高中物理静电的防止与利用导学案

这是一份高中物理静电的防止与利用导学案，共10页。
知识点1静电平衡
1、金属导体的特征
由做热振动的正离子和在它们之间做无规则热运动的自由电子组成。
2、静电感应现象
把导体放入电场，导体内的自由电荷在静电力作用下定向移动，而使导体两端出现等量异种电荷的现象。
3、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场强等于零，导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。
4、静电平衡的实质
金属导体放到场强为的电场中，金属中的自由电荷在静电力作用下定向移动导致导体一侧聚集负电荷，而另一侧聚集正电荷，感应电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场，导致合场强减小。
感应电荷继续增加，合场强逐渐减小，当合场强为零时，自由电荷的定向移动停止。
5、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，表面处的电场强度不为零，表面处的电场强度方向跟导体表面垂真。
假设导体内部电场不为零，则自由电子必受到静电力的作用发生定向移动，与导体达到静电平衡矛盾；
假设导体表面某点的电场强度方向与该点所在的表面不垂直，该点的电场强度有沿导体表面的分量，会使导体表面的自由电子发生定向移动，与导体达到静电平衡矛盾。
提示：
导体达到静电平衡状态后内部场强处处为零，是指外电场的电场强度与导体表面感应电荷产生的电场强度的矢量和为零，而不是导体的外部电荷对导体内部产生的电场强度为零。外电场在导体内部某点产生的电场强度与没有导体时在该点产生的电场强度相同。
注意：
处于静电平衡状态的导体：
（1）导体内部电场强度处处为零；
（2）电荷全部分布在导体表面。
例题：
1、如图显示了在外加匀强电场E0的情况下，无穷大导体板中静电平衡的建立过程。下列说法正确的是（ ）
A．图甲、图乙显示了导体内部带负电的电子在静电力作用下运动，而带正电的粒子不受静电力作用
B．图丙中，导体内部场强处处为零
C．图丙中，导体内部没有电场
D．图丙中，导体AB表面感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场，大小也为E0
2、（多选）如图所示，把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正电荷形成的电场中，导体处于静电平衡时，下叙说法正确的是（ ）
A．A、B两点场强相等，且都为零
B．A、B两点的场强不相等
C．感应电荷产生的附加场强大小是|EA|＜|EB|
D．当电键K闭合时，电子从大地沿导线向导体移动
知识点2尖端放电
1、空气的电离
导体尖端的电荷密度很大，附近的电场强度很大，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动，把空气中的气体分子撞“散”，也就是使分子中的正、负电荷分离，这个现象叫作空气的电离。
2、尖端放电
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、尖端放电的应用和防止
（1）应用：避雷针是利用尖端放电避免建筑物遭受霞击的设备，另外燃气灶中的电子打火器的放电电极做成针状，加上电压时更容易产生电火花。
（2）防止：高压设备中导体的表面要尽量光滑。
例题：
每到夏季，南方各省纷纷进入雨季，雷雨等强对流天气频繁发生。当我们遇到雷雨天气时，一定要注意避防雷电。下列说法正确的是（ ）
①不宜使用无防雷措施或防雷措施不足的电器及水龙头
②不要接触天线、金属门窗、建筑物外墙，远离带电设备
③使用带金属尖端的雨伞
④在旷野，应远离树木和电线杆
A．①②③B．①②④C．①③④D．②③④
知识点3静电屏蔽
1、定义
把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，但由于壳内电场强度保持为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。
2、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的矢量和为零，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
3、静电屏蔽的两种情况
（1）导体外部的电场影响不到导体内部（外屏蔽）。
静电屏蔽的本质是静电感应，导体外面的电场影响不到导体内部，是因为外加电场与导体的感应电场在导体内部任一点的合场强为零。
如图甲所示，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，如图乙所示，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）接地导体的内部电场影响不到导体外部（全屏蔽）
接地导体的内部电场不影响导体外部，在只有源电荷和内壁感应出的异种电荷的情况下，两部分电荷在导体外部任何一点的场强叠加后为零。
如果一封闭的导体球壳内部空间有一点电荷，由于静电感应，导体球壳内外表面感应出等量的异种电荷，其电场线分布如图甲所示。当把导体球壳接地后，点电荷在球壳内的电场对外部空间就没有影响了，此时的电场线分布如图乙所示。
例题：
1、（多选）如图所示，金属球壳A带有正电，其上方有一小孔a，静电计B（B离A较远）的金属球b用导线与金属小球c相连，以下操作所发生的现象正确的是（ ）
A．将c移近A，但不与A接触，B会张开一定角度
B．将c与A外表面接触后移开A，B不会张开一定角度
C．将c与A内表面接触时，B会张开角度
D．将c从导线上解下，然后用绝缘细绳吊着从A中小孔置入A内，并与其内壁接触，再提出空腔，与b接触，B会张开一定角度
2、如图所示，A为空心金属球，B为金属球，将另一带正电的小球C从A球开口处放入A球中央，不接触A球，然后用手摸一下A球，再用手接触一下B球，再移走C球，则（ ）
A．A球带负电，B球带正电B．A球带负电，B球不带电
C．A、B两球都带负电D．A、B两球都带正电
知识点4静电吸附
1、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，最后会被吸附在电极上，这一原理在生产技术上被广泛应用。
2、静电吸附应用实例
（1）静电除尘
①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，这就是静电除尘。
②如图甲所示，静电除尘器由板状收集器A和线状电离器B组成。
③静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘。
（2）静电喷漆
①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。
②静电喷漆原理如图乙所示。
③静电喷漆广泛应用于汽车、家电外壳喷涂等。
（3）静电复印
复印机也应用了静电吸附。复印机的核心部件是有机光导体鼓，它是一个金属圆柱，表面涂覆有机光导体（OPC）。没有光照时，OPC是绝缘体，受到光照时变成导体。
复印机复印的工作过程如图丙所示。
例题：
1、（多选）消除烟气中煤粉的静电除尘器原理图如图所示，它由金属圆筒外壳A和悬在筒中的金属丝B组成，带煤粉的烟气从下方进气口进入，煤粉带负电，脱尘后从上端排气孔排出，要让除尘器正确工作，下列说法正确的是（ ）
A．外壳A应接电源的正极
B．金属丝B应接电源的正极
C．外壳A应接地，原因是防止触电
D．外壳A应接地，原因是导走电荷，防止爆炸
2、（多选）如图是某种静电矿料分选器的原理示意图，带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。对矿粉分离的过程，下列表述正确的有（ ）
A．带正电的矿粉落在右侧
B．电场力对矿粉做正功
C．带负电的矿粉电势能变大
D．带正电的矿粉电势能变小
能力拓展 静电屏蔽的两种情况的比较
由于静电感应，金属网罩或金属壳内的场强为零，遮挡住了外界电场的影响。但值得注意的是，金属外壳或网罩只能屏蔽外界电场，不能挡住内部电荷向外激发的电场。为了深刻理解静电屏蔽，我们来分析两种屏蔽现象。
例题：
如图所示，将悬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（不与球壁接触），另有一个悬挂在细线上的带负电小球B向C靠近，于是（ ）
A．A往左偏离竖直方向，B往右偏离竖直方向
B．A的位置不变，B往右偏离竖直方向
C．A往左偏离竖直方向，B的位置不变
D．A和B的位置都不变
易错防范：
如图所示，一导体球A带有正电荷，当只有它存在时，它在空间P点产生的电场强度的大小为EA．在A球球心与P点连线上有一带负电的点电荷B，当只有它存在时，它在空间P点产生的电场强度大小为EB．当A、B同时存在时，P点的场强大小应为（ ）
A．EBB．EA+EB
C．EA-EBD．以上说法都不对
高考真题：
1、（多选）习近平总书记在十九大报告中指出：“像对待生命一样对待生态环境”，国家对于高排放企业会持续加大治理力度。目前很多企业采用静电除尘器用于尘埃排放的处理，除尘机理示意图如图。尘埃在电场中通过某种机制带电，在电场力的作用下向集尘极迁移并沉积，以达到除尘目的。下列表述正确的是（ ）
A．到达集尘极的尘埃带正电荷
B．电场方向由集尘极指向放电极
C．带电尘埃所受电场力的方向与电场方向相同
D．同一位置带电荷量越多的尘埃所受电场力越大
2、请用学过的电学知识判断下列说法正确的是（ ）
A．电工穿绝缘衣比穿金属衣安全
B．制作汽油桶的材料用金属比用塑料好
C．小鸟停在单根高压输电线上会被电死
D．打雷时，待在汽车里比待在木屋里要危险
课后训练
1、小强在加油站加油时，看到加油机上有如图所示的图标，关于图标涉及的物理知识及其理解，说法正确的（ ）
A．制作这些图标的依据是静电屏蔽原理
B．工作人员工作时间须穿绝缘性能良好的化纤服装
C．化纤手套与接触物容易摩擦起电存在安全隐患
D．用绝缘的塑料梳子梳头应该没有关系
2、如图所示，空心导体上方有一靠近的带有正电的带电体。当一个重力不计的正电荷以速度v水平飞入空心导体内时，电荷将做（ ）
A．向上偏转的类平抛运动B．向下偏转的类平抛运动
C．匀速直线运动D．变速直线运动
3、如图中接地金属球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。该点电荷的电场在球心处产生的感应电场的场强大小等于（ ）
A．B．
C．0D．
4、低碳环保是我们现代青年追求的生活方式．如图所示，是一个用来研究静电除尘的实验装置，处于强电场中的空气分子会被电离为电子和正离子，当铝板与手摇起电机的正极相连，缝被针与手摇起电机的负极相连，在铝板和缝被针中间放置点燃的蚊香．转动手摇起电机，蚊香放出的烟雾会被电极吸附，停止转动手摇起电机，蚊香的烟雾又会袅袅上升．关于这个现象，下列说法中正确的是（ ）
A．烟尘因为带正电而被吸附到缝被针上
B．同一烟尘颗粒在被吸附过程中离铝板越近速度越大
C．同一烟尘颗粒在被吸附过程中离铝板越近速度越小
D．同一烟尘颗粒在被吸附过程中如果带电量不变，离铝板越近则加速度越大
5、复印机的核心部件是有机光导体鼓，它是在一个金属圆柱表面涂覆一层有机光导体OPC（没有光照时OPC是绝缘体，受到光照时变成导体）制成的．复印机的基本工作过程是（1）在暗处的有机光导体鼓和一个金属丝电极之间加上高电压，金属丝附近空气发生电离，使转动鼓体均匀带上正电；（2）文件反射的强光通过光学系统在鼓上成像，鼓上形成“静电潜像”；（3）鼓体转动经过墨粉盒，潜像将带相反电荷的墨粉吸引到鼓体带电部位；（4）鼓体继续转动经过复印纸，带电复印纸又将墨粉吸引到复印纸上．以下说法正确的是（ ）
A．步骤（1）中发生了静电感应现象
B．步骤（2）中发生了局部导电现象
C．步骤（3）中发生了静电平衡现象
D．步骤（4）中发生了静电屏蔽现象
6、如图所示，xOy平面是无穷大导体的表面，该导体充满z＜0的空间，z＞0的空间为真空。将电荷为+q的点电荷置于z轴上z=h处，则在xOy平面上会产生感应电荷。空间任意一点处的电场皆是由点电荷q和导体表面上的感应电荷共同激发的。已知静电平衡时导体内部场强处处为零，则在z轴上处的场强大小为（k为静电力常量）（ ）
A．B．
C．D．
7、（多选）如图所示，在水平放置的无限大光滑金属板中心正上方有一带正电的点电荷Q，另一表面绝缘、带正电的小球（可视为质点，且不影响原电场）自左以初速度V0在金属板上向右运动，在运动的过程中（ ）
A．小球先做减速后加速的运动
B．小球做匀速直线运动
C．小球受到的静电力做功不为0
D．小球受到的静电力做功为0
项目
静电外屏蔽
静电内屏蔽
定义
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
用于静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体