9.4静电的防止与利用 课件高二上学期物理人教版（2019）必修第三册（35张PPT）

(共35张PPT)
第九章 静电场及其应用
第4节 静电的防止与利用
思考并回答问题。
思考1：.静电平衡时，导体的外表面电荷分布与导体表面的曲率半径有什么关系？
[答案] 导体表面越尖锐，曲率半径越小，电荷的密度越大，周围的电场强度越大。
思考2：.超高压带电作业的工人穿戴的工作服，为什么要用包含金属丝的织物制成？
[答案] 因为包含金属丝的织物能起到静电屏蔽的作用。
正确的打“√”，错误的打“×”。
（1） 处于静电平衡状态的导体，电荷只分布在导体外表面。 ( )
√
（2） 静电平衡时，导体内的自由电子仍然定向移动。 ( )
×
（3） 飞机轮上装有拖地线，油罐车后面拖条铁链都是为了把静电导入大地。 ( )
√
（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） 实现静电屏蔽一定要密闭的金属容器。 ( )
×
任务1 静电平衡及其特征
情境引入
阅读课本中“静电平衡”部分的内容，参看下图回答下列问题。
问题引领
1.如图1所示，为什么金属导体在电场 中会有电荷定向移动？把绝缘体放入电场 中也会有电荷定向移动吗？
[答案] 因为金属导体内有可以自由移动的电子，这些自由电子在电场 中受到静电力的作用发生定向移动。虽然绝缘材料内部也有电荷，但不能自由移动，所以把绝缘体放入电场 中，电荷虽然也受到静电力作用，却不会定向移动。
2.如图2所示，当导体 的两面分别聚集正负电荷时，会出现什么结果？
[答案] 当导体 的两面分别聚集正负电荷时，在导体内部就会产生与 方向相反的电场 ，如图2中的虚线所示，这两个电场叠加，使导体内部电场强度减弱。
3.如图3所示，为什么处于静电平衡状态的导体内部电场处处为零？导体内自由电子是否会一直定向移动？
[答案] 只要导体内部的电场强度不为零，自由电子就会继续定向移动，导体 两面的正负电荷就会继续增加，使电场 增强，直到导体内各点的合电场强度为零时，导体内自由电子才不再定向移动，这就是所谓的“静电平衡状态”。
知识生成
1.静电感应现象：处于电场中的导体，由于电场力的作用，电荷出现①___________的现象。
重新分布
2.静电平衡状态：处于电场中的导体中（包括表面上）没有②_______________的状态。
电荷定向移动
3.处于静电平衡的导体内部电场强度③___________，指的是外加电场和内部电场的效果相互抵消，其合电场强度④_______。
处处为零
为零
应用探究
[活动1]问题讨论
（1） 处于静电平衡状态下的导体，感应电荷的电场与外加电场的电场强度有何关系？
[答案] 等大反向。
（2） 一个带电粒子在处于静电平衡状态的导体内部，带电粒子受电场力作用吗？
[答案] 不受电场力作用。
[活动2]对静电平衡的理解
例1 如图所示，长为 的金属杆原来不带电，在距其左端 处放一个电荷量为 的点电荷。 为金属杆的中点。静电力常量为 ，求：
（1） 点的电场强度。
[答案] 0
[解析] 金属杆处于静电平衡状态时内部电场强度处处为0，故 点的电场强度为0。
（2） 金属杆上的感应电荷在 点产生的电场强度。
[答案] ，方向向左
[解析] 点电荷产生的电场在 点的电场强度 ，

与 方向相反， 的方向向左。
分析问题.（1）点电荷在 点产生的电场的电场强度为多大？
（2） 点的合电场强度为多大？
[答案] （1） 。（2）为零。
求处于静电平衡状态的导体中的感应电荷产生的电场的电场强度的方法
（1）确定外电场的电场强度 的大小和方向。
（2）由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡的条件 。
（3）由 ，求出感应电场的电场强度 的大小和方向。
任务2 为什么会尖端放电
情境引入
法国旅行家卡勃里欧别·戴马甘兰1688年所著的《中国新事》一书中记有：中国屋脊两头，都有一个仰起的龙头，龙口吐出曲折的金属舌头，伸向天空，舌根连接一根细的铁丝，直通地下。在发生雷电的时刻，金属舌头就大显神通，若雷电击中了屋宇，电流就会从龙舌沿细铁丝行至地底，避免雷电击毁建筑物。阅读课本中“尖端放电”部分的内容，回答下列问题。
问题引领
1.静电平衡时，导体电荷分布有什么特征？
[答案] 静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面，并且在导体外表面越尖锐的位置，电荷的密度越大，周围的电场强度越大。
2.为什么导体尖端附近的空气容易发生电离？
[答案] 由于导体的尖端电荷密度很大，附近电场强度很强，附近空气中残留的离子发生剧烈运动，把空气分子“撞散”，所以导体尖端附近的空气更容易发生电离。
3.“尖端放电”是不是导体尖端的电荷跑到空气中去了？
[答案] “尖端放电”并不是导体尖端的电荷跑到空气中去了，而是空气电离产生的与导体尖端符号相反的电荷奔向尖端，与尖端的电荷中和了。
知识生成
1.静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的⑤_________，并且在导体外表面越⑥_______的位置，电荷的密度越大。
外表面
尖锐
2.电离：导体尖端的电荷密度⑦_______，附近的电场强度⑧_______，空气中的带电粒子剧烈运动，使空气分子被撞“散”而使正、负电荷⑨_______的现象。
很大
很强
分离
3.尖端放电：导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异号离子与尖端的电荷⑩_______，相当于导体从尖端失去电荷的现象。
中和
4.尖端放电的应用、防止。
（1） 应用： _________是利用尖端放电避免雷击的一种设施。
避雷针
（2） 防止：高压设备中导体的表面尽量 _______，减少电能的损失。
光滑
应用探究
[活动]解释原因：
在燃气灶和燃气热水器中，常常安装电子点火器，接通电子线路时产生高电压，通过高压放电的电火花来点燃气体。点火器的放电电极是钉尖形，这是为什么？与此相反，验电器的金属杆上端却固定一个金属球而不做成针尖状，这又是为什么？
[答案] 点火器的放电电极是钉尖形，就是利用了尖端放电，而验电器的金属杆上端却固定一个金属球，是为了防止放电。
任务3 如何实现静电屏蔽
情境引入
实验演示：静电屏蔽。使带电的金属球靠近验电器，但不接触，箔片是否张开？解释看到的现象。用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，如图1所示。观察箔片是否张开。阅读课本中的相关内容，回答下列问题。
问题引领
1.进行如图2、3所示的实验，在绝缘金属球 与带电验电器 的空心金属筒 外表面接触后再接触不带电验电器 ，发现了什么现象？在绝缘金属球 与带电验电器 的空心金属筒 内表面接触后再接触不带电验电器 ，又发现了什么现象？从中可以得出什么结论？
[答案] 绝缘金属球 与带电验电器 的空心金属筒 外表面接触后再接触不带电验电器 ， 的箔片张开；绝缘金属球 与带电验电器 的空心金属筒 内表面接触后再接触验电器 ， 的箔片不张开。由此可以看出电荷只分布在空心金属筒外表面，其内表面没有净电荷分布。
2.静电屏蔽利用了导体的什么性质？实现静电屏蔽是不是一定要用密封的空心金属？
[答案] 静电屏蔽利用了处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为零的性质，实现静电屏蔽不一定要用密封的空心金属，金属网也能起到静电屏蔽的作用。
知识生成
1.静电屏蔽：把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，但由于壳内电场强度 __________，外电场对壳内的仪器 _______产生影响。金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。
保持为0
不会
2.静电屏蔽的应用
（1）电学仪器和电子设备外面会有金属罩，通讯电缆外面包一层铅皮，可以防止外电场的干扰。
（2）电工高压带电作业时，穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋子，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全作业。
应用探究
[活动]空腔导体接地屏蔽内部电场
例2 （多选）在一个不带电的金属球壳的球心处放一个带正电的点电荷，下列关于其电场线分布的图像正确的有( @38@ )。
A. B. C. D.
AD
[解析] 处于静电平衡状态的金属壳层中电场强度为零，C项错误；球内部空间有辐射状电场，B项错误；球壳没有接地时，内表面感应出负电荷，外表面感应出等量正电荷，D项正确；球壳接地时，外表面没有电荷，A项正确。
分析问题.（1）静电屏蔽的实质是什么？
（2）如果将某带电体放在金属壳，该金属壳能屏蔽带电体产生的电场吗？
[答案] （1）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的矢量和为零，好像是金属壳将外电场“挡”在外面，即所谓的屏蔽作用。（2）不能。带电体放在金属壳内，要屏蔽带电体产生的电场，必须把金属壳接地。
静电屏蔽的两种情况
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
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
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
续表
任务4 静电吸附及其应用
情境引入
实验演示：如图所示，把铝板与手摇起电机的正极相连，一枚细针与手摇起电机的负极相连，在铝板和细针中间放置点燃的蚊香。转动手摇起电机时，可以看到蚊香放出的烟雾会被电极吸附，停止转动手摇起电机时，可以发现蚊香的烟雾又会袅袅上升。
问题引领
1.请简单介绍静电除尘的原理。
[答案] 设法使空气中的尘埃带电，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来，这就是静电除尘。
2.请举例说明静电的危害和静电的应用。
[答案] 危害，医院手术台上，静电火花有可能引起麻醉剂爆炸；煤矿里，静电火花会引起瓦斯爆炸。应用，静电除尘、静电喷漆、静电复印等。
知识生成
静电吸附：带电粒子在电场中受到静电力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上。
应用：静电除尘、静电喷漆、静电复印等。
应用探究
[活动]简述静电复印原理
复印机也应用了静电吸附。复印机的核心部件是有机光导体鼓，它是一个金属圆柱，表面涂覆有机光导体 。没有光照时， 是绝缘体，受到光照时变成导体。复印机复印的工作流程图如图所示。请根据流程图简述复印机的工作原理。
[答案] 复印前先对导体鼓充电，使其表面充满正电荷，即“充电”；然后将图文资料成像照在导体鼓上，受到光照的地方变成导体，电荷被释放，没有光照的地方仍然有电荷，形成与图文资料对应的“潜像”，即“曝光”；让碳粉盒中的碳粉带负电，导体鼓上的“潜像”经过碳粉盒时，便会吸附带负电的碳粉，即“显影”；纸张进入机器，在高温下，碳粉就会固定在纸上，即“转印”；最后除去静电，导体鼓恢复初始状态，即“放电”。
1.（任务1）在带电荷量为 的点电荷形成的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆盘与点电荷在同一平面内，则盘上感应电荷在盘中 点所激发的附加电场的电场强度 的方向是下列图中的( @44@ )。
A. B. C. D.
A
[解析] 感应电荷在盘中 点激发的附加电场的电场强度 应与 在 点产生的电场的电场强度等大反向，A项正确。
2.（任务2）某模拟避雷针作用的实验装置如图所示，金属板 、 间有两个等高的金属体 、 ， 为尖头、 为圆头。将金属板 、 接在高压电源上，逐渐升高电源电压，首先观察到( @46@ )。
A. 放电 B. 放电 C. 、 一起放电 D. 、 之间放电
A
[解析] 为尖头、 为圆头。当金属板 、 接在高压电源上时，因末端越尖越容易放电，故A金属体容易放电，A项正确。
3.（任务3）（多选）如图所示，原来不带电的金属球壳内壁接地，将一带正电的小球放入其中，但不与球壳接触，则 ( @48@ )。
A.球壳内壁带负电
B.球壳外壁带正电
C.球壳外壁不带电
D.若将接地线去掉再移去带正电的小球，球壳外壁带负电
ACD
[解析] 由静电屏蔽知识可得，未接地前电场线分布特点如图，无论是内壳接地还是外壳接地，都是大地中的电子受电场力作用逆着电场线与外壳上的正电荷中和，使外壳不带电， 、 两项正确，B项错误；若将接地线去掉再移去带正电的小球，则剩余负电荷都分布在外表面，D项正确。
4.（任务4）（多选）静电喷涂机原理如图所示，静电喷涂机接高压电源，工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动，微粒最后被吸到工件表面。关于静电喷涂机的涂料微粒，下列表述正确的是( @50@ )。
A.微粒带正电 B.微粒带负电
C.微粒因受库仑力作用向工件运动 D.微粒因受重力作用向工件运动
BC
[解析] 静电喷涂机接高压电源的负极，所以喷出的涂料微粒带负电，A项错误，B项正确；由于工件带正电，对周围的带负电的涂料微粒产生静电力，带负电的涂料微粒在库仑力的作用下向工件运动，C项正确， 项错误。