高中物理鲁科版 (2019)必修 第三册静电的利用与防护学案及答案

这是一份高中物理鲁科版 (2019)必修 第三册静电的利用与防护学案及答案，共4页。
1．了解生产生活中关于静电的利用的几个常见实例。
2．分析讨论静电在激光打印、静电喷涂、静电除尘中的应用。
3．通过静电现象的利用和防护，增强安全利用静电的意识。
[学生用书P26]
一、静电的利用
1．静电除尘
(1)原理：利用高压静电实现除尘。
(2)优点：耗能少、效率高。
2．静电喷雾
(1)原理：通过高压静电发生装置使喷出的雾滴带电的喷雾方法。
(2)优点：涂层厚度均匀、质地坚固。
3．激光打印
(1)原理：利用静电来实现“打印”。
(2)优点：打印清晰、可反复使用。
二、静电的防护
1．静电产生危害的必要条件是积累足够多的静电荷。
2．防止静电危害的基本原则：控制静电的产生和把产生的静电迅速引走以避免静电的积累。
常用方法有静电接地、增加空气湿度、非导电材料的抗静电处理等。
3．尖端放电
(1)电荷分布特点：带电导体凸起而尖锐的地方电荷较密集，其附近空间电场也较强。
(2)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。
(3)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)应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。
(5)防止：高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失。
4．静电平衡
(1)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强度等于零，导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。
(2)静电平衡状态的特征：
①处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为零。
②静电平衡时，电荷只分布在导体的外表面。
5．静电屏蔽
(1)定义：静电平衡时，中空导体的内部合场强为零。这样，导体的表面就会对它的内部起到“保护”作用，使其内部不受外部电场的影响。这种现象称为静电屏蔽。
(2)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，都是利用静电屏蔽现象消除外电场的影响。
判断下列说法是否正确。
(1)处于静电平衡状态的导体内部任意点的电场强度为零。( )
(2)静电平衡状态下的导体内部电场强度处处为零，导体内部没有电荷。( )
(3)处于静电平衡状态下的导体内部的自由电荷静止不动。( )
(4)避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地。( )
(5)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。( )
提示：(1)√ (2)× (3)× (4)× (5)×
知识点一 尖端放电 静电的防止和利用[学生用书P27]
eq \a\vs4\al()
油罐车尾部都装有导电拖地带，你知道这是为什么吗？
[提示] 油罐车在运输的时候，油会与桶壁摩擦起电，油罐车后面拖一条导电拖地带就可以将产生的静电及时导走，防止静电积累到一定程度再放电发生爆炸危害。
角度1 尖端放电
关于避雷针，以下说法正确的是( )
A．避雷针利用了尖端放电的原理
B．避雷针避雷是直接将云层中积聚的电荷导入大地
C．为了美观，通常把避雷针顶端设计成球形
D．避雷针安装在高大建筑物顶部，而不必接地
[解析] 避雷针利用了尖端放电的原理，通过尖端放电，中和空气中的电荷，达到避免雷击的目的，A正确，B错误；表面积越小，越是尖锐的物体，越容易放电，因此避雷针做成尖形的，更容易发挥作用，故C错误；避雷针要能发挥作用，与避雷针的形状、安装位置等都有关系，避雷针安装在高大建筑物顶部，且必须接地，故D错误。
[答案] A
角度2 静电的防止和利用
静电消
除器能将物体表面的静电消除。某种针式静电消除器的工作原理如图所示，在静电消除器的指针上加上高电压，指针周围产生正离子和电子，就可消除物体表面的静电。若物体表面的负电荷被中和，其原因是( )
A．指针周围的电子被吸引到物体表面
B．指针周围的正离子被吸引到物体表面
C．指针周围的电子和正离子都被吸引到物体表面
D．物体表面的负电荷消失
[解析] “中和”是指正、负电荷互相接触，从而使带电体变成不带电的物体，电荷不会消失。若物体表面的负电荷被中和，其原因是指针周围的正离子被吸引到物体表面。
[答案] B
(双选)从生活走向物理，从物理走向社会，物理和生活息息相关。下列有关电学知识的相关说法错误的是( )
A．甲图中工作人员在超高压带电作业时，身穿用金属丝编制的工作服是应用了静电屏蔽现象
B．乙图中的避雷针是应用尖端放电避免雷击的一种设施
C．丙图中给汽车加油前要触摸一下的静电释放器，是应用了感应起电现象
D．丁图为静电喷漆的示意图，静电喷漆时使被吸的金属件与油漆雾滴带异种电荷
[解析] 题图甲中工作人员在超高压带电作业时，穿用金属丝编制的工作服应用了静电屏蔽的原理，故A正确；题图乙中的避雷针是应用尖端放电吸引雷击，从而避免附近的建筑物遭受雷击的一种设施，故B错误；题图丙中给汽车加油前要触摸一下的静电释放器，是应用了接触起电现象，故C错误；题图丁为静电喷漆的示意图，静电喷漆时使被喷的金属件与油漆雾滴带异种的电荷，从而产生引力，故D正确。
[答案] BC
知识点二 静电感应和静电平衡[学生用书P28]
eq \a\vs4\al()
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？定向移动的方向又如何？
(2)自由电子能否一直定向移动？为什么？
[提示] (1)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)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。
1．静电平衡
(1)电荷分布的变化情况：金属导体放到电场强度为E0的电场中，金属中的自由电荷在电场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。
(2)合电场强度的变化情况：感应电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场，导致合电场强度减小。当感应电荷继续增加，合电场强度逐渐减小，合电场强度为零时，自由电荷的定向移动停止。
2．三点理解
(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。
3．静电平衡特点
(1)净电荷只分布在导体表面，导体内部没有净电荷。
(2)感应电荷分布于导体两端，电性相反，电荷量相等，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集中，电荷电场线越密集，如图乙所示。
(4)处于静电平衡的导体周围的电场分布情况如图丙、丁所示，电场线垂直于导体表面。
角度1 静电感应现象的分析
一个内部含有空腔的矩形金属导体W放在静电场中，电场线如图所示，下列说法正确的是( )
A．金属发生感应起电，左端A处的感应电荷为正电荷
B．感应电荷在C处产生的电场强度为0
C．金属内部被静电屏蔽，空腔C处的电场强度为0
D．金属处于静电平衡，金属内部的电子不受电场力作用，处于静止状态
[解析] 金属W放在静电场中会发生感应起电，根据电场线的方向，可知左端A处的感应电荷为负电荷，故A错误；感应起电后金属处于静电平衡，感应电荷在C处产生的电场强度与原电场方向相反，内部被静电屏蔽，电场强度为0，金属内部的电子不受电场力作用，电子不做定向运动，但仍在无规则运动，故C正确，B、D错误。
[答案] C
角度2 静电平衡的特点及应用
(2025·广西玉林市期中)如图所示，原来不带电、长为l的导体棒水平放置，现将一个电荷量为＋q(q＞0)的点电荷放在棒的中心轴线上距离棒的左端R处，A、B分别为导体棒左、右两端的一点，静电力常量为k。当棒达到静电平衡后，下列说法正确的是( )
A．棒的两端都感应出负电荷
B．棒上感应电荷在棒的中心轴线上距棒的右端 eq \f(l,4) 处产生的电场强度大小E＝k eq \f(q,（R＋\f(3l,4)）2)
C．棒上感应电荷在棒的中心O处产生的电场强度方向水平向右
D．中心O处的电场强度大小为E′＝k eq \f(q,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(R＋\f(l,2)))\s\up12(2))
[解析] 由静电感应可知，棒左端感应出负电荷，右端感应出正电荷，故A错误；q在棒中心O处产生的电场方向向右，根据平衡关系可知，棒上感应电荷在棒中心O处产生的电场方向向左，大小相同，同理可知，棒上感应电荷在棒的中心轴线上距棒的右端 eq \f(l,4) 处产生的电场强度大小E＝ eq \f(kq,（R＋\f(3l,4)）2) ，故B正确，C错误；导体棒内部的电场强度处处为零，故D错误。
[答案] B
如图所示，
带电体＋Q靠近一个原来不带电的接地空腔导体，在达到静电平衡后，导体腔( )
A．带正电
B．内表面的电荷量为0
C．外表面的电荷量为0
D．内、外表面带异种电荷
[解析] 在达到静电平衡后，电荷只分布在导体的外表面，故导体腔的外表面靠近带电体＋Q的一侧感应出负电荷，导体接地，说明远端为地球，近端为导体，故导体外表面带负电荷，所以外表面的电荷量不为0，而内表面不带电，整个导体腔带负电，故A、C、D错误；在达到静电平衡后，导体内部没有净剩电荷，所以内表面的电荷量为0，故B正确。
[答案] B
知识点三 静电屏蔽[学生用书P29]
eq \a\vs4\al()
某同学在学习了电学知识后对电工穿的高压作业服进行了研究，发现高压作业服是用铜丝编织的，你能告诉他其中的原理吗？
[提示] 电工被铜丝编织的衣服包裹，使体内电场强度保持为零，对人体起保护作用。
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
(1)导体外部的电场影响不到导体内部
静电屏蔽的本质是静电感应，导体外面的电场不影响导体内部，是因为外电场与导体表面的感应电荷在导体内部任一点的电场强度叠加后合电场强度为零。
(2)接地导体的内部电场影响不到导体外部
接地导体的内部电场不影响导体外部，是因为导体外部的感应电荷都被排斥入地，在只有施感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电场强度叠加后合电场强度为零。
如图所示，用金属网把验电器罩起来，使带正电金属球靠近验电器，下列有关此实验现象的描述或解释正确的是( )
A．验电器的金属球因静电感应而带负电荷
B．验电器的金属箔片会因排斥而张开
C．整个金属网会因为静电感应而带负电荷
D．箔片不张开因为金属网内电场强度为0
[解析] 根据静电屏蔽原理可知，由于金属网的静电屏蔽使得金属网内电场强度为0，验电器的金属球不带电，验电器的金属箔片不张开，故A、B错误，D正确；根据静电感应原理可知，金属网上靠近带正电金属球的近端带负电，远离带正电金属球的远端带正电，故C错误。
[答案] D
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(金属空心球C始终不与小球A接触)，现将一个悬挂在绝缘细线上的带负电的小球B放在金属空心球C附近，待稳定后，以下说法正确的是( )
A．A对B无静电力作用，B对A无静电力作用
B．A向左偏离竖直方向，B向右偏离竖直方向
C．A对B的静电力向左，B对A的静电力向右
D．A的位置不变，B的位置也不变
[解析] A在空心金属球内，由于静电感应，使得C外表面带正电，B、C相互吸引，所以B向右偏；而金属空腔可以屏蔽外部电场，所以B的电荷对空腔C的内部无影响，即A、B之间无相互的静电力，所以A位置不变。
[答案] A
eq \(\s\up7(),\s\d5( [学生用书P30]))
1．(静电感应和静电平衡)如图所示，真空中两个点电荷A、B带电荷量分别为－Q和＋2Q，相距为L，若在其连线上放一导体棒，导体棒的中心位于两电荷连线的中点O，当达到静电平衡时，棒内O点处的电场强度是( )
A．零
B． eq \f(12kQ,L2) ，方向向左
C． eq \f(4kQ,L2) ，方向向右
D． eq \f(3kQ,L2) ，方向向右
解析：选A。根据静电平衡导体的特点可知，导体壳上的感应电荷在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，合电场强度为零。
2．(静电屏蔽)(双选)如图所示，用起电机使金属鸟笼带电，站在金属架上的鸟安然无恙，其原因是( )
A．鸟的脚爪与金属架绝缘
B．起电机使笼带电，笼的电场强度不会很高
C．鸟笼内部电场强度为零，电荷分布在笼的外表面
D．金属鸟笼起静电屏蔽的作用
解析：选CD。起电机使金属鸟笼带电，金属鸟笼起静电屏蔽的作用，鸟笼内部电场强度为零，电荷分布在笼的外表面且是等势体，所以站在金属架上的鸟安然无恙。
3．(静电的防止和利用)如图为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．电场方向由放电极指向集尘极
B．到达集尘极的尘埃带正电荷
C．带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相同
D．带电尘埃受静电力作用做加速运动
解析：选D。根据题图中电源的正负极，可知集尘极带正电，放电极带负电，电场方向由集尘极指向放电极，到达集尘极的尘埃带负电荷，带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相反，带电尘埃受静电力作用做加速运动。
4．(静电的防止和利用)(双选)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，下列说法正确的是( )
A．三个图标都是为了防止静电的产生
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
解析：选AC。梳头、戴非棉布手套加油、穿脱衣时会产生静电，三个图标都是为了防止静电的产生，故A正确；工作人员工作时间不能穿绝缘性能良好的化纤服装，不然会产生静电，故B错误；化纤手套与接触物容易摩擦起电存在安全隐患，故C正确；绝缘的塑料梳子梳头会产生静电，存在安全隐患，故D错误。