高中物理人教版 (2019)必修 第三册4 静电的防止与利用优秀导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册4 静电的防止与利用优秀导学案，共11页。

一、静电平衡
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？定向移动的方向如何？
(2)自由电子能否一直定向移动？为什么？
答案 (1)自由电子受外加电场的静电力作用而定向移动，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：导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。
2．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0，即外电场E0和感应电荷产生的电场E′的关系为E0＝－E′。
3．导体上电荷的分布：
(1)静电平衡时，导体内部没有净电荷(未被抵消的电荷)，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，凹陷的位置几乎没有电荷。
4．处于静电平衡状态的导体，其外表面任一点的电场强度方向跟该点的表面垂直。
(1)处于静电平衡状态下的导体表面和内部的合电场强度均为零。( × )
(2)静电平衡时，导体内部不再有电荷的定向移动。( √ )
(3)一个孤立的带电体，在自身所带电荷的电场中，处于静电平衡状态，不具有静电平衡的特点。( × )
例1 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，下列说法正确的是( )
A．A、B两点电场强度相等，且都不为零
B．A、B两点的电场强度不相等
C．感应电荷产生的附加电场的电场强度大小EA>EB
D．当开关S闭合后，A、B两点的电场强度不为零
答案 C
解析 导体处于静电平衡状态，导体是一个等势体，导体内部电场强度处处为零，A、B两点电场强度都为零，A、B错误；在导体内部，感应电荷产生的附加电场与正电荷在同一点产生的电场强度等值反向，正电荷在A点产生的电场强度较大，故EA>EB，C正确；当开关S闭合时，电子从大地沿导线向导体移动，导体内部电场强度处处为零，D错误。
求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的电场强度的方法是：
(1)先求出外电场电场强度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。
针对训练 (2023·衡水中学高二月考)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( )
答案 A
解析 导体处于静电平衡状态时，导体内部电场强度处处为0，感应电荷在导体内部某处产生的电场与场源电荷Q在此处产生的电场强度大小相等，方向相反，故A正确，B、C、D错误。
例2 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所带电荷量分别为( )
A．QA＝1×10－8 C QB＝1×10－8 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
答案 B
解析 B球与A球内壁接触后成为一个新的导体，处于静电平衡状态，内部净电荷量为零，带电导体的电荷只能分布于导体的外表面，故QB＝0，QA＝4×10－8 C－2×10－8 C＝2×10－8 C，B正确。
二、尖端放电
1．空气的电离：在一定条件下，导体尖端电荷密度很大，导体尖端周围的强电场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，这种现象叫作空气的电离。
2．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，而与尖端上的电荷中和，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会减少电能的损失。
(1)验电器的金属杆上端固定一个金属球而不是做成针尖状，这是为了防止尖端放电。( √ )
(2)避雷针避雷的原理是尖端放电能将云层中的电荷中和。( √ )
(3)为了美观，通常把避雷针顶端设计成球形。( × )
(4)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。( √ )
例3 (2021·浙江6月选考)如图所示，在火箭发射塔周围有钢铁制成的四座高塔，高塔的功能最有可能是( )
A．探测发射台周围风力的大小
B．发射与航天器联系的电磁波
C．预防雷电击中待发射的火箭
D．测量火箭发射过程的速度和加速度
答案 C
解析 在火箭发射塔周围有钢铁制成的四座高塔，其功能是预防雷电击中发射的火箭，故选C。
三、静电屏蔽
1．定义：导体壳(或金属壳)内达到静电平衡后，外电场对内部不会产生影响，金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。
2．实质：实质是利用了静电感应现象，使金属壳内的感应电荷的电场和外加电场的电场强度矢量和为零。
3．应用：(1)生活中有很多对静电屏蔽的应用，以此来保护壳内仪器不受外加电场影响。例如：电子仪器外部加装金属壳，通信电缆外面包有一层金属网，高压线路检修人员要穿屏蔽服。
(2)静电屏蔽不一定要用密封的金属容器，金属网也能起到屏蔽的作用，在野外的高压输电线的三条输电线上方还有两条导线，它们的作用就是与大地相连形成一个稀疏的金属网，以此来保护高压输电线不受雷击。
(1)电工穿上用导电金属材料与纺织纤维混纺制成的屏蔽服后，高压线在体内的电场强度为零。( × )
(2)打雷时，人呆在汽车里要比呆在木屋里安全。( √ )
(3)有线电视信号线外面有一层金属丝，是为了静电屏蔽，使信号不受干扰。( √ )
(4)静电屏蔽一定要用密封的金属容器，金属网不能起到屏蔽作用。( × )
例4 (2022·邢台市第二中学高二月考)下列关于静电屏蔽实验的说法正确的是( )
A．甲图中验电器的金属箔张开
B．乙图中验电器的金属箔不会张开
C．丙图中验电器的金属箔不会张开
D．甲、乙、丙三图中验电器的金属箔都张开
答案 C
解析 题图甲中金属网达到静电平衡，内部电场强度为零，金属箔不会张开，金属网屏蔽了外电场，故A、D错误；题图乙中金属网未接地，网内的带电体在金属网内侧感应出负电荷，金属网外侧产生等量的正电荷，正电荷在金属网外侧有电场，对外界产
生影响，所以金属箔会张开，故B错误；题图丙中金属网已接地，网外的感应电荷传给地球，外部电场消失，金属箔不会张开，故C正确。
静电屏蔽的两种情况
四、静电吸附
1．静电吸附：在电场中，带电粒子在静电力作用下，向着电极运动，最后被吸附在电极上的现象。
2．静电除尘：当空气中的尘埃带电时，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来的过程。
3．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，并沉积在工件表面。
4．静电复印：复印机应用了静电吸附的原理。
例5 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．到达集尘极的尘埃带正电荷
B．电场方向由放电极指向集尘极
C．带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相同
D．同一位置所带电荷量越多的尘埃所受静电力越大
答案 D
解析 由于集尘极与电源的正极连接，尘埃在静电力作用下向集尘极迁移并沉积，说明到达集尘极的尘埃带负电，A错；电场方向由集尘极指向放电极，B错；尘埃带负电荷，在电场中受静电力的方向与电场方向相反，C错；根据F＝qE可知，同一位置所带电荷量越多的尘埃所受静电力越大，D正确。
课时对点练
考点一 静电平衡
1．(多选)如图所示，一个不带电的导体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，C、B是导体P左、右两端内的点，则下列说法正确的是( )
A．导体P右端的感应电荷为正电荷
B．导体内电场强度越来越大
C．感应电荷在C点产生的电场强度始终大于在B点产生的电场强度
D．用手摸一下导体P的左端可使导体P带正电
答案 AC
解析 导体P处在带正电的小球Q产生的电场中，由于静电感应，导体的右端感应出正电荷，导体的左端感应出负电荷，故A正确；处于静电平衡状态的导体内电场强度为0，故B错误；C点和B点的电场强度等于导体上的感应电荷和带正电的小球Q产生的电场强度的叠加，并且为0，带正电的小球Q在C点产生的电场强度大于在B点产生的电场强度，所以导体上的感应电荷在C点产生的电场强度始终大于在B点产生的电场强度，故C正确；用手摸导体P的左端时，相当于用导线将导体P与大地相连，因静电感应，电子流入导体P，最终导体P带负电，故D错误。
2.一金属球原来不带电，现沿球直径的延长线上放置一均匀带电的细杆MN，如图所示，金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的电场强度大小分别为Ea、Eb、Ec，三者相比，则( )
A．Ea最大 B．Eb最大
C．Ec最大 D．Ea＝Eb＝Ec
答案 C
解析 处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为零，故a、b、c三点的电场强度都为零，处于静电平衡状态的导体内部电场强度为零是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果，所以感应电荷在球内某点产生的电场的电场强度与MN在这一点产生的电场的电场强度等大反向，由于c点离MN最近，故MN在c点的电场强度最大，则感应电荷在c点的电场强度也最大，故C正确，A、B、D错误。
考点二 静电屏蔽 尖端放电
3．(2023·天津二十中高二期中)电力工作人员在几百万伏的高压线上进行带电作业，电工全身穿戴带电作业用的屏蔽服，屏蔽服是用导电金属材料与纺织纤维混纺交织成布后再做成的服装，下列说法正确的是( )
A．采用金属材料编织衣服的目的是使衣服不易拉破
B．采用金属材料编织衣服的目的是利用静电屏蔽
C．电工穿上屏蔽服后，高压线在体内的电场强度为零
D．电工穿上屏蔽服后，感应电荷在体内的电场强度为零
答案 B
解析 采用金属材料编织衣服的作用是使处于高压电场中的人体外表面各部位形成一个等势屏蔽面，从而防护人体免受高压电场的危害，故A错误，B正确；电工穿上屏蔽服后，体内合电场强度为零，高压线、感应电荷在体内的电场强度不为零，故C、D错误。
4.(多选)(2022·仲元中学高二月考)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，针尖感应出正电荷
B．云层靠近避雷针时，针尖感应出负电荷
C．避雷针尖端附近的电场强度比避雷针底端附近的电场强度小
D．避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施
答案 AD
解析 避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施，D正确；根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，可知底端带负电的云层靠近避雷针时，针尖感应出正电荷，A正确，B错误；由于电荷更容易集中到尖端，从而避雷针尖端附近的电场强度比避雷针底端附近的电场强度大，C错误。
考点三 静电吸附
5．(多选)静电喷漆是利用静电吸附现象制造的，其喷涂原理如图所示，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．涂料微粒可能带正电，也可能带负电
答案 AC
解析 工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动，是由于喷枪喷嘴与被涂工件之间形成了强电场，由正电荷对涂料微粒的吸引作用可得出涂料微粒带负电，故A、C正确。
6．(2023·上海市嘉定区第二中学高二期中)如图是制作口罩的一种新颖的“静电”绝缘纤维布，熔喷层经驻极工艺，表面带有电荷，它能阻隔几微米的飞沫，这种静电的阻隔作用属于
( )
A．静电喷涂 B．静电吸附
C．静电感应 D．尖端放电
答案 B
解析 带电物体能吸引轻小物体，带有病毒的飞沫靠近口罩的熔喷层后，会被吸附在表面，无法通过，从而起到隔离病毒的作用，属于静电吸附，故选B。
7.(多选)如图所示为静电除尘示意图，在M、N两点间加高压电源时，金属管内的空气电离，电离出的电子在静电力的作用下运动，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电荷，因而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．N接电源的正极 B．M接电源的正极
C．电场强度EB＞EA D．电场强度EB＜EA
答案 AC
解析 电子附着在煤粉上，使煤粉带上负电荷，煤粉若能吸附在管壁上，说明管壁带正电荷，因此可知N接电源正极，A正确，B错误；金属棒与金属管可看成圆柱电极与圆环电极，电场线分布情况如图所示，由图可知金属棒附近的B点处电场线较密，而靠近金属管壁的A点处电场线较疏，故B处电场强度比A处电场强度大，即EB＞EA，C正确，D错误。
8．(2023·上海市市西中学高二期中)为了防止静电的危害，应尽快把产生的静电导走，下列措施中不是防止静电危害的是( )
A．油罐车后面装一条拖地的铁链
B．电工钳柄上套有绝缘胶套
C．飞机轮上装搭地线
D．印刷车间中保持适当的湿度
答案 B
解析 油罐车在运输过程中，油与油罐桶壁不断的相互摩擦起电，从而产生大量的静电，通过后面装一条拖地的铁链，及时将静电导走，防止静电危害；电工钳柄上套有绝缘胶套，在带电操作时，防止触电，所以不是防止静电危害的；飞机在飞行时，飞机与空气摩擦产生大量的静电，所以飞机着地时通过搭地线，将静电及时导走，防止静电危害；印刷车间中，纸张间摩擦产生大量静电，由于有一定的湿度，能及时将产生的静电导走，防止静电危害，故选B。
9.如图所示，将悬挂在绝缘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绝缘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 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，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、C、D错误，B正确。
10．一个不带电的空心金属球，在它的球心处放一个正电荷，其电场是图中的( )
答案 B
解析 把正电荷放在金属球壳内部，由于静电感应的作用，在球壳的内壁会感应出负电荷，在球壳的外壁会感应出正电荷，由于正电荷的电场和感应电场的共同作用，在金属球壳的壳壁之间的电场强度为零，所以在金属球壳的壳壁之间没有电场，但球壳外部的电场分布情况不会受到影响，选项B正确，A、C、D错误。
11．(多选)金属壳放在光滑的绝缘水平垫上，图中金属壳能起到屏蔽电荷产生电场作用的是
( )
答案 ABD
解析 A中，由于金属壳发生静电感应，内部电场强度为零，金属壳起到屏蔽外电场的作用，选项A正确；B中，金属壳同大地连为一体，外壳起到屏蔽外电场的作用，选项B正确；C中电荷会引起金属壳内、外表面带电，外表面电荷会在壳外空间中产生电场，即金属壳起不到屏蔽作用，选项C错误；D中，将金属壳接地后，外表面不带电，壳外不产生电场，金属壳起到屏蔽内电场的作用，选项D正确。
12.(多选)(2023·邢台市第二中学高二期中)长为l的导体棒原来不带电，现将一个带负电的点电荷(电荷量的绝对值为q)放在金属棒的中心轴线上距离棒的左端R处，如图所示。当金属棒达到静电平衡后，已知静电力常量为k，以下说法正确的是( )
A．棒上感应电荷在O点处产生的电场强度为零
B．棒上O点处的电场强度为零
C．负点电荷在O点处产生的电场强度大小为keq \f(q,R＋\f(l,2)2)，方向沿Oq连线且指向q
D．棒上感应电荷在棒的中点O处产生的电场强度大小为keq \f(q,R＋\f(l,2)2)，方向沿Oq连线且指向q
答案 BC
解析 金属棒达到静电平衡时，内部电场强度处处为0，由于负电荷q在棒中心O处产生的电场方向沿Oq连线且指向q，所以棒上感应电荷在棒中心O处产生的电场方向沿qO连线且指向O右侧，大小与q在O点产生的电场强度相等，则有E＝eq \f(kq,R＋\f(l,2)2)，故A、D错误，B、C正确。屏蔽外电场
外屏蔽
屏蔽内电场
全屏蔽或内屏蔽
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电场强度为零，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