人教版 (2019)必修 第三册4 静电的防止与利用学案

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物理观念：
1．知道什么是静电平衡状态，能说出静电平衡状态下的导体特点.
2．知道导体上电荷的分布特征，了解尖端放电、静电屏蔽现象及其成因.
3．了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理．
一、静电
1.定义:静止的电荷称为静电。
2.一般物体相互摩擦后所带的电荷量很少,只有微库量级,但是形成的电压 。
3.带电体的绝缘性能越好,电荷越容易积累,产生的电压就 。
二、静电平衡
1．静电平衡：导体内的自由电子不再发生 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 .
3．导体上电荷的分布：
(1)导体 没有电荷，电荷只分布在导体的 ．
(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) ，凹陷的位置几乎没有电荷．
三、静电屏蔽
静电平衡时，空腔导体内表面没有电荷，导体壳内空腔里的电场强度为0.外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响的作用叫作 ．
静电屏蔽的应用：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．
四、静电吸附
1．静电吸附：在电场中，带电粒子在 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，向作为 的工件运动，并沉积在工件表面．
4．静电复印：复印机应用了 的原理，复印机的有机光导体鼓表面涂覆有机光导体(OPC)，无光照时，OPC是 ，受光照时变成导体．
五、静电的危害
1.雷雨云的雷鸣电闪给人类造成巨大损失。
2.静电火花点燃易燃物质引起 和火灾。
3.静电放电引起电子设备的故障,造成 干扰。
4.静电放电 集成电路和精密的电子元件。
六、静电危害的防止
1.尽快导走多余电荷,避免静电积累。
2.调节空气的 。
3.在易燃易爆气体和粉尘聚集的场所保持良好的 。
4.给导体加一个金属尖端,就能把积累的电荷由尖端放走,这称为 。
七、尖端放电
1．空气的电离：导体尖端电荷 很大，附近的电场很强，强电场作用下的带电粒子剧烈运动，并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷 的现象．
2．尖端放电：与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被 ，而与尖端上电荷 ，相当于导体从尖端 的现象．
尖端放电的应用与防止：
(1)应用： 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 会减少电能的损失．
1．判断下列说法的正误．
(1)处于静电平衡状态下的导体内部的外加电场与附加电场的矢量和为零，即导体内部的电场强度处处为零．( )
(2)静电平衡时，导体内部表现为电中性，电荷都分布在外表面，导体内部没有净电荷．( )
(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．( )
(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．( )
(6)电工穿的高压作业服是用铜丝编织的，目的是铜丝衣服有屏蔽作用，使体内场强为零. ( )
2．练一练
（1）(2022江苏锡山期中)下列不属于静电防范的有效措施的是( )
A.使用避雷针
B.静电复印
C.保持良好接地
D.飞机起落架的轮胎用导电橡胶制成
2.(2022浙江杭州期中)如图所示,某同学在坐飞机的时候发现机翼末端边缘有一条条针一样的装置,此装置作用是( )
A.释放飞机表面的静电
B.加强电磁通讯信号,起到天线的作用
C.通过尖端放电使云层中的电荷消失
D.防止闪电击中飞机,起到避雷针的作用
一、静电平衡
导学探究
如图1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号电荷．请思考下列问题：
图1
(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？
知识深化
1．处于静电平衡状态的导体内部场强为零的本质是外电场E0和感应电荷产生的电场E′的合场强为0，即E0＝－E′.
2．孤立的带电导体处于静电平衡状态，内部场强为0的本质是分布在导体外表面的电荷在导体内部的合场强为0.
3．静电平衡时，导体上的电荷分布规律：
(1)净电荷只分布在导体外表面，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2甲所示．
(3)净电荷在导体外表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集，如图乙所示．
甲 乙
图2
例1 长为l的导体棒原来不带电，现将一带电荷量为＋q的点电荷放在距棒左端R处，如图3所示．当棒达到静电平衡后，棒上的感应电荷在棒内中点P处产生的电场强度大小等于________，方向________．
图3
求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的场强的方法是：
1先求出外电场场强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.
针对训练1 一金属球，原来不带电，现沿球直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN，如图4所示，金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的场强大小分别为Ea、Eb、Ec，三者相比，则( )
图4
A．Ea最大 B．Eb最大
C．Ec最大 D．Ea＝Eb＝Ec
INCLUDEPICTURE "E:\\张潇\\2020\\同步\\例2.TIF" \* MERGEFORMAT 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5所示，则A、B带电荷量分别为( )
图5
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
针对训练2 (多选)如图6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( )
图6
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．用带绝缘外皮的导线把验电器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
二、尖端放电 静电屏蔽
导学探究
(1)避雷针是利用尖端放电保护建筑物的一种设施，其原理是什么？
(2)处于静电平衡状态的导体，其内部场强处处为零，若导体是空心的，则空心部分的场强怎样？静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的？
知识深化
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
INCLUDEPICTURE "E:\\张潇\\2020\\同步\\例3.TIF" \* MERGEFORMAT 例3 如图7所示，放在绝缘台上的金属网罩B内放有一个不带电的验电器C，若把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则( )
图7
A．金属罩B的内表面带正电荷
B．金属罩B的右侧外表面带正电荷
C．验电器C的金属箔片将张开
D．金属罩B左、右两侧电荷电性相同
静电的应用及危害
导学探究
如图所示,在工厂里,靠近传送带的工人容易受到电击。经研究发现,这是由于传送带在传送过程中带上了电。
(1)为什么靠近传送带的物体会带电?
(2)你可以用什么方法来解决这个问题?
知识深化
1.静电危害产生的主要原因
静电危害起因于电场力和静电火花,静电危害中最严重的静电放电引起可燃物的起火和爆炸。
2.防止静电危害的主要方法与途径
(1)尽量减少静电的产生,常用的方法是增大空气的湿度。
(2)尽快导走多余电荷,避免静电积累,常用的最简单办法是接地。
3.静电现象的应用
(1)应用静电现象的基本原理一般是让带电物质微粒在电场力作用下奔向并吸附到异性电极或带电体上,理解这一原理是解决这类问题的关键。
(2)强电场电离空气后,电子在电场力作用下向高电势运动,从而使微粒吸附电子而带负电。
例4 (多选)(2022湖北协作体期中)如图所示为静电除尘器除尘机理的示意图,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.电场方向由放电极指向集尘极
C.带电尘埃所受电场力的方向与电场方向相反
D.尘埃向集尘极迁移过程中受到的电场力越来越小
针对训练3 (2022海南海口美兰月考)在下列各种措施中,用于防止静电危害的是( )
A.电视机后盖上开有许多小孔
B.电视机上装有一条户外天线
C.在高大的建筑物顶端装有避雷针
D.在烟道的中央装有静电除尘器
1．(静电屏蔽)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
2．(尖端放电)如图8所示是模拟避雷针作用的实验装置，金属板M接高压电源的正极，金属板N接负极．金属板N上有两个等高的金属柱A、B，A为尖头，B为圆头．逐渐升高电源电压，当电压达到一定数值时，可看到放电现象．先产生放电现象的是( )
图8
A．A金属柱
B．B金属柱
C．A、B金属柱同时
D．可能是A金属柱，也可能是B金属柱
3．(静电除尘)下列关于静电除尘的说法中正确的是( )
A．进入除尘器后，烟雾中的颗粒被强电场电离而带正电，颗粒向电源负极运动
B．除尘器中的空气被电离，烟雾颗粒吸附电子而带负电，颗粒向电源正极运动
C．烟雾颗粒带电后，受到竖直向下的电场力而向下运动
D．烟雾颗粒被强电场粉碎成更小的颗粒，排到大气中人眼看不到
4．(静电喷漆)(多选)静电喷漆是利用静电现象制造的，其喷涂原理如图9所示，则以下说法正确的是( )
图9
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
5．(静电平衡)在点电荷－Q形成的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆盘所在平面与点电荷在同一平面内，则能正确表示圆盘上感应电荷在圆盘中A点所激发的附加场强E′的方向的是下图中的( )
6．(感应电荷场强的计算)如图10所示，点电荷A和B带电荷量分别为＋3.0×10－8 C和－2.4×10－8 C，彼此相距6 cm.若在两点电荷连线中点O处放一个半径为1 cm 的金属球壳，求球壳上感应电荷在O点处产生的电场强度．(静电力常量k＝9×109 N·m2/C2)
图10
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