【講與練】高中物理人教版(2019)必修3：9.4 靜電的防止與利用學(xué)案

4．靜電的防止與利用課程標(biāo)準(zhǔn)1．知道靜電平衡的概念，知道靜電平衡是靜電感應(yīng)的結(jié)果。2．了解尖端放電及其應(yīng)用。3．知道靜電屏蔽及其應(yīng)用。4．了解靜電除塵、靜電噴漆、靜電復(fù)印的原理。素養(yǎng)目標(biāo)物理觀念1.知道什么是靜電平衡狀態(tài)，能說出靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體特點。2.知道導(dǎo)體上電荷的分布特征，了解尖端放電、靜電屏蔽現(xiàn)象及其成因?？茖W(xué)思維會根據(jù)靜電平衡條件求解感應(yīng)電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任1.觀察演示實驗并對實驗現(xiàn)象分析，體會運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行分析推理的方法。2.查閱并搜集資料，了解靜電屏蔽在技術(shù)和生活中的應(yīng)用。知識點1靜電平衡1．靜電平衡放入電場中的導(dǎo)體，由于靜電感應(yīng)，導(dǎo)體兩側(cè)出現(xiàn)異種電荷，而感應(yīng)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的電場與原電場反向，使導(dǎo)體內(nèi)部的電場減弱，當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部電場為0時，導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷不再發(fā)生定向移動，這時導(dǎo)體就達(dá)到靜電平衡。2．導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)時，其內(nèi)部的電場強(qiáng)度處處為0?！号幸慌小?1)靜電平衡時，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再運(yùn)動。(×)(2)靜電平衡時，導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零。(√)知識點2尖端放電1．在導(dǎo)體的外表面，越尖銳的位置，電荷的密度越大，周圍的電場強(qiáng)度越大。2．電離：導(dǎo)體尖端周圍的強(qiáng)電場使空氣中殘留的帶電粒子發(fā)生劇烈運(yùn)動，并與空氣分子碰撞從而使空氣分子中的正負(fù)電荷分離的現(xiàn)象。3．尖端放電：導(dǎo)體尖端周圍被強(qiáng)電場電離的粒子中，所帶電荷與導(dǎo)體尖端的電荷符號相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，與尖端上的電荷中和，相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷的現(xiàn)象。4．應(yīng)用：建筑物的頂端安裝上避雷針以達(dá)到避免雷擊的目的；高壓設(shè)備中導(dǎo)體的表面盡量光滑，以減少電能損失?！号幸慌小?3)帶電導(dǎo)體尖端電荷密度大，周圍電場強(qiáng)度也大。(√)知識點3靜電屏蔽1．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面。2．靜電屏蔽：放入電場中的導(dǎo)體殼，由于靜電感應(yīng)，殼內(nèi)電場強(qiáng)度為0，外電場對殼內(nèi)的儀器不會產(chǎn)生影響，金屬殼的這種作用叫作靜電屏蔽。3．應(yīng)用：把電學(xué)儀器放在封閉的金屬殼或金屬網(wǎng)里；野外三條高壓輸電線上方架設(shè)兩條導(dǎo)線，與大地相連，把高壓輸電線屏蔽起來?！号幸慌小?4)靜電平衡時，導(dǎo)體內(nèi)部表現(xiàn)為電中性。電荷都分布在外表面，導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷。(√)(5)一個孤立的帶電體，在自身所帶電荷的電場中，處于靜電平衡狀態(tài)，不具有靜電平衡的特點。(×)(6)把儀器放在金屬網(wǎng)內(nèi)和放在封閉的金屬殼內(nèi)能起到同樣的靜電屏蔽作用。(√)(7)飛機(jī)輪上裝上拖地線，油罐車后面拖條鐵鏈都是把靜電導(dǎo)入大地。(√)『選一選』(2023·浙江紹興高二期末)如圖所示，一有線電視信號線內(nèi)有一層銅質(zhì)金屬網(wǎng)，其主要作用是(C)A．加固作用不易折斷信號線B．用于信號的傳輸C．為防止外界電場干擾D．銅芯與金屬網(wǎng)分別接在電路的兩極，便于構(gòu)成回路解析：根據(jù)靜電屏蔽原理，金屬網(wǎng)能屏蔽外部電場，使其不受外部電場的影響，則有線電視信號線內(nèi)有一層銅質(zhì)金屬網(wǎng)，其主要作用是為防止外界電場干擾?！合胍幌搿荒阒兰矣秒娨暀C(jī)、收音機(jī)外殼的制作材料為何一般是塑料，而不用金屬的主要原因嗎？解析：若用金屬制作家用電視機(jī)、收音機(jī)外殼，用電器的金屬外殼就形成靜電屏蔽，電磁信號就難以被電視機(jī)、收音機(jī)這類電磁波接收器接收，電視機(jī)、收音機(jī)就不能正常工作。知識點4靜電吸附1．靜電除塵：設(shè)法使空氣中的塵埃帶電，在靜電力作用下，塵埃到達(dá)電極而被收集起來。2．靜電噴漆：接負(fù)高壓的涂料霧化器噴出的油漆微粒帶負(fù)電，在靜電力作用下，這些微粒向著作為正極的工件運(yùn)動，并沉積在工件的表面，完成噴漆工作。3．靜電復(fù)?。簭?fù)印機(jī)的核心部件是有機(jī)光導(dǎo)體鼓，在沒有光照時是絕緣體，有光照時是導(dǎo)體，復(fù)印機(jī)復(fù)印的工作流程：充電、曝光、顯影、轉(zhuǎn)印、放電。探究對靜電平衡及其特點的理解要點提煉1.靜電平衡實質(zhì)(1)在達(dá)到靜電平衡的過程中，外電場引起導(dǎo)體內(nèi)自由電荷的定向移動使導(dǎo)體兩側(cè)出現(xiàn)感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷的電場和外電場方向相反，使合場強(qiáng)減小，隨著感應(yīng)電荷的繼續(xù)增加，合場強(qiáng)逐漸減小，直至合場強(qiáng)為零，自由電荷的定向移動停止。(2)靜電平衡的條件：導(dǎo)體內(nèi)部的合場強(qiáng)為零，即E合＝0。2．靜電平衡導(dǎo)體的電荷分布特點①內(nèi)外表面分布不同，電荷都分布在外表面，導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷。②感應(yīng)電荷分布于導(dǎo)體兩端，電性相反，電荷量相等，遠(yuǎn)同近異，如圖甲所示：③凈電荷在導(dǎo)體表面分布不均勻，導(dǎo)體表面尖銳處電荷分布密集，平滑處電荷分布稀疏，凹陷處幾乎沒有電荷，如圖乙所示：(1)一個孤立的帶電體，在自身所帶電荷的電場中，處于靜電平衡狀態(tài)，具有靜電平衡的所有特點。(2)人與大地都是導(dǎo)體，在人摸(觸)導(dǎo)體的過程中，帶電體、人、大地組成一個新導(dǎo)體，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)。典例剖析典題1(2023·重慶一中高一下期末)如圖所示，將原來不帶電與大地絕緣的導(dǎo)體靜置于帶正電的點電荷Q所形成的電場中，A、B兩點在其表面，C點在其內(nèi)部，達(dá)到靜電平衡時，以下說法正確的是(C)A．A點一側(cè)表面帶正電B．感應(yīng)電荷在C點產(chǎn)生的場強(qiáng)為零C．感應(yīng)電荷在C點產(chǎn)生的場強(qiáng)大小等于點電荷在C點產(chǎn)生的場強(qiáng)大小D．若用手觸摸一下導(dǎo)體，放手后導(dǎo)體將不帶電解析：靜電感應(yīng)時，導(dǎo)體離場源的近端感應(yīng)出異種電荷，遠(yuǎn)端感應(yīng)出同種電荷，A點一側(cè)屬于近端，則表面帶負(fù)電，A錯誤；靜電平衡后，感應(yīng)電荷在C點產(chǎn)生的場強(qiáng)和點電荷在C點產(chǎn)生的場強(qiáng)等大反向，而C點的合場強(qiáng)為零，B錯誤，C正確；若用手觸摸一下導(dǎo)體，導(dǎo)體近端帶負(fù)電荷，遠(yuǎn)端在地球另一端，帶正電，則放手后導(dǎo)體將只帶負(fù)電，D錯誤。對點訓(xùn)練?長為l的導(dǎo)體棒原來不帶電，現(xiàn)將一帶電荷量為＋q的點電荷放在距棒左端R處，如圖所示。當(dāng)棒達(dá)到靜電平衡后，棒上的感應(yīng)電荷在棒內(nèi)中點P處產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小等于eq\f(4kq,(2R＋l)2)，方向為向左。解析：導(dǎo)體棒在點電荷＋q的電場中發(fā)生靜電感應(yīng)，左端出現(xiàn)負(fù)電荷，右端出現(xiàn)正電荷，棒中任意一點都受兩個電場的影響，即外電場(＋q在該點形成的電場E0)和附加電場(棒上感應(yīng)電荷在該點形成的電場E′)，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)時E′＝－E0。題中所求的即為E′，E′＝－E0＝－eq\f(kq,(R＋\f(l,2))2)＝－eq\f(4kq,(2R＋l)2)，負(fù)號代表E′和E0方向相反，即方向向左。探究對靜電屏蔽的理解要點提煉1.靜電屏蔽的實質(zhì)靜電屏蔽實質(zhì)是利用了靜電感應(yīng)現(xiàn)象，使金屬殼內(nèi)的感應(yīng)電荷的電場和外加電場矢量和為零，好像是金屬殼將外電場“擋”在外面，即所謂的屏蔽作用，其實是殼內(nèi)兩種電場并存，矢量和為零而已。2．靜電屏蔽的兩種情況(1)金屬殼內(nèi)部不受外部影響如圖：把驗電器靠近帶電體，箔片會張開，但如果把驗電器置于金屬網(wǎng)罩內(nèi)，再靠近帶電體，箔片不再張開，說明網(wǎng)罩內(nèi)不受外電場的影響。(2)接地的封閉導(dǎo)體殼，內(nèi)部電場對外部沒有影響如一封閉的導(dǎo)體殼內(nèi)部空間某點有一點電荷＋q，由于靜電感應(yīng)，導(dǎo)體殼內(nèi)外表面感應(yīng)出等量的異種電荷，其電場線如圖甲所示；當(dāng)把導(dǎo)體殼接地后，＋q在殼內(nèi)的電場對殼外空間就沒有影響了，如圖乙所示。(1)接地的空腔導(dǎo)體，腔外電場對腔內(nèi)空間不產(chǎn)生影響，腔內(nèi)電場對腔外空間也不產(chǎn)生影響，即內(nèi)外互不影響。(2)空腔導(dǎo)體不接地，腔外電場對腔內(nèi)空間不產(chǎn)生影響，腔內(nèi)電場對腔外空間產(chǎn)生影響。典例剖析典題2(2023·天津耀華中學(xué)高一期末)如圖所示，放在絕緣臺上不帶電的金屬罩B內(nèi)放有一個不帶電的驗電器C，若把一帶有正電荷的絕緣體A移近金屬罩B，則(B)A．驗電器C的金屬箔片將張開B．金屬罩B的右側(cè)外表面帶正電荷C．用導(dǎo)線連接金屬罩B和驗電器C的金屬球，驗電器的金屬箔片張開D．金屬罩B左、右兩側(cè)電荷電性相同解析：由于金屬罩B的靜電屏蔽作用，B的內(nèi)表面不帶電，金屬罩B外表面的自由電子重新分布，根據(jù)“近異遠(yuǎn)同”可知，B的右側(cè)外表面帶正電荷，B的左側(cè)外表面帶負(fù)電荷，B正確，D錯誤；由于金屬罩B的靜電屏蔽作用，B的內(nèi)部電場強(qiáng)度處處為零，故驗電器的金屬箔片不張開，A錯誤；用導(dǎo)線連接金屬罩B和驗電器C的金屬球，金屬罩內(nèi)的場強(qiáng)仍為零，即驗電器的金屬箔片不會張開，C錯誤。對點訓(xùn)練?(多選)(2023·山西大同高二上期中)如圖所示，金屬殼放在絕緣墊上，能起到屏蔽點電荷電場作用的是(ABD)解析：當(dāng)正電荷放在金屬殼外時，由于靜電感應(yīng)，使金屬殼左端帶負(fù)電荷，右端帶正電荷，金屬殼處于靜電平衡狀態(tài)，所以內(nèi)部電場強(qiáng)度為零，能起到屏蔽點電荷電場的作用，故A正確；當(dāng)正電荷放在金屬殼外時，由于靜電感應(yīng)使金屬殼左端帶負(fù)電荷，由于右端接地，則不帶電，導(dǎo)致感應(yīng)電場與外電場疊加，所以內(nèi)部電場強(qiáng)度為零，能起到屏蔽點電荷電場的作用，故B正確；當(dāng)正電荷放在金屬殼內(nèi)時，金屬殼內(nèi)帶負(fù)電荷，殼外帶正電荷，出現(xiàn)電場，不能起到屏蔽點電荷電場的作用，故C錯誤；當(dāng)正電荷放在金屬殼內(nèi)時，由于金屬殼接地，則使金屬殼外不帶電，內(nèi)部左、右端都帶負(fù)電荷，而外部沒有電場，從而起到屏蔽點電荷電場的作用，故D正確。探究靜電的應(yīng)用與防止要點提煉1.應(yīng)用：靜電應(yīng)用依據(jù)的物理原理幾乎都是讓帶電的物質(zhì)粒子在電場力的作用下，奔向并吸附到電極上。2．危害：靜電由于吸附塵埃會給印刷、合成纖維等工業(yè)生產(chǎn)帶來危害。靜電對高精密儀器有干擾甚至毀壞作用。靜電的最大危害是有可能因靜電火花點燃某些易燃物質(zhì)而引起爆炸。3．防止：最簡單而又最可靠的辦法是用導(dǎo)線把設(shè)備接地，這樣可以把電荷引入大地，避免靜電積累。油罐車尾部拖的鐵鏈就是一根接地線。調(diào)節(jié)空氣的濕度也是防止靜電危害的有效方法。典例剖析典題3(多選)(2023·浙江高二學(xué)業(yè)考試)隨著人們生活水平的提高，各種家用電器日益走入我們的居家生活，而家用電器所產(chǎn)生的靜電荷會被人體吸收并積存起來，加之居室內(nèi)墻壁和地板多屬絕緣體，空氣干燥，因此更容易受到靜電干擾。由于老年人的皮膚相對年輕人干燥以及老年人心血管系統(tǒng)的老化、抗干擾能力減弱等因素，因此老年人更容易受靜電的影響。心血管系統(tǒng)本來就有各種病變的老年人，靜電更會使病情加重。過高的靜電還常常使人焦躁不安、頭痛、胸悶、呼吸困難、咳嗽。我們平時生活中就應(yīng)當(dāng)采取措施，有效防止靜電，下列可行的是(ABD)A．室內(nèi)要勤拖地、勤灑些水B．要勤洗澡、勤換衣服C．選擇柔軟、光滑的化纖類衣物D．盡量避免使用化纖地毯和塑料為表面材料的家具思路引導(dǎo)：了解常見的靜電危害、理解靜電作用的特點、知道防止靜電危害的基本方法是分析、解決該類實際問題的基礎(chǔ)。解析：室內(nèi)要保持一定的濕度，室內(nèi)要勤拖地、勤灑些水；要勤洗澡、勤換衣服，以消除人體表面積聚的靜電荷。對于老年人，應(yīng)選擇柔軟、光滑的棉紡織衣物，盡量不穿化纖類衣物，以使靜電的危害減少到最低限度；盡量避免使用化纖地毯和以塑料為表面材料的家具，以防止摩擦起電。對點訓(xùn)練?(2023·河北故城高級中學(xué)高二上月考)關(guān)于靜電的防止與利用，下列說法正確的是(C)A．手術(shù)室的醫(yī)生和護(hù)士都要穿絕緣性能良好的化纖制品，可防止靜電對手術(shù)的影響B(tài)．為了防止靜電危害，保證乘客的安全，飛機(jī)起落架的輪胎用絕緣橡膠制成C．金屬導(dǎo)體有靜電屏蔽的作用，運(yùn)輸汽油時把汽油裝進(jìn)金屬桶比裝進(jìn)塑料桶安全D．轎車上露在外面的小天線是用來避免雷擊的解析：絕緣性能良好的化纖制品衣服不能及時把靜電導(dǎo)入大地，容易造成手術(shù)事故，故A錯誤；飛機(jī)輪胎用導(dǎo)電橡膠制成可以將飛機(jī)產(chǎn)生的靜電迅速導(dǎo)走，故B錯誤；由于金屬導(dǎo)體能起到靜電屏蔽的作用，故運(yùn)輸汽油時把汽油裝進(jìn)金屬桶比裝進(jìn)塑料桶安全，故C正確；轎車上露在外面的小天線是無線廣播的接收天線，故D錯誤。古建筑上的避雷針1．空氣的電離在導(dǎo)體外表面，越尖銳的位置，電荷的密度越大，周圍的電場強(qiáng)度越大。在一定條件下，導(dǎo)體尖端周圍的強(qiáng)電場足以使空氣中殘留的帶電粒子發(fā)生劇烈運(yùn)動，并與空氣分子碰撞從而使空氣分子中的正負(fù)電荷分離。這個現(xiàn)象叫作空氣的電離。2．尖端放電的原理導(dǎo)體尖端的強(qiáng)電場使附近的空氣電離，電離后產(chǎn)生的那些所帶電荷與導(dǎo)體尖端的電荷符號相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，與尖端上的電荷中和，這相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷。這種現(xiàn)象叫作尖端放電。案例請觀察建筑物上的避雷針(如圖)，看它們是如何巧妙設(shè)計的，分析它們?nèi)绾文馨踩姳芾?，它們的造型與建筑物是否協(xié)調(diào)，并與同學(xué)討論交流。解析：在古建筑物的屋頂、屋角設(shè)置各種造型的動物，避雷針以動物頭上的角須形式或巨獸的舌頭向上探出的形式巧妙安裝，另一端引入大地，從而起到避雷效果。答案：見解析一、靜電平衡1．(2023·寧夏銀川高二上月考)如圖所示，一個方形的金屬盒原來不帶電，現(xiàn)將一個帶電荷量為－Q的點電荷放在盒左側(cè)附近，金屬盒達(dá)到靜電平衡后，盒上的感應(yīng)電荷在盒子內(nèi)部產(chǎn)生的電場分布情況正確的是(D)解析：金屬盒內(nèi)部處于靜電平衡狀態(tài)，因此內(nèi)部電場強(qiáng)度處處為零，則盒內(nèi)的每一點感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場強(qiáng)度都與點電荷－Q在那點產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小相等、方向相反，即感應(yīng)電荷的電場線與點電荷－Q的電場線重合，但方向相反，D正確。2．(2022·重慶西南大學(xué)附中高一下月考)如圖所示，在原來不帶電的金屬細(xì)桿ab附近P處，放置一個正點電荷，當(dāng)金屬桿達(dá)到靜電平衡后，下列說法正確的是(D)A．a(chǎn)端感應(yīng)出負(fù)電荷B．感應(yīng)電荷在c點產(chǎn)生的電場強(qiáng)度為零C．感應(yīng)電荷在c點產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的方向由b指向aD．兩端出現(xiàn)感應(yīng)電荷是因為細(xì)桿中的自由電子向細(xì)桿b端移動解析：根據(jù)感應(yīng)起電規(guī)律“近異遠(yuǎn)同”可知，a端感應(yīng)出正電荷，故A錯誤；根據(jù)處于靜電平衡的導(dǎo)體，內(nèi)部場強(qiáng)處處為零的特點可知，感應(yīng)電荷在c點產(chǎn)生的電場強(qiáng)度與正點電荷在該點產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小相等、方向相反，由于正點電荷在c點產(chǎn)生的電場強(qiáng)度方向由b指向a，所以感應(yīng)電荷在c點產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的方向由a指向b，故B、C錯誤；兩端出現(xiàn)感應(yīng)電荷是因為細(xì)桿中的自由電子在正點電荷產(chǎn)生的電場的作用下，向細(xì)桿b端移動，故D正確。二、尖端放電3．富蘭克林為研究雷電現(xiàn)象，設(shè)計了如圖所示的裝置，避雷針線路與接地線分開，并在分開處裝上帽形的金屬鐘A與B，兩鐘之間用絕緣絲線懸掛一個金屬小球C，A鐘下方用細(xì)導(dǎo)線連接兩個很輕的金屬小球形成驗電器D，避雷針上空附近的云不帶電時，三個金屬小球均靜止下垂。當(dāng)帶負(fù)電的云層接近避雷針頂端時，下列說法正確的是(C)A．避雷針頂端帶負(fù)電B．接地線上有正電荷流入大地C．驗電器D上的兩個金屬小球帶負(fù)電且間距增大D．金屬小球C會先擺向A，撞到A后被A吸住不再分開解析：根據(jù)“異種電荷相互吸引、同種電荷相互排斥”可知，當(dāng)帶負(fù)電的云層接近避雷針頂端時，避雷針頂端帶正電，驗電器D下端兩小球始終帶負(fù)電，所以兩小球因相互排斥而間距增大，故A錯誤，C正確；小球C在驗電器D下端的吸引下撞擊A，然后和A帶同種電荷并相互排斥，之后C和B接觸，電子通過B下端接地線導(dǎo)入大地，C不帶電，如此反復(fù)，故B、D錯誤。三、靜電屏蔽4．(多選)下圖中P是一個帶電體，N是一個不帶電的金屬空腔，在哪些情況下，放在絕緣板上的小紙屑(圖中S)不會被吸引(AD)解析：小紙屑是絕緣體，當(dāng)處于電場中時，雖不會像導(dǎo)體一樣出現(xiàn)電荷的定向移動，但內(nèi)部的極性分子也會在電場力的作用下移動，使異種電荷一端更靠近施感電荷，因而也會受到施感電荷的吸引力。A中由于靜電屏蔽，P的電場影響不到導(dǎo)體N的內(nèi)部，即N內(nèi)部無電場，所以S不會被吸引，A正確；