物理必修 第三册4 静电的防止与利用学案

第九章 第4节　静电的防止与利用

【学习目标】

1．理解静电平衡状态的形成过程，知道处于静电平衡的导体内部电场强度处处为0.

2．了解尖端放电、静电屏蔽现象，了解静电的防止的原理。

3．知道静电吸附原理，了解静电吸附在静电除尘等技术中的应用。

4．关注生活、生产中的静电现象，体会物理学与生产和生活的紧密联系。

【课前预习】

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：导体内的自由电子不再发生定向移动。

3．导体静电平衡时的特点：

(1)内部电场强度处处为零；(感应电荷的场强E′等于外部场强E0，方向相反，则总场强等于0)

(2)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)导体内部没有净剩电荷，电荷只能分布在导体的外表面；

(4)在导体表面越是尖锐的地方，电荷的密度越大，周围的场强也越大。

二、尖端放电

1．电离：静电平衡时，导体尖端的电荷密度很大，周围的电场强度很大，可以使空气中的带电粒子剧烈运动，并与空气分子碰撞使空气分子中的正、负电荷分离，这种现象叫作电离。

2．尖端放电：电离后的那些与导体尖端电荷符号相反的粒子，与尖端的电荷中和，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。

三、静电屏蔽

1．静电屏蔽的两种情况：

(1)如左图，导体球壳在外界电场中达到静电平衡，空腔里的总电场处处为零，导体内空腔不受外界电荷影响，起到屏蔽外电场的作用。

(2)如右图，由于静电感应，导体球壳内外两侧感应出正负电荷，当球壳外部接地时，外表面的感应电荷传给地球，外界总电场处处为零，球壳外部不受内部电荷影响，起到屏蔽内电场的作用

2．静电屏蔽的应用

(1)把电学仪器放在封闭的金属壳里。

(2)野外三条输电线上方架设两条导线，与大地相连，把输电线屏蔽起来，避免受到雷击。

四、静电吸附

1．静电除尘：设法使空气中的尘埃带电，在静电力作用下，尘埃到达电极被收集起来。

2．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，这些微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆工作。

3．静电复印的工作过程：

(1)充电：通过电源使有机光导体鼓带上正电。

(2)曝光：利用光学系统将原稿上字迹的像成在有机光导体鼓上，有字迹的地方保留正电荷。

(3)显影：带负电的墨粉被吸附在字迹成像处，显示出墨粉组成的字迹。

(4)转印：带正电的转印电极使白纸带上正电，带正电的白纸与有机光导体鼓表面墨粉组成的字迹接触，将带负电的墨粉吸附在白纸上。

(5)放电：使有机光导体放电，除去表面的残余电荷。

▲判一判

(1)处于静电平衡状态的导体内部任意两点间的电势差为零。 (√)

(2)静电平衡状态下的导体内部场强处处为零，导体的电势也为零。 (×)

(3)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。              (×)

(4)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。              (×)

(5)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。(√)

【学习过程】

任务一：对静电平衡的理解

[例1]在真空中有两个点电荷A和B，电荷量分别为－Q和＋2Q，相距为2l，如果在两个点电荷连线的中点O有一个半径为r(r≪l)的空心金属球，且球心位于O点，如图所示，则球壳上的感应电荷在O处的电场强度的大小为多少？方向如何？

[解析]　根据电场的叠加和静电平衡，球心O处的合场强为0，即感应电荷的电场强度与A、B两点电荷在O处所产生的合场强等大、反向，即E感＝EA＋EB＝k＋k＝，A、B在O处产生的电场强度方向向左，所以E感向右。

[答案]　　方向向右

　上例中，若将点电荷B移走，其他条件不变，则球壳上的感应电荷在O处的电场强度大小为多少？方向如何？

提示：E′感＝EA＝k，A在O处产生的电场强度方向向左，所以E′感向右。

[变式训练1-1] (多选)关于静电感应和静电平衡，以下说法正确的是(　　)

A．静电感应是由于导体内的自由电子受静电力作用的结果

B．导体内的自由电子都不运动称为静电平衡

C．处于静电平衡状态时，导体所占空间各处电场强度均为零

D．处于静电平衡状态时，导体内部将没有多余的“净”电荷

[变式训练1-2]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

[变式训练1-3] (多选)如图所示，在绝缘板上放有一个不带电的金箔验电器A和一个带正电荷的空腔导体B。下列实验方法中能使验电器箔片张开的是(　　)

A．用取电棒C(带绝缘柄的导体棒)先跟B的内壁接触一下后再跟A接触

B．用取电棒C先跟B的外壁接触一下后再跟A接触

C．用绝缘导线把验电器A跟取电棒C的导体部分相连，再把取电棒C与B的内壁接触

D．使验电器A靠近B

[变式训练1-4]一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10－8 C的正电荷，上端开有适当小孔，有绝缘柄的金属小球B带有2×10－8 C的负电荷，使B球和A球内壁接触，如图所示，则A、B带电荷量分别为(　　)

A．QA＝10－8 C，QB＝10－8 C

B．QA＝2×10－8 C，QB＝0

C．QA＝0，QB＝2×10－8 C

D．QA＝4×10－8 C，QB＝－2×10－8 C

B　[A、B接触中和后净电荷只分布在空心金属球A的外表面上，故B项正确。]

[变式训练1-5]如图所示，先用绝缘细线将导体悬挂起来，并使导体带电。然后用带绝缘柄的不带电小球接触A点，再用小球与验电器接触。用同样的方法检验B、C部位的带电情况，则(　　)

A．与A接触再与验电器接触，验电器箔片张开的角度最大

B．与C接触再与验电器接触，验电器箔片张开的角度最大

C．与A、B、C接触再与验电器接触，验电器箔片张开的角度一样大

D．通过实验可确定导体上平坦部位电荷分布比较密集

▲反思总结

处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的场强的求解方法

(1)运用E＝k求出外电场场强E外的大小和方向。

(2)由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡条件E合＝0。

(3)由E外＋E感＝0，求出感应电场E感的大小和方向。

任务二：对静电屏蔽的理解

[例2]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

[变式训练2-1]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

[变式训练2-2]某研究性学习小组学习电学知识后对电工穿的高压作业服进行研究，发现高压作业服是用铜丝编织的，下列各同学的理由正确的是(　　)

A．甲认为铜丝编织的衣服不易拉破，所以用铜丝编织

B．乙认为电工被铜丝纺织的衣服包裹，使身体能够导电，对人体起保护作用

C．丙认为电工被铜丝纺织的衣服包裹，使体内场强保持为零，对人体起保护作用

D．丁认为铜丝必须达到一定的厚度，才能对人体起到保护作用

任务三：静电的产生、应用和防止

[例3] (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

[变式训练3-1] (多选)下列措施中，属于防止静电危害的是(　　)

A．运送汽油的油罐车后有一条拖在地面上的铁链

B．轿车顶部有一根露在外面的天线

C．印染车间总保持适当的湿度

D．铺在房间的地毯中夹杂着0.05 mm的不锈钢丝导电纤维

[变式训练3-2]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