （1）因为泡沫塑料摩擦玻璃板，会使玻璃板带电，带电玻璃板能吸引轻小的“小纸人”，由于玻璃板上的电荷量不断变化，小纸人受力不断变化使小纸人翩翩起舞；（2）用火柴烤一烤跳舞区，跳舞区的绝缘效果加强，电荷不易导走，故实验效果则更好；（3）向跳舞区哈气，跳舞区的绝缘效果明显下降，玻璃板带的电荷会被导走，电荷量减小，小纸人也就不活跃了；（4）该实验若用导线将玻璃板接地，则小纸人不再跳舞，因此要防止静电，可将产生静电的物体接地。
【解析】
（1）因为泡沫塑料摩擦玻璃板，会使玻璃板带电，带电玻璃板能吸引轻小的“小纸人”，由于玻璃板上的电荷量不断变化，小纸人受力不断变化使小纸人翩翩起舞；
（2）用火柴烤一烤跳舞区，跳舞区的绝缘效果加强，电荷不易导走，故实验效果则更好；
（3）向跳舞区哈气，跳舞区的绝缘效果明显下降，玻璃板带的电荷会被导走，电荷量减小，小纸人也就不活跃了；
（4）该实验若用导线将玻璃板接地，则小纸人不再跳舞，因此要防止静电，可将产生静电的物体接地。
20．如图所示，M点有电荷量为Q的负点电荷，在距离点电荷为r处放入厚度为d的平行金属板，N点为金属板内距表面为的点，MN连线与金属板表面垂直。当金属板处于静电平衡时：
（1）金属板的左侧面所带电荷电性？
（2）金属板上的感应电荷在板中点N处产生的场强？
【答案】 （1）正电荷；（2），方向沿MN连线向右
【解析】
（1）根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引规律，M点的点电荷带负电，在金属板的左侧面感应出正电荷；
（2）金属板内部合场强为零，故感应电荷在N点产生的电场强度与点电荷在N点产生的电场强度等大反向，根据
可得，感应电荷在N点产生的电场强度
方向沿MN连线向右
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
物理观念：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，感受静电平衡概念的建立过程。
科学思维：掌握归纳、演绎推理的方法，训练学生的推理能力，亲身感受知识的建立过程。
科学探究：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体的特征。
科学态度与责任：经历观察、实验、探究等学习活动，培养尊重客观事实、实事求是的科学态度。
【教学重难点】
1、掌握静电平衡的概念、理解静电平衡的特征。
2、应用静电平衡知识，认识尖端放电现象和静电屏蔽现象。
知识点一、静电平衡
1．把导体放入电场，导体内的自由电荷在电场力作用下定向移动，而使导体两端出现等量异种电荷的现象．
2．静电平衡状态：导体在电场中发生静电感应现象，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部各点的合电场等于零，导体内的自由电子不再发生移动的状态．
3．静电平衡状态的特征
（1）处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零．
（2）处于静电平衡状态的导体，外部表面附近任何一点的场强方向必跟该点的表面垂直．
（3）处于静电平衡状态的整个导体是个等势体，导体的表面为等势面．
【经典例题1】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＋2q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的大小和方向？
【变式训练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形状正确的是（ ）
A．B．
C．D．
知识点二、尖端放电
1．静电平衡时导体内部没有净剩电荷，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，周围的电场强度越大。
容易使周围空气电离。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。
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。
3．避雷针“避雷”的原理：雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反的电荷。通过尖端放电，使得空气中的带电粒子与空气中的异号电荷中和，避免建筑物遭受雷击.
【经典例题2】如图所示，是闪电击中广州塔的画面，广州塔的尖顶是一避雷针，雷雨天气时，底端带负电的云层经过避雷针上方时，避雷针尖端放电形成瞬间强电流，乌云所带的负电荷经避雷针导入大地，在此过程中，下列说法正确的是（ ）
A．云层靠近避雷针时，针尖感应出负电荷
B．越靠近避雷针尖端，电势越低
C．云层上负电荷流向避雷针的过程中，可能在做匀变速曲线运动
D．云层上负电荷流向避雷针的过程中，其电势能减小
【变式训练2】（多选）高大的建筑物上安装避雷针，阴雨天气时云层中的大量电荷可以通过避雷针直接引入大地，从而达到保护建筑物的目的。如图所示，虚线是某次避雷针即将放电时，带负电的云层和避雷针之间三条等势线的分布示意图；实线是空气中某个带电粒子由点到点的运动轨迹，不计该带电粒子的重力，则（ ）
A．避雷针尖端带负电B．在点的电势能大于在点的电势能
C．放电时避雷针中有向上的电流D．越靠近避雷针尖端，其加速度越小
知识点三、静电屏蔽
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
【经典例题3】如图所示，放在绝缘台上的金属罩B内放有一个不带电的验电器C，如把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则（ ）
A．金属罩B内的场强不为零
B．在B的右侧内表面带正电荷
C．若将B接地，验电器的金属箔片将张开
D．B和C电势处处相等
【变式训练3】遵义市科技馆有一个法拉第笼（FaradayCage），它是一个由金属制成的球形状笼子，其笼体与大地连通。当高压电源通过限流电阻将10万伏直流高压输送给放电杆，放电杆尖端距笼体10厘米时，出现放电火花。周日15：00限时体验时，体验者进入笼体后关闭笼门，操作员接通电源，用放电杆进行放电演示。关于法拉第笼下列说法正确的是（ ）
A．法拉第笼上的感应电荷均匀分布在笼体外表面上
B．同一带电粒子在法拉第笼外的电势能大于在法拉第笼内部的电势能
C．法拉第笼上的感应电荷在笼内产生的电场强度为零
D．法拉第笼内部任意两点间的电势差为零
知识点四、静电吸附
静电除尘原理：静电除尘器由板状收集器A和线状电离器B组成。A接到几千伏高压电源的正极，B接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距B越近，电场强度越大。B附近的空气中的气体分子更容易被电离，成为正离子和电子。正离子被吸到B上，得到电子，又成为分子。电子在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带负电。粉尘被吸附到正极A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。
【经典例题4】如图所示是滚筒式静电分选器，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和G分别接于直流高压电源的正、负极，并令C接地。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到达转动着的滚筒C，粉粒a具有良好的导电性，粉粒b具有良好的绝缘性。
（1）刮板D的作用是什么？
（2）粉粒a会落人哪个料槽，粉粒b会落人哪个料槽？为什么？
【变式训练4】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
题组A 基础过关练
1．带负电的空心金属球壳置于绝缘支架上，将4个原来不带电的金属小球按图示位置放置，A球用绝缘轻绳竖直悬挂，B球接地，C球用导线与球壳内部相连，D球与球壳内部接触．设大地及无穷远处电势为零，当达到静电平衡时，下列说法正确的是
A．由于静电感应，A球带正电，
B．B球接地带负电，但电势为零
C．C球不带电，但电势与球壳电势相等
D．D球带不带电，但电势小于零
2．关于汽车中的物理知识，下述说法正确的是（ ）
A．打雷时，呆在汽车里要比呆在木屋里危险
B．后挡风玻璃上有一根根电热丝，通电后可快速清除霜雾
C．某些小汽车顶上有一根露在外面的小天线是用来避免雷击的
D．汽车上坡要换高速挡，其目的是增大速度，得到较小的牵引力
3．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
4．下列现象中，属于静电屏蔽的是（ ）
A．高压输电线线塔上除了下面的三根粗的输电线外，上方还有两根细的导线
B．油罐车车尾下方拖着一根落地的软铁条
C．高压设备中导体表面应该尽量光滑
D．涂料雾化器喷出的油漆微粒在电场力作用下飞向工件表面，形成漆膜
5．（多选）下列说法正确的是（ ）
A．打雷时，人呆在木屋里要比呆在汽车里安全
B．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为零
C．燃气灶点火器的放电电极做成针形是为了利用尖端放电现象
D．超高压带电作业的工人穿绝缘服比穿含金属丝的工作服安全
6．（多选）如图是某种静电矿料分选器原理图，带正、负电矿粉经漏斗落入水平匀强电场后，分落在收集板中央的两侧，下列关于带负电矿粉分离的过程表述正确的是（ ）
A．落在左侧B．动能变小C．电势能变小D．电场力对矿粉做正功
题组B 能力提升练
7．下列四幅图描述的场景依次为雷电击中避雷针（图甲）、高压输电线上方还有两条与大地相连的导线（图乙）、燃气灶中的针尖状点火器（图丙）、工人穿戴着含金属丝制成的工作服进行超高压带电作业（图丁），关于这四幅图所涉及的物理知识，下列说法正确的是（ ）
A．图甲中避雷针的工作原理主要是静电屏蔽
B．图丙中的点火器是利用摩擦起电的原理进行点火的
C．图丙中的点火器的工作原理和图丁中工作服内掺入的金属丝的工作原理是相同的
D．图乙中与大地相连的两条导线所起的作用和图丁中工作服内的金属丝所起的作用是相同的
8．如图静电除尘器除尘原理的示意图。尘埃在电场中通过某种机制带电，在静电力的作用下向集尘极迁移并沉积，以达到除尘的目的，下列表述正确的是（ ）
A．到达集尘极的尘埃带可能带正电，也可能带负电
B．电场方向由集尘极指向放电极带电
C．到达集尘极的带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相同
D．带电尘埃在电场中匀加速运动
9．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。若带负电的云层接近避雷针顶端时，下列说法正确的是（ ）
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
10．如图，在直角坐标系中固定一不带电的金属导体球，球心O′坐标为（2L，0），a、b是同一个圆上的两个点，圆心在坐标原点O，Ob连线与球相切与d点。现在O处固定一点电荷，带电量为+Q。当金属球处于静电平衡状态时，下列说法正确的是（ ）
A．金属球左侧表面带正电
B．d点电场线与金属球相切
C．图中各点电势关系为
D．导体球上的感应电荷在O′处的场强大小
11．（多选）如图所示A为绝缘空心金属球壳，原来不带电。将一个带正电的小球B从小孔放入金属球空腔内，但不与球壳接触。达到静电平衡后，以下说法正确的是（ ）
A．球壳内侧带负电，外侧带正电B．球壳外侧电势高，内侧电势低
C．金属球内空腔处电场强度为零D．金属球壳内电场强度为零
12．（多选）在一次科学晚会上，一位老师表演了一个“魔术”：如图所示，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。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。则下列说法正确的是（ ）
A．锯条和金属片之间为匀强电场
B．锯条附近的电场强度最大
C．若锯条接电源负极，金属片接正极，当摇动起电机时，烟雾会向金属片移动
D．当把起电机一摇，顿时塑料瓶清澈透明，当起电机停止摇动一段时间后，又会是烟雾缭绕
13．（多选）如图，一个不带电的表面绝缘的导体P正在向带正电的小球Q缓慢靠近，但不接触，也没有发生放电现象，则下列说法中正确的是（ ）
A．导体内场强不变
B．B端的感应电荷为负电荷
C．导体上的感应电荷在C点产生的场强始终小于在B点产生的场强
D．C、B两点的电势始终相同
14．以煤作燃料的电站，每天排出的烟气带走大量的煤粉，不仅浪费燃料，而且严重污染环境，利用静电除尘可以除去烟气中的煤粉。如图所示是静电除尘器的原理示意图，除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，在A、B上各引电极a、b接直流高压电源。假定煤粉只会吸附电子，而且距金属丝B越近场强越大。
（1）试判断所接高压电源的极性；
（2）试定性说明静电除尘器的工作原理；
（3）设金属管A的内径r＝3 m，长为L＝50 m，该除尘器吸附煤粉的能力D＝3.5×10－4 kg/（s·m2），求其工作一天能回收煤粉多少吨？（最后结果取三位有效数字）
题组C 培优拔尖练
15．如图所示，P是一个带电体，S代表放在绝缘板上的一些小纸屑，而N是一个不带电的空金属球。那么，各图中的纸屑S不会被其带电体P吸引的是（ ）
A．B．
C．D．
16．如图所示，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内不与C的内壁接触，在C附近另外有一个悬挂在细线上的带负电的小球B，则（ ）
A．A，B两球均不偏离竖直方向
B．A球不偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向
C．A球向左偏离竖直方向，B球不偏离竖直方向
D．A球向左偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向
17．（多选）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（ ）
A．B．
C．D．
18．（多选）如图所示，半径为R的金属球表面均匀分布着正电荷，以球心O为原点建立x轴，沿x轴上各点的电场强度大小和电势分别用E和φ表示。选取无穷远处电势为零，则下列关于x 轴上各点电场强度大小E和电势φ随位置x变化的关系图像中，可能正确的是（ ）
A．B．
C．D．
19．如图所示，在桌上放两摞书，把一块洁净的玻璃板垫起来，使玻璃板离开桌面，在宽的纸条上画出各种舞姿的人形，用剪刀把它们剪下来，放在玻璃板下面，然后用一块硬泡沫塑料在玻璃板上摩擦，就可以看到小纸人翩翩起舞了。请回答：
（1）小纸人为什么会翩翩起舞？
（2）如果实验前用一根火柴把“跳舞区”烤一烤，实验效果更好，此现象说明了什么？
（3）如果向“跳舞区”哈一口气，小纸人跳得就不活跃了，此现象说明了什么？
（4）通过实验现象，找出一种防止静电的方法。
20．如图所示，M点有电荷量为Q的负点电荷，在距离点电荷为r处放入厚度为d的平行金属板，N点为金属板内距表面为的点，MN连线与金属板表面垂直。当金属板处于静电平衡时：
（1）金属板的左侧面所带电荷电性？
（2）金属板上的感应电荷在板中点N处产生的场强？
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
9.4 静电的防止与利用
【物理核心素养】
物理观念：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，感受静电平衡概念的建立过程。
科学思维：掌握归纳、演绎推理的方法，训练学生的推理能力，亲身感受知识的建立过程。
科学探究：通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体的特征。
科学态度与责任：经历观察、实验、探究等学习活动，培养尊重客观事实、实事求是的科学态度。
【教学重难点】
1、掌握静电平衡的概念、理解静电平衡的特征。
2、应用静电平衡知识，认识尖端放电现象和静电屏蔽现象。
知识点一、静电平衡
1．把导体放入电场，导体内的自由电荷在电场力作用下定向移动，而使导体两端出现等量异种电荷的现象．
2．静电平衡状态：导体在电场中发生静电感应现象，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部各点的合电场等于零，导体内的自由电子不再发生移动的状态．
3．静电平衡状态的特征
（1）处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零．
（2）处于静电平衡状态的导体，外部表面附近任何一点的场强方向必跟该点的表面垂直．
（3）处于静电平衡状态的整个导体是个等势体，导体的表面为等势面．
【经典例题1】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＋2q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的大小和方向？
【答案】 （1）0；（2），水平向右
【解析】
（1）水平导体棒当达到静电平衡后，棒上感应电荷在金属杆中点处产生的场强大小与一带电量为+2q的点电荷在该处产生的电场强度大小相等，则该处的电场强度为零。
（2）金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的场强与一带电量为+2q的点电荷在该处产生的电场强度大小相等，方向相反，即方向水平向右
大小为
【变式训练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形状正确的是（ ）
A．B．
C．D．
【答案】 A
【解析】
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A。
知识点二、尖端放电
1．静电平衡时导体内部没有净剩电荷，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，周围的电场强度越大。
容易使周围空气电离。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。
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。
3．避雷针“避雷”的原理：雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反的电荷。通过尖端放电，使得空气中的带电粒子与空气中的异号电荷中和，避免建筑物遭受雷击.
【经典例题2】如图所示，是闪电击中广州塔的画面，广州塔的尖顶是一避雷针，雷雨天气时，底端带负电的云层经过避雷针上方时，避雷针尖端放电形成瞬间强电流，乌云所带的负电荷经避雷针导入大地，在此过程中，下列说法正确的是（ ）
A．云层靠近避雷针时，针尖感应出负电荷
B．越靠近避雷针尖端，电势越低
C．云层上负电荷流向避雷针的过程中，可能在做匀变速曲线运动
D．云层上负电荷流向避雷针的过程中，其电势能减小
【答案】 D
【解析】
A．云层靠近避雷针时，针尖感应出正电荷，A错误；
B．越靠近避雷针尖端，电势越高，B错误；
C．越靠近避雷针尖端，场强越大，电子所受电场力越大，加速度越大，因此云层上负电荷流向避雷针运动的过程中，做加速度增加的变加速曲线运动，C错误；
D．云层上负电荷流向避雷针的过程中，电场力做正功，其电势能减小，D正确。
故选D。
【变式训练2】（多选）高大的建筑物上安装避雷针，阴雨天气时云层中的大量电荷可以通过避雷针直接引入大地，从而达到保护建筑物的目的。如图所示，虚线是某次避雷针即将放电时，带负电的云层和避雷针之间三条等势线的分布示意图；实线是空气中某个带电粒子由点到点的运动轨迹，不计该带电粒子的重力，则（ ）
A．避雷针尖端带负电B．在点的电势能大于在点的电势能
C．放电时避雷针中有向上的电流D．越靠近避雷针尖端，其加速度越小
【答案】 BC
【解析】
A．云层带负电，则避雷针尖端带正电，A错误；
B．根据运动轨迹可知，带电粒子所受电场力指向避雷针尖端，由点到点电场力做正功，电势能降低，B正确；
C．放电时，云层中的负电荷通过避雷针流向大地，而电流方向为负电荷运动的反方向，所以放电时避雷针中有向上的电流，C正确；
D．带电粒子越靠近避雷针尖端，等势线越密集，电场强度越大，带电粒子所受电场力越大，加速度越大，D错误。
故选BC。
知识点三、静电屏蔽
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
【经典例题3】如图所示，放在绝缘台上的金属罩B内放有一个不带电的验电器C，如把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则（ ）
A．金属罩B内的场强不为零
B．在B的右侧内表面带正电荷
C．若将B接地，验电器的金属箔片将张开
D．B和C电势处处相等
【答案】 D
【解析】
A．由于金属网罩的静电屏蔽作用，内部场强为零，A错误；
B．由于金属网罩的静电屏蔽作用，B的内表面不带电，金属网罩表面的自由电子重新分布， B的右侧外表面带正电荷，B的左侧外表面负电荷， B错误；
C．由于金属网罩的静电屏蔽作用，B内的场强为零，验电器的金属箔片不张开，C错误；
D．金属网罩处于静电平衡状态，是等势体，D正确。
故选D。
【变式训练3】遵义市科技馆有一个法拉第笼（FaradayCage），它是一个由金属制成的球形状笼子，其笼体与大地连通。当高压电源通过限流电阻将10万伏直流高压输送给放电杆，放电杆尖端距笼体10厘米时，出现放电火花。周日15：00限时体验时，体验者进入笼体后关闭笼门，操作员接通电源，用放电杆进行放电演示。关于法拉第笼下列说法正确的是（ ）
A．法拉第笼上的感应电荷均匀分布在笼体外表面上
B．同一带电粒子在法拉第笼外的电势能大于在法拉第笼内部的电势能
C．法拉第笼上的感应电荷在笼内产生的电场强度为零
D．法拉第笼内部任意两点间的电势差为零
【答案】 D
【解析】
A．感应电荷在笼体外的分布是不均匀的，靠近放电杆与远离放电杆处的电荷多，中间位置处的电荷少。A错误；
B．不知道带电粒子的电性，所以不能判断同一个带电粒子在法拉第笼外的电势能与在法拉第笼内部的电势能的大小关系。B错误；
C．达到静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零，即感应电荷的附加电场与引起感应的电荷的电场的合场强为0，所以感应电荷在笼内产生的电场强度不能为零。C错误；
D．达到静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零，所以法拉第笼内部任意两点间的电势差为零。D正确
故选D。
知识点四、静电吸附
静电除尘原理：静电除尘器由板状收集器A和线状电离器B组成。A接到几千伏高压电源的正极，B接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距B越近，电场强度越大。B附近的空气中的气体分子更容易被电离，成为正离子和电子。正离子被吸到B上，得到电子，又成为分子。电子在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带负电。粉尘被吸附到正极A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。
【经典例题4】如图所示是滚筒式静电分选器，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和G分别接于直流高压电源的正、负极，并令C接地。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到达转动着的滚筒C，粉粒a具有良好的导电性，粉粒b具有良好的绝缘性。
（1）刮板D的作用是什么？
（2）粉粒a会落人哪个料槽，粉粒b会落人哪个料槽？为什么？
【答案】 （1）见解析；（2）a粉粒落入料槽F，b粉粒落入料槽E；原因见解析
【解析】
（1）放电针G附近的空气，受高压电场作用而电离。在电场力作用下，大量的电子或负离子被喷射在粉粒a上，使a带负电。带负电的物质粉粒a，因具有良好的导电性，所以在与带正电的滚筒C接触后，其上的负电被C上的正电中和并带上正电，带了正电的粉粒a一方面随滚筒转动，一方面受到C上正电的静电斥力而离开滚筒，最后落于料槽F，绝缘性能良好的粉粒b，其所带负电不容易传给滚筒C，在C的静电吸引力作用下，b附着于C的表面并随C转动，最后，b中粉粒较大者在重力作用下掉入料槽E，粉粒较小者由刮板D将其刮入料槽E；
（2）a粉粒落入料槽F，b粉粒落入料槽E，粉粒b中较小者，因其重力较小，不能借助重力落入E中，它们附着于滚筒表面随C转至D处，由刮板D将其刮入料槽E。
【变式训练4】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
【答案】 B
【解析】
AB．AB间接高压电后AB间产生很强的电场，气体分子被电离为电子和正离子，电子被粉尘吸附，粉尘带负电被接高压正极的收集器A吸附。故A错误，B正确；
C．越靠近线装电离器B电场强度越大，收集器A和电离器B之间形成的是非匀强电场，故C错误；
D．带负电的粉尘在电场力的作用下加速运动，电场力做正功，电势能减小，机械能增加，所以静电除尘过程是电场能向机械能转化的过程，故D错误。
故选B。
题组A 基础过关练
1．带负电的空心金属球壳置于绝缘支架上，将4个原来不带电的金属小球按图示位置放置，A球用绝缘轻绳竖直悬挂，B球接地，C球用导线与球壳内部相连，D球与球壳内部接触．设大地及无穷远处电势为零，当达到静电平衡时，下列说法正确的是
A．由于静电感应，A球带正电，
B．B球接地带负电，但电势为零
C．C球不带电，但电势与球壳电势相等
D．D球带不带电，但电势小于零
【答案】 D
【解析】
由于静电感应，A球的左右两端带上不同的电荷，但整体不带电．故A错误；由于静电感应，B球带正电，但电势和大地的电势相等，为零．故B成为；C球在金属球壳的外部，会带上与球壳相同的电荷．故C错误；D球在球壳的内部，与球壳接触后成为球壳内部的一部分，所以D不带电，电势与球壳电势相同，电势小于零．故D正确．故选D．
2．关于汽车中的物理知识，下述说法正确的是（ ）
A．打雷时，呆在汽车里要比呆在木屋里危险
B．后挡风玻璃上有一根根电热丝，通电后可快速清除霜雾
C．某些小汽车顶上有一根露在外面的小天线是用来避免雷击的
D．汽车上坡要换高速挡，其目的是增大速度，得到较小的牵引力
【答案】 B
【解析】
A．由于汽车金属外壳的静电屏蔽作用，打雷时呆在汽车里要比呆在木屋里安全。故A错误；
B．后挡风玻璃上有一根根电热丝，通电后快速发热，用于清除霜雾。故B正确；
C．某些小汽车顶上有一根露在外面的小天线是用来接收无线电信号的。故C错误；
D．汽车上坡要换低速挡，其目的是减小速度，得到较大的牵引力。故D错误。
故选B。
3．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
【答案】 C
【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。
故选C。
4．下列现象中，属于静电屏蔽的是（ ）
A．高压输电线线塔上除了下面的三根粗的输电线外，上方还有两根细的导线
B．油罐车车尾下方拖着一根落地的软铁条
C．高压设备中导体表面应该尽量光滑
D．涂料雾化器喷出的油漆微粒在电场力作用下飞向工件表面，形成漆膜
【答案】 A
【解析】
A．高压输电线线塔上除了下面的三根较粗的输电线外，上方还有两根较细的电线可以有效防止大气中的静电对高压线的影响，利用的是静电屏蔽的原理，故A正确；
B．油罐车拖着一个铁链网，目的是将汽车与空气摩擦产生的静电导入大地，不是静电屏蔽，故B错误；
C．高压设备中导体的表面应该尽量光滑，能有效避免尖端放电，不是静电屏蔽，故C错误；
D．涂料雾化器喷出的油漆微粒在电场力作用下飞向工件表面，形成漆膜，属于静电的利用，不是静电屏蔽，选项D错误。
故选A。
5．（多选）下列说法正确的是（ ）
A．打雷时，人呆在木屋里要比呆在汽车里安全
B．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为零
C．燃气灶点火器的放电电极做成针形是为了利用尖端放电现象
D．超高压带电作业的工人穿绝缘服比穿含金属丝的工作服安全
【答案】 BC
【解析】
A．一辆金属车身的汽车可以起到静电屏蔽的作用，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的电流导入地下，打雷时，呆在汽车里更安全，故A错误；
B．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为零，故B正确；
C．因为电荷集中于形状比较尖端的地方，即尖端放电，故燃气灶的电子点火器的放电电极做成针形比较好，故C正确；
D．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。
故选BC。
6．（多选）如图是某种静电矿料分选器原理图，带正、负电矿粉经漏斗落入水平匀强电场后，分落在收集板中央的两侧，下列关于带负电矿粉分离的过程表述正确的是（ ）
A．落在左侧B．动能变小C．电势能变小D．电场力对矿粉做正功
【答案】 CD
【解析】
因右极板带正电，则带负电矿粉分离的过程受到向右的电场力作用，将落到右侧，电场力做正功，动能变大，电势能减小。
故选CD。
题组B 能力提升练
7．下列四幅图描述的场景依次为雷电击中避雷针（图甲）、高压输电线上方还有两条与大地相连的导线（图乙）、燃气灶中的针尖状点火器（图丙）、工人穿戴着含金属丝制成的工作服进行超高压带电作业（图丁），关于这四幅图所涉及的物理知识，下列说法正确的是（ ）
A．图甲中避雷针的工作原理主要是静电屏蔽
B．图丙中的点火器是利用摩擦起电的原理进行点火的
C．图丙中的点火器的工作原理和图丁中工作服内掺入的金属丝的工作原理是相同的
D．图乙中与大地相连的两条导线所起的作用和图丁中工作服内的金属丝所起的作用是相同的
【答案】 D
【解析】
A．避雷针的工作原理主要是利用尖端放电避免雷击，A错误；
B．放电电极做成针尖状，更容易累积电荷从而发生尖端放电现象，B错误；
C．点火器是利用高压尖端放电的原理，而工作服内掺入的金属丝，是利用了静电屏蔽的原理，C错误；
D．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，与工作服内掺入的金属丝，都是利用了静电屏蔽的原理，D正确。
故选D。
8．如图静电除尘器除尘原理的示意图。尘埃在电场中通过某种机制带电，在静电力的作用下向集尘极迁移并沉积，以达到除尘的目的，下列表述正确的是（ ）
A．到达集尘极的尘埃带可能带正电，也可能带负电
B．电场方向由集尘极指向放电极带电
C．到达集尘极的带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相同
D．带电尘埃在电场中匀加速运动
【答案】 B
【解析】
AB．由于集尘极与电池的正极连接，电场方向由集尘板指向放电极，尘埃在电场力作用下向集尘极迁移并沉积，说明尘埃带负电，故B正确，A错误；
C．负电荷在电场中受电场力的方向与电场力方向相反，故C错误；
D．由图可知，放电极和集尘极之间的电场类似于尖端放电所产生的电场，不是匀强电场，所以带电尘埃在电场中不可能做匀加速运动，故D错误。
故选B。
9．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。若带负电的云层接近避雷针顶端时，下列说法正确的是（ ）
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
【答案】 C
【解析】
A．根据异种电荷相互吸引、同种电荷相互排斥，可知若带负电的云接近避雷针顶端时，避雷针顶端带正电，故A错误；
C．由A选项分析可知，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C正确；
BD．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—负电，然后相互排斥，和B接触，电子通过B下端接地线导入大地，然后C不带电，如此反复；故BD错误。
故选C。
10．如图，在直角坐标系中固定一不带电的金属导体球，球心O′坐标为（2L，0），a、b是同一个圆上的两个点，圆心在坐标原点O，Ob连线与球相切与d点。现在O处固定一点电荷，带电量为+Q。当金属球处于静电平衡状态时，下列说法正确的是（ ）
A．金属球左侧表面带正电
B．d点电场线与金属球相切
C．图中各点电势关系为
D．导体球上的感应电荷在O′处的场强大小
【答案】 D
【解析】
A．金属球处于静电平衡状态，因点电荷为正电荷，则金属球左侧表面带负电，A错误；
B．d点电场线与金属球表面垂直，B错误；
C．由于感应电荷对场源电荷的影响，点电荷左边电场强度大小要大于右侧电场强度的大小，根据
可知b点的电势要小于a点的电势，沿着电场线方向电势降低，则b点的电势要大于d点的电势，即
C错误；
D．点电荷在球心处产生的场强大小为
根据静电平衡条件可知，点电荷和导体球上的感应电荷在O′处产生的场强大小相等，方向相反，则导体球上的感应电荷在O′处的场强大小为，D正确。
故选D。
11．（多选）如图所示A为绝缘空心金属球壳，原来不带电。将一个带正电的小球B从小孔放入金属球空腔内，但不与球壳接触。达到静电平衡后，以下说法正确的是（ ）
A．球壳内侧带负电，外侧带正电B．球壳外侧电势高，内侧电势低
C．金属球内空腔处电场强度为零D．金属球壳内电场强度为零
【答案】 AD
【解析】
A．由于静电感应，金属球壳A内壁感应出负电，外侧带正电，故A正确；
B．静电平衡后，金属球壳A是一个等势体，故B错误；
C．由于B带正电，则A的空腔内电场强度不为零，故C错误；
D．处于静电平衡的金属球壳，其内电场强度为零，故D正确。
故选AD。
12．（多选）在一次科学晚会上，一位老师表演了一个“魔术”：如图所示，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。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。则下列说法正确的是（ ）
A．锯条和金属片之间为匀强电场
B．锯条附近的电场强度最大
C．若锯条接电源负极，金属片接正极，当摇动起电机时，烟雾会向金属片移动
D．当把起电机一摇，顿时塑料瓶清澈透明，当起电机停止摇动一段时间后，又会是烟雾缭绕
【答案】 BCD
【解析】
A．由于锯条和金属片形状不同，面积不等，且锯条上电荷分布不均匀，则锯条和金属片之间的电场不为匀强电场，故A错误；
B．由于锯条上尖端部分比较多，聚集的电荷最多，则电场强度最大，故B正确；
C．起电机产生高电压使锯条和金属片之间的电场将空气中的分子电离，电离出来的电子被烟尘颗粒吸附，俘获电子的烟尘颗粒带负电，容易被带正电的金属片吸引，故烟雾会向金属片移动，故C正确；
D．当把起电机一摇，锯条和金属片之间形成电场，电离空气分子，使烟尘颗粒吸附电子后被带正电的金属片（或锯条）吸引，从而使塑料瓶清澈透明。当起电机停止摇动一段时间后，锯条和金属片上的电荷被中和，电场消失，则瓶中又会烟雾缭绕，故D正确。
故选BCD。
13．（多选）如图，一个不带电的表面绝缘的导体P正在向带正电的小球Q缓慢靠近，但不接触，也没有发生放电现象，则下列说法中正确的是（ ）
A．导体内场强不变
B．B端的感应电荷为负电荷
C．导体上的感应电荷在C点产生的场强始终小于在B点产生的场强
D．C、B两点的电势始终相同
【答案】 AD
【解析】
A．处于静电平衡的导体内场强为0，A正确；
B．导体P处在正电荷的电场中，由于静电感应现象，B端要感应出正电荷，C端出现负电荷，B错误；
C．在C点和B点的场强由导体上的感应电荷和带正电的小球共同叠加产生，且为0，带正电的小球在C点的场强要大于在B点的场强，所以导体上的感应电荷在C点产生的场强始终大于在B点产生的场强，C错误；
D．处于静电平衡的导体是等势体，C、B两点的电势始终相同，D正确。
故选AD。
14．以煤作燃料的电站，每天排出的烟气带走大量的煤粉，不仅浪费燃料，而且严重污染环境，利用静电除尘可以除去烟气中的煤粉。如图所示是静电除尘器的原理示意图，除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，在A、B上各引电极a、b接直流高压电源。假定煤粉只会吸附电子，而且距金属丝B越近场强越大。
（1）试判断所接高压电源的极性；
（2）试定性说明静电除尘器的工作原理；
（3）设金属管A的内径r＝3 m，长为L＝50 m，该除尘器吸附煤粉的能力D＝3.5×10－4 kg/（s·m2），求其工作一天能回收煤粉多少吨？（最后结果取三位有效数字）
【答案】 （1）a为正极，b为负极；（2）带电粒子在电场作用下奔向电极，并吸附在电极上；（3）28.5 t
【解析】
（1）因为煤粉吸附电子，所以带负电，为了将煤粉吸附在金属管上，因此与金属管相连的a为正极，与金属丝相连的b为负极。
（2）由于煤粉吸附电子带电，故将在电场作用下奔向电极，并吸附在电极上。
（3）设一天回收煤粉的质量为m，管内表面积
S＝2πrL
则
题组C 培优拔尖练
15．如图所示，P是一个带电体，S代表放在绝缘板上的一些小纸屑，而N是一个不带电的空金属球。那么，各图中的纸屑S不会被其带电体P吸引的是（ ）
A．B．
C．D．
【答案】 A
【解析】
A．由于空腔金属球（或者网罩）无论是否接地，都能把外部的电场屏蔽起来不让它影响内部，A正确；
B．若把空腔金属球（或者网罩）接地，就能够把内部带电体的电场屏蔽起来不让它影响外部电器，B项中金属球未接地，金属球内表面和外表面都有感应电荷，纸屑S会被其带电体P吸引。B错误；
CD．C、D中带电体与纸屑在同一空间中，不够成静电屏蔽，会被吸引，CD错误。
故选A。
16．如图所示，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内不与C的内壁接触，在C附近另外有一个悬挂在细线上的带负电的小球B，则（ ）
A．A，B两球均不偏离竖直方向
B．A球不偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向
C．A球向左偏离竖直方向，B球不偏离竖直方向
D．A球向左偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向
【答案】 B
【解析】
CD．由于静电屏蔽，小球B的电场对A无影响，小球A不会偏离竖直方向，选项CD错误；
AB．由于静电感应空心球C的内表面带负电，外表面带正电，小球B和空心球C之间异种电荷相吸引，小球B会偏离竖直方向向右靠近C球，选项A错误，B正确。
故选B。
17．（多选）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（ ）
A．B．
C．D．
【答案】 ABD
【解析】
A．当正电荷放在金属壳外时，使金属壳左端带负电荷，右端带正电荷，两端出现电压，导致感应电场与外电场相叠加，所以内部电场强度为零起到屏蔽的作用，故A正确；
B．当正电荷放在金属壳外时，使金属壳左端带负电荷，由于右端接地，则不带电，两端仍出现电压，导致感应电场与外电场相叠加，所以内部电场强度为零起到屏蔽的作用，故B正确；
C．当正电荷放在金属壳内时，使金属内壳带负电荷，外壳带正电荷，出现电场，导致出现感应电场没起到屏蔽的作用，故C错误；
D．当正电荷放在金属壳内时，由于接地，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，从而起到屏蔽的作用，故D正确；
故选ABD。
18．（多选）如图所示，半径为R的金属球表面均匀分布着正电荷，以球心O为原点建立x轴，沿x轴上各点的电场强度大小和电势分别用E和φ表示。选取无穷远处电势为零，则下列关于x 轴上各点电场强度大小E和电势φ随位置x变化的关系图像中，可能正确的是（ ）
A．B．
C．D．
【答案】 AD
【解析】
AB．金属球是处于静电平衡的导体，是一个等势体，在导体外侧，电场线由导体指向无穷远处，沿着电场线电势降低，故A选项可能正确，B选项一定错误；
CD．处于静电平衡的导体，其内部电场强度处处为零，金属球在其外部形成的电场的电场强度，可应用点电荷场强公式表示，故C选项错误，D选项正确。
故选AD。
19．如图所示，在桌上放两摞书，把一块洁净的玻璃板垫起来，使玻璃板离开桌面，在宽的纸条上画出各种舞姿的人形，用剪刀把它们剪下来，放在玻璃板下面，然后用一块硬泡沫塑料在玻璃板上摩擦，就可以看到小纸人翩翩起舞了。请回答：
（1）小纸人为什么会翩翩起舞？
（2）如果实验前用一根火柴把“跳舞区”烤一烤，实验效果更好，此现象说明了什么？
（3）如果向“跳舞区”哈一口气，小纸人跳得就不活跃了，此现象说明了什么？
（4）通过实验现象，找出一种防止静电的方法。
【答案】 （1）因为泡沫塑料摩擦玻璃板，会使玻璃板带电，带电玻璃板能吸引轻小的“小纸人”，由于玻璃板上的电荷量不断变化，小纸人受力不断变化使小纸人翩翩起舞；（2）用火柴烤一烤跳舞区，跳舞区的绝缘效果加强，电荷不易导走，故实验效果则更好；（3）向跳舞区哈气，跳舞区的绝缘效果明显下降，玻璃板带的电荷会被导走，电荷量减小，小纸人也就不活跃了；（4）该实验若用导线将玻璃板接地，则小纸人不再跳舞，因此要防止静电，可将产生静电的物体接地。
【解析】
（1）因为泡沫塑料摩擦玻璃板，会使玻璃板带电，带电玻璃板能吸引轻小的“小纸人”，由于玻璃板上的电荷量不断变化，小纸人受力不断变化使小纸人翩翩起舞；
（2）用火柴烤一烤跳舞区，跳舞区的绝缘效果加强，电荷不易导走，故实验效果则更好；
（3）向跳舞区哈气，跳舞区的绝缘效果明显下降，玻璃板带的电荷会被导走，电荷量减小，小纸人也就不活跃了；
（4）该实验若用导线将玻璃板接地，则小纸人不再跳舞，因此要防止静电，可将产生静电的物体接地。
20．如图所示，M点有电荷量为Q的负点电荷，在距离点电荷为r处放入厚度为d的平行金属板，N点为金属板内距表面为的点，MN连线与金属板表面垂直。当金属板处于静电平衡时：
（1）金属板的左侧面所带电荷电性？
（2）金属板上的感应电荷在板中点N处产生的场强？
【答案】 （1）正电荷；（2），方向沿MN连线向右
【解析】
（1）根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引规律，M点的点电荷带负电，在金属板的左侧面感应出正电荷；
（2）金属板内部合场强为零，故感应电荷在N点产生的电场强度与点电荷在N点产生的电场强度等大反向，根据
可得，感应电荷在N点产生的电场强度
方向沿MN连线向右
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
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