2024-2025學年新教材高中物理第九章靜電場及其應用4靜電的防止與利用學案新人教版必修3

PAGE13-靜電的防止與利用新課程標準學業(yè)質(zhì)量目標了解生產(chǎn)生活中關于靜電的利用與防護。合格性考試1.知道什么是靜電平衡狀態(tài),能說出靜電平衡狀態(tài)下的導體特點。2.知道導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。選擇性考試1.會依據(jù)靜電平衡條件求解感應電荷產(chǎn)生的場強。2.視察演示試驗并對試驗現(xiàn)象分析,體會運用所學學問進行分析推理的方法。必備學問·自主學習一、靜電平衡狀態(tài)下導體的電場和電荷分布如圖所示,當一個帶電體靠近不帶電導體時,由于導體內(nèi)的自由電子受到靜電力的作用,將向著與電場相反的方向定向移動,從而使導體兩端出現(xiàn)等量異種電荷,這就是前面學習的靜電感應現(xiàn)象。(1)這種定向移動是無休止的嗎?(2)電荷的移動對導體內(nèi)部的電場有影響嗎?提示:(1)不是。(2)有。1.靜電感應現(xiàn)象:把導體放入電場中,導體內(nèi)部的自由電荷在靜電力作用下定向移動,從而使導體兩端出現(xiàn)等量異種電荷的現(xiàn)象。2.靜電平衡狀態(tài):導體中(包括表面)自由電子不再發(fā)生定向移動,我們就認為導體達到了靜電平衡狀態(tài)。3.靜電平衡狀態(tài)下導體的特點:(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導體,內(nèi)部電場強度到處為零。(2)表面處的電場強度不為零,方向跟導體表面垂直。4.導體上電荷的分布:(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導體,內(nèi)部沒有凈剩電荷,電荷只分布在導體的外表面。(2)在導體表面,越尖銳的位置,電荷的密度(單位面積上的電荷量)越大,凹陷的位置幾乎沒有電荷。二、尖端放電、靜電屏蔽和靜電吸附飛機在云層與云層之間飛行或起飛、著陸時都有可能遭受雷擊(如圖所示)。但是當飛機遭受雷擊時,電流可以從雷電云到達飛機頭部,縱向流過機身外殼,最終從機尾凌空打到地上或從其中一機翼打過另一機翼,橫向流過機身,但不管怎樣,閃電都只會沿著飛機外殼流過,而不會進入機艙內(nèi)對乘客造成損害,你知道這是為什么嗎?提示:靜電屏蔽。1.空氣的電離:導體尖端電荷密度很大,旁邊的電場很強,強電場作用下的帶電粒子猛烈運動,使分子中的正負電荷分別的現(xiàn)象。2.尖端放電:與導體尖端異號的粒子,由于被吸引,而與尖端上電荷中和,相當于導體從尖端失去電荷的現(xiàn)象。尖端放電的應用與防止:(1)應用:避雷針是利用尖端放電避開雷擊的一種設施。(2)防止:高壓設備中導體的表面盡量光滑會削減電能的損失。3.靜電屏蔽:金屬殼(網(wǎng))內(nèi)電場強度保持為0,外電場對殼(網(wǎng))內(nèi)的儀器不會產(chǎn)生影響,金屬殼(網(wǎng))的作用叫作靜電屏蔽。靜電屏蔽的應用:電學儀器外面有金屬殼、野外高壓線上方還有兩條導線與大地相連。4.靜電吸附:靜電雖然會有危害,但也可以利用。在電場中,帶電粒子受到靜電力的作用,向著電極運動,最終會被吸附在電極上。這一原理在生產(chǎn)技術上被廣泛應用。應用實例:靜電除塵、靜電噴漆、靜電復印等。(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導體,表面處的電場強度不為零,方向跟導體表面可能垂直,可能平行,也可能成隨意夾角。(×)(2)因為外電場和全部感應電荷的電場在導體內(nèi)部疊加的合電場強度為0,所以處于靜電平衡的導體內(nèi)部電場強度到處為0。(√)(3)避雷針能避開建筑物被雷擊是因為云層中帶的電荷被避雷針通過導線導入大地。(×)(4)用金屬網(wǎng)把驗電器罩起來,再使帶電金屬球靠近驗電器,則驗電器箔片能張開。(×)(5)飛機輪上裝有拖地線,油罐車后面拖條鐵鏈都是把靜電導入大地。(√)關鍵實力·合作學習學問點一靜電平衡的特點和應用1.靜電平衡的實質(zhì):(1)在達到靜電平衡的過程中,外電場引起導體內(nèi)自由電荷的定向移動使導體兩側出現(xiàn)感應電荷,感應電荷的電場和外電場方向相反,使合場強減小,隨著感應電荷的接著增加,合場強漸漸減小,直至合場強為零,自由電荷的定向移動停止。(2)靜電平衡的狀態(tài):導體內(nèi)部的合場強為零,即E合=0。2.靜電平衡狀態(tài)的特點:(1)處于靜電平衡狀態(tài)下的導體的特點。①導體內(nèi)部某處感應電荷產(chǎn)生的場強E′與四周原電場場強E大小相等,方向相反,兩者相互抵消,導體內(nèi)部到處合場強E合為零,但導體表面的電場強度不為零。②電場線與導體表面垂直,假如不垂直,該點場強應有沿表面的切向重量,會使導體表面電荷發(fā)生移動,與靜電平衡狀態(tài)沖突。(2)靜電平衡狀態(tài)下的導體的電荷分布特點。①凈電荷都分布在導體的外表面,導體內(nèi)部沒有凈電荷。②感應電荷分布于導體兩端,電性相反,電荷量相等,遠同近異,如圖甲所示。③凈電荷在導體表面分布不勻稱,導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。如圖所示,不帶電的金屬導體放到電場中,導體內(nèi)的自由電子將發(fā)生定向移動,使導體兩端出現(xiàn)等量異號電荷。請思索下列問題:(1)自由電子定向移動的緣由是什么?定向移動的方向如何?(2)自由電子能否始終定向移動?為什么?提示:(1)自由電子受外加電場的靜電力作用而移動,向著與電場相反的方向定向移動。(2)不能。感應電荷產(chǎn)生的電場與外加電場反向,阻礙電子的定向移動,當這兩個電場大小相等時,電子的定向移動終止?！镜淅块L為l的導體棒原來不帶電,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。當棒達到靜電平衡后,棒上的感應電荷在棒內(nèi)中點P處產(chǎn)生的電場強度大小等于__________,方向為____________。

【解析】導體棒在點電荷+q的電場中發(fā)生靜電感應,左端出現(xiàn)負電荷,右端出現(xiàn)正電荷,棒中隨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(棒上感應電荷在該點形成的電場E′),達到靜電平衡狀態(tài)時E′=-E0。題中所求的即為E′,E′=-E0=-=-,負號代表E′和E0方向相反,即方向向左。答案:向左求處于靜電平衡狀態(tài)的導體的感應電荷產(chǎn)生的場強的方法(1)先求出外電場場強E外的大小和方向。(2)由于導體處于靜電平衡狀態(tài),則滿意靜電平衡條件E合=0。(3)由E外+E感=0,求出感應電場E感的大小和方向。(母題追問)在【典例】中,若把導體棒接地,則該導體棒上的感應電荷在中心P處產(chǎn)生的場強大小等于()A.- B.+C.0 D.【解析】選D。靜電平衡狀態(tài)下導體內(nèi)部場強為零,是由于q和導體上的感應電荷在導體內(nèi)部疊加后形成的,因而導體棒上感應電荷在中心處產(chǎn)生的場強與q在中心處產(chǎn)生的場強大小相同、方向相反,故感應電荷在中心P處產(chǎn)生的場強大小為。故選D。【加固訓練】1.一金屬球原來不帶電,現(xiàn)沿球的直徑的延長線放置一勻稱帶電的細桿MN,如圖所示,金屬球上感應電荷產(chǎn)生的電場在球內(nèi)直徑上a、b、c三點的場強大小分別為Ea、Eb、Ec,三者相比()A.Ea最大B.Eb最大C.Ec最大D.Ea=Eb=Ec【解析】選C。處于靜電平衡的導體內(nèi)部場強到處為零,故a、b、c三點的場強都為零。靜電平衡的導體內(nèi)部場強為零是感應電荷產(chǎn)生的電場與外電場疊加的結果,所以感應電荷在球內(nèi)某點產(chǎn)生的電場的場強與MN在這一點形成的電場的場強等大反向。比較a、b、c三點感應電場的場強,實質(zhì)上是比較帶電體MN在這三點的場強。由于c點離MN最近,故MN在c點的場強最大,感應電荷在c點場強也最大,故正確答案為C項。2.(多選)如圖所示,A、B為兩個驗電器,其中驗電器A不帶電,驗電器B的上面是一個幾乎封閉的金屬圓筒C,并且B的金屬箔片是張開的,現(xiàn)手持一個帶絕緣柄的金屬小球D,使D接觸C的內(nèi)壁,再移出與A的金屬小球接觸,無論操作多少次,都不能使A帶電,這個試驗說明白()A.C不帶電 B.C的內(nèi)部不帶電C.C的內(nèi)部場強不為零 D.C的內(nèi)部場強為零【解析】選B、D。與金屬圓筒相連的驗電器B的金屬箔片是張開的,說明C是帶電的,A錯誤;手持一個帶絕緣柄的金屬小球D,使D接觸C的內(nèi)壁,再移出與A的金屬小球接觸,無論操作多少次,都不能使A帶電,說明白C達到靜電平衡狀態(tài),金屬圓筒C的內(nèi)部不帶電,內(nèi)部電場強度到處為零,B、D正確,C錯誤。學問點二尖端放電和靜電屏蔽的應用靜電屏蔽的兩種狀況類別導體外部電場不影響導體內(nèi)部接地導體內(nèi)部的電場不影響導體外部圖示實現(xiàn)過程因場源電荷產(chǎn)生的電場與導體球殼表面上感應電荷在空腔內(nèi)的合場強為零,達到靜電平衡狀態(tài),起到屏蔽外電場的作用當空腔外部接地時,外表面的感應電荷因接地將傳給地球,外部電場消逝,起到屏蔽內(nèi)電場的作用最終結論導體內(nèi)空腔不受外界電荷影響接地導體空腔外部不受內(nèi)部電荷影響本質(zhì)靜電感應與靜電平衡,所以作靜電屏蔽的材料只能是導體,不能是絕緣體提示:金屬材料的物體才能作靜電屏蔽器,靜電屏蔽的原理是靜電平衡,只有金屬導體才能處于靜電平衡狀態(tài)。1.(1)電梯是什么材質(zhì)的,能否被看成是金屬容器?(2)王明剛搬了新家,可每次進入電梯里手機總打不通,這是為什么?提示:(1)電梯是用不銹鋼板做成的,可以看成金屬容器。(2)電梯可以看成金屬容器,起到了屏蔽作用。2.在如圖所示的試驗中,驗電器的金屬箔片能張開嗎?為什么?提示:A中不會張開,金屬網(wǎng)可以屏蔽外電場;B中會張開,因為金屬網(wǎng)未接地,網(wǎng)內(nèi)的帶電體可以對外界產(chǎn)生影響;C中不會張開,因為金屬網(wǎng)已接地,網(wǎng)內(nèi)的帶電體對網(wǎng)外無影響,網(wǎng)外的帶電體對網(wǎng)內(nèi)也無影響?！镜淅繉覓煸诩毦€上的帶正電的小球A放在不帶電的金屬球殼C內(nèi)(不和球殼內(nèi)壁接觸),另有一個懸掛在細線上的帶負電的小球B向C靠近,如圖所示,則()A.A往左偏離豎直方向,B往右偏離豎直方向B.A的位置不變,B往右偏離豎直方向C.A往左偏離豎直方向,B的位置不變D.A和B的位置都不變【解析】選B。不接地的空腔導體可以屏蔽外界電場,接地的空腔導體可以屏蔽內(nèi)部電場,該題中帶正電的小球A放在不帶電的空心球殼C內(nèi),通過靜電感應,空心球外殼帶正電,內(nèi)壁帶負電。由于金屬空心球殼C的外殼和帶電小球B帶異種電荷,所以B受C球殼的吸引往右偏離豎直方向。而由于空心球殼C能屏蔽小球B所產(chǎn)生的外部電場,使小球A不受外電場的作用,所以A的位置不變,故選項B正確。(2024·菏澤高二檢測)如圖所示,A為空心金屬球,B為金屬球,A、B原來不帶電,將另一帶正電荷的小球C從A球開口處放入A球中心,不接觸A球,然后用手接觸一下A球,再用手接觸一下B球,再移走C球,則()A.A球帶負電荷,B球帶正電荷B.A球帶負電荷,B球不帶電C.A、B兩球都帶負電荷D.A、B兩球都帶正電荷【解析】選B。首先帶正電荷的小球C從A球開口處放入A球中心。依據(jù)靜電感應現(xiàn)象可知,A球內(nèi)表面帶負電荷,外表面帶正電荷。用手接觸A相當于把A接地,則A表面的正電荷被斥向大地,大地中的負電荷將被吸引到A,于是在A的內(nèi)部形成電場,使A球外表面不帶電,此時A球?qū)ν馄痨o電屏蔽作用,A球內(nèi)的電場不影響外部。用手接觸B時,無電荷移動,B球不帶電。當帶正電荷的C球從A球內(nèi)移走后,A球內(nèi)表面所帶的負電荷移至外表面,所以此時A球帶負電荷。由上述可知,選項B正確?！炯庸逃柧殹?.如圖所示,導體球A與導體球殼B同心,原來都不帶電,也不接地,設M、N兩點的場強大小為EM和EN,下列說法中正確的是 ()A.若使A帶電,則EM≠0,EN=0B.若使B帶電,則EM≠0,EN≠0C.若使A,B兩球分別帶上等量異種電荷,則EM≠0,EN=0D.若使A球帶電,B球接地,則EM=0,EN=0【解析】選C。假如A帶電,則會感應B內(nèi)部帶異種電荷,外部電性與A相同,那么EM≠0,EN≠0,故A錯誤;假如B帶電,由于同種電荷的排斥,電荷只分布在外表面,E內(nèi)=0,即EM=0,EN≠0,B錯誤;假如A、B帶等量異種電荷,A與B的靜電感應使B外表面恰好無電荷量,則EM≠0,EN=0,故C正確;如使A球帶電,B球接地,是接地屏蔽,EM≠0,EN=0,D錯誤。2.(多選)如圖所示,P是一個帶電體,N是一個不帶電的金屬空腔,在下列狀況中,放在絕緣板上的小紙屑(圖中S)不會被吸引的是()【解析】選A、D。小紙屑是絕緣體,當處于電場中時,雖不會像導體一樣出現(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轉(zhuǎn)動,使異種電荷一端更靠近帶電體,因而也會受到帶電體的吸引力。A中由于靜電屏蔽,P的電場影響不到導體N的內(nèi)部,即N內(nèi)部無電場,所以S不會被吸引,A正確;B中N沒有接地,P的電場會影響到N外部,即S處有電場,S會被吸引,B錯誤;C中P和S都處于導體N的外部,S處有電場,會被吸引,C錯誤;D中N被接地,內(nèi)部電場不影響導體外部,即S處無電場,不會被吸引,D正確?！就卣估}】考查內(nèi)容:靜電平衡的綜合應用【典例】(多選)如圖所示,水平放置的金屬板正上方有一固定的正點電荷Q,一表面絕緣的帶電的小球(可視為質(zhì)點且不影響Q的電場),從左端以初速度v0滑上金屬板,沿光滑的上表面對右運動到右端,在該運動過程中()A.小球做勻速直線運動B.小球先做減速運動,后做加速運動C.小球所受的電場力先增大后減小D.電場力對小球所做的功為零【解析】選A、C、D。水平放置的金屬板處于點電荷Q的電場中而達到靜電平衡狀態(tài),其表面處電場線到處與表面垂直,故帶電小球(表面絕緣,電量不變)在金屬板表面運動時,電場力不做功,小球做勻速直線運動,E方向豎直向下,從左至右,先增大后減小,F庫先增大后減小,所以選項A、C、D正確。情境·模型·素養(yǎng)電業(yè)工人創(chuàng)建了具有世界先進水平的超高壓帶電作業(yè)法。利用特別工作服,保持體內(nèi)處于平安狀態(tài)。探究:(1)超高壓輸電線四周存在強電場,人靠近輸電線時,人體會有什么現(xiàn)象發(fā)生?(2)工人帶電作業(yè)時穿著由金屬絲和棉紗織成的均壓服,有什么作用?【解析】(1)人體靠近高壓輸電線四周的強電場時,由于靜電感應,人體內(nèi)的自由電荷重新分布,瞬時間負電荷向E的反方向運動,形成了瞬時電流;(2)由金屬絲和棉紗織成的均壓服可以起到靜電屏蔽的作用,從而使人體處于靜電平衡狀態(tài)。答案:見解析在玻璃管中心軸上安裝一根直導線,玻璃管外繞有線圈,直導線的一端和線圈的一端分別跟感應圈的兩放電柱相連,起先,感應圈未接通電源,點燃蚊香,讓煙通過玻璃管冒出,當感應圈電源接通時,玻璃管中的導線和管外線圈間就會加上高電壓,馬上可以看到,不再有煙從玻璃管中冒出來了。過一會兒還可以看到管壁吸附了一層煙塵。探究:請思索一下其中的緣由?！窘馕觥课孟愕臒熤泻锌隙ǖ奶碱w粒,當玻璃管中的導線和管外線圈間加上高電壓后,玻璃管中的導線和管外線圈間的空氣被電離,碳顆粒吸附肯定的電子帶上負電荷,然后碳顆粒將向正極移動,所以可以看到,不再有煙從玻璃管中冒出來了。該方法與靜電除塵是相同的。答案:見解析課堂檢測·素養(yǎng)達標1.(2024·東營高二檢測)處于靜電平衡中的導體,內(nèi)部電場強度到處為零的緣由是()A.導體內(nèi)部無任何電場B.外電場不能進入導體內(nèi)部C.全部感應電荷在導體內(nèi)部產(chǎn)生的合電場強度為零D.外電場和全部感應電荷的電場在導體內(nèi)部疊加的結果為零【解析】選D。導體內(nèi)部電場強度到處為零是感應電荷的電場與外電場疊加的結果,故D正確?！炯庸逃柧殹?多選)如圖所示,在真空中把一絕緣導體向帶負電的小球P緩緩靠近(不相碰),下列說法中正確的是()A.M端的感應電荷越來越多B.導體內(nèi)場強越來越大C.導體的感應電荷在M點產(chǎn)生的場強大于在N點產(chǎn)生的場強D.導體的感應電荷在M、N兩點產(chǎn)生的場強相等【解析】選A、C。離得越近,導體上的電子與負電荷排斥力越大,越會向左排斥,故N端帶負電荷越多,M端帶的正電荷也越多,故A正確;導體處于靜電平衡狀態(tài),內(nèi)部場強到處為零,即感應電荷的場強和帶電小球的場強等大、反向、共線,由于帶電小球在M點產(chǎn)生的場強大,故感應電荷在M點產(chǎn)生的場強也大,故C正確,B、D錯誤。故選A、C。2.下列應用和防護與尖端放電現(xiàn)象無關的是()A.一般高壓設備中導體的表面應當盡量光滑B.一般公路表面建立得很平滑C.夜間高壓線四周會出現(xiàn)一層綠色光暈D.一般高樓大廈頂部裝有避雷針【解析】選B。公路表面建立得很平滑與靜電無關,A、C、D屬于尖端放電現(xiàn)象,故選B?！炯庸逃柧殹繛榱朔乐轨o電的危害,應盡快把產(chǎn)生的靜電導走,下面措施中不是防止靜電危害的是()A.油罐車后面裝一條拖地的鐵鏈B.電工鉗柄上套有絕緣膠套C.飛機輪上裝搭地線D.紡織車間中保持適當?shù)臐穸取窘馕觥窟xB。油罐車在運輸過程中,不斷地相互摩擦,從而產(chǎn)生大量的靜電,通過后面裝一條拖地的鐵鏈,剛好導走,這是防止靜電危害,A不符合;電工鉗柄上套有絕緣膠套,在帶電操作時,防止觸電,所以不是防止靜電危害的,B符合;飛機在飛行時,與空氣摩擦產(chǎn)生大量的靜電,所以著陸時通過飛機輪上裝搭地線,將靜電導走,這是防止靜電危害,C不符合;紡織車間中保持適當?shù)臐穸瓤梢詫a(chǎn)生的靜電剛好導走,屬于防止靜電危害,D不符合。3.(多選)(2024·撫州高二檢測)如圖,用毛皮摩擦過的帶電橡膠棒(帶負電),從右向左緩緩靠近放在光滑水平桌面上的空易拉罐。則下列針對易拉罐的有關分析正確的有 ()A.易拉罐內(nèi)部空腔各處的電場強度到處為零B.帶電橡膠棒在易拉罐內(nèi)部空腔各處產(chǎn)生的電場強度到處為零C.易拉罐右側感應出正電,左側感應負電,易拉罐將向右運動D.易拉罐左、右兩側感應出等量異種電荷,易拉罐將保持不動【解析】選A、C。易拉罐在帶電橡膠棒的電場中,出現(xiàn)靜電感應現(xiàn)象,最終處于靜電平衡狀態(tài),易拉罐內(nèi)部空腔各處的電場強度到處為零,故A正確;易拉罐處于靜電平衡狀態(tài),內(nèi)部空腔各處的電場強度到處為零,是由于帶電橡膠棒在易拉罐內(nèi)部空腔各處產(chǎn)生的電場與感應電荷產(chǎn)生的電場疊加的結果,帶電橡膠棒在易拉