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人民教育出版社2019高中物理必修第三册第九章
4.静电的防止与利用
1 静电平衡
3 静电屏蔽
课程内容
2 尖端放电
4 静电吸附
▲干燥冬天，用手接触金属时会有触电的针刺感
▲静电火花引起汽油爆炸
新闻资料
想一想 问题：生活中有哪些和静电有关的现象呢？
▲自然界的雷电
也是一种剧烈的
放电现象
想一想
问题：这些放电现象，有什么共同点吗？
人手靠近金属门把手，或者雷雨云靠近大地。此时的人体、雷雨云都是带电体，金属、大地都是导体。
复习回顾：静电感应现象
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C
A
B
能否用金属的微观结构模型来解释静电感应现象呢？
？
思考
金属的微观结构模型
我们把这些现象发生的情境抽象为：带电体靠近导体，此时会发生静电感应现象。
问题：把一个不带电的金属导体ABCD放到电场强度为E0的电场中，根据金属的微观结构模型，自由电子怎样移动呢？
E0
A C
B D
一、静电平衡
探究解惑 注重过程提高能力
A
B
C
D
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A
B
C
D
+++
一、静电平衡
▲电场力的作用下，自由电子发生定向移动。
▲自由电子的定向移动导致电子在AB端集聚，CD端正电荷“暴露”出来。
▲ AB端感应出负电荷、CD端感应出正电荷。
问题：自由电子定向移动会导致怎样的情况发生呢？
E0
E0
E0
A
B
C
D
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一、静电平衡
问题：导体内自由电子的定向移动会一直进行下去吗？两端的感应电荷会无限制增加吗？
▲导体两侧感应出的正、负电荷会在导体内部产生一个感应电场E’。
E’
E0
E0
E0
▲感应电场与外电场叠加抵消，在叠加后电场作用下，仍有自由电子发生定向移动，直到导体内部各点的电场强度E=0。
▲导体内自由电子不再发生定向移动，达到静电平衡状态。
1、静电平衡状态：导体内自由电子不再发生定向移动的状态，称之为静电平衡状态。
2、静电平衡状态下导体的特点：
内部电场强度处处为0。
一、静电平衡
我们如何从理论上进一步论证这一特点呢？
？
思考
1、静电平衡状态：导体内自由电子不再发生定向移动的状态，称之为静电平衡状态。
2、静电平衡状态下导体的特点：
内部电场强度处处为0。
一、静电平衡
1、静电平衡状态：导体内自由电子不再发生定向移动的状态，称之为静电平衡状态。
2、静电平衡状态下导体的特点：
内部电场强度处处为0。
电荷只分布在导体的外表面。
在导体外表面，越尖锐的位置电荷的密度越大，凹陷的位置几乎没有电荷。
一、静电平衡
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E
导体处于静电平衡状态时，其表面电场线能否如图所示？
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E
思考与讨论
不可能。如果电场方向与导体表面不垂直，那么就会有沿表面切线方向的场强分量，自由电荷沿切线方向的电场力就不为零，自由电荷就会定向移动，说明导体就没有达到静电平衡，所以，静电平衡时，导体表面附近的电场线一定与表面垂直。
问题：感应起电时，导体达到静电平衡状态，此时电荷分布在导体外表面，不发生定向移动，怎么会产生放电现象呢？
探究二、尖端放电
实验观察：感应起电机的放电现象
二、尖端放电
这是一台感应起电机，
手摇摇柄，两个金属小球会连续取得并积累正、负电荷
▲刚开始摇动手柄时，两个小球间没有放电火花。
▲继续摇动手柄到一定程度时，两个小球间有放电火花产生。
当金属小球电荷积累到一定程度时，才会发生放电现象。
二、尖端放电
实验观察：感应起电机的放电现象
问题：小球外表面电荷积累越多，电荷密度越大，则小球外部的电场强度越大。这样的一个强电场会造成什么结果呢？
二、尖端放电
问题：小球外表面电荷积累越多，电荷密度越大，则小球外部的电场强度越大。这样的一个强电场会造成什么结果呢？
1、空气的电离
二、尖端放电
▲导体周围的强电场使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动
▲带电粒子与气体分子碰撞使气体分子中的正负电荷分离
▲新产生的带电粒子在强电场的作用下使空气进一步电离
2、放电现象
问题：小球外表面电荷积累越多，电荷密度越大，则小球外部的电场强度越大。这样的一个强电场会造成什么结果呢？
二、尖端放电
▲电离产生的带电粒子在电场的作用下，向着与自己电荷符号相反的一端运动
▲电离产生的带电粒子与导体上的电荷中和，大量带电粒子的运动，使空气中有了电流，发出光和热并产生声音，这就是我们看到放电火花
应用：避免静电火花的危害
▲油罐车的接地铁链
▲加油站的静电释放器
想一想 我们如何避免产生静电火花呢？
我们可以采用接地的办法，把积累的电荷导入大地。
思考：如何防止雷电的危害呢？
大地
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二、尖端放电
当带电云层靠近地面上的建筑物时，
建筑物会感应与云层下端相反电性的电荷。
当电荷积聚到一定程度时，
就会产生剧烈的放电现象，即雷电。
我们无法让雷雨云接地，
那能不能想办法产生一些与带电雷雨云电性相反的电荷进行中和呢？
问题与思考：生活中许多建筑物顶端都安装了避雷针，能够有效地防止雷击的危害。它的原理是什么呢？
二、尖端放电
避雷针的形状特点。
一些尖锐的金属棒。
实验观察：
二、尖端放电
感应起电机的
一个电极与金属
针尖相连，针尖
前方放置一支蜡烛。
实验观察：
二、尖端放电
实验现象
二、尖端放电
▲烛焰被针尖“吹开”
在导体外表面，越尖锐的位置，
电荷的密度越大，周围电场强度越大。
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二、尖端放电
尖端周围电场很强
3、尖端放电
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尖端周围电场很强
空气电离
尖端上的电荷被中和
3、尖端放电
二、尖端放电
等效于
尖端释放电荷
想一想
问题：根据刚才的分析，同学们能够解释这个实验现象了吗？
▲烛焰被针尖“吹开”
原来针尖此时发生了尖端放电，
烛焰是被带电粒子运动形成的
风“吹开”的。
由此可见，尖端放电持续温和，
能够不断向空气中释放电荷，
有效避免了大量电荷的积聚。
大地
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4、应用：避雷针
二、尖端放电
于是我们就可以利用这个性质，
将尖锐的金属棒安装在建筑物的顶端，用粗导线与埋在地下的金属板连接，保持与大地的良好接触，这就构成了避雷针。当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒感应出与云层相反的电荷。通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，达到避免雷击的目的。
这便是避雷针的原理。
问题与思考：什么保护了他们？
探究三、静电屏蔽
▲超高压带电作业的工人在高压线上检修
▲用金属丝线制成的防护服
高压线周围的电场很强，人体也是导体，靠近高压线易电击，
非常危险。那么这些高压带电作业的工人们怎么全身而退的呢？
实验观察
三、静电屏蔽
一个带电金属球靠近验电器
实验现象
三、静电屏蔽
当用金属网罩把验电器罩起来时，验电器箔片始终闭合。这是为什么呢？
？
思考
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三、静电屏蔽
理论分析
同学们大致画出网罩外部的电场线、导体上感应电荷的分布及感应电场的方向。
？
做一做
三、静电屏蔽
理论分析
同学们大致画出网罩外部的电场线、导体上感应电荷的分布及感应电场的方向。
？
做一做
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金属导体壳壁W
空腔C
E=0
1、静电屏蔽现象：
处于静电平衡状态的导体，内部空间电场强度处处为0。
可以利用金属壳或金属网封闭某一区域使该区域不再受外在电场的影响。这一现象称为静电屏蔽。
三、静电屏蔽
▲屏蔽服
▲屏蔽线
▲高压线屏蔽
三、静电屏蔽
2、应用：屏蔽服、屏蔽线、高压线屏蔽
工作服就像一个金属网罩
传递信号的导线套上金属外衣
在输电线的上方还有两条导线，
它们与大地相连，形成的一个稀疏的金属“网”
探究四、静电吸附
实验观察
问题：同学们，你还能举出一些静电现象的应用实例吗？
这有一个透明圆筒，在它中心
轴上安装了一根直导线，
圆筒两侧放置金属板。
将直导线和金属板分别与
起电机的两极相连。
我们先往透明圆筒中通入油烟。
摇动起电机，
同学们注意观察实验现象。
四、静电吸附
实验观察
四、静电吸附
实验现象
▲摇动起电机前
▲摇动起电机后
圆筒中的油烟很快消失，仔细观察，
可以看到透明筒壁变得模糊
四、静电吸附
直导线B和金属板A分别与起电机的负极、正极相连，
摇动起电机，直导线B与金属板A之间会有很强的电场，
且距离直导线B越近，电场强度越大。
B附近的气体分子更容易被电离，成为正离子和电子.
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小油滴
小油滴
装置的示意图
四、静电吸附
▲电子在向着正极A运动的过程中，遇到油烟中的小油滴，会使油滴带负电
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小油滴
小油滴
四、静电吸附
▲带负电的小油滴在静电力的作用下，向着正极A运动，最后被吸附到正极A上
静电吸附的原理：带电粒子在电场中受到静电力作用向着电极运动，最后被吸附在电极上。
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四、静电吸附
应用1：静电除尘
我们利用类似的装置，在两极上加高压，便可以用来除去烟尘。这便是静电除尘。
应用2：静电喷漆
接负高压的涂料雾化器
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工件
四、静电吸附
▲用接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电，在静电力的作用下，油漆微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件的表面，这就是静电喷漆。
应用3：静电复印
四、静电吸附
▲利用有机光导体的光敏特性，让电荷排列组合成相应的文字图样，利用静电吸附吸上墨粉，再将墨粉图样转印到纸上。
总结：静电的防止与利用
静电平衡
尖端放电
静电屏蔽
静电吸附
应用
知识基础
1.长为L的导体棒原来不带电，现将一电荷量为+q的点电荷放在与棒的左端距离为R的地方，如图所示。达到静电平衡后，棒上的感应电荷在棒内中点O处产生的场强有多大？方向如何？
R
L
O
+q
达到静电平衡后导体内部处处场强为零
E感方向与E源方向相反，即指向点电荷+q
例题
探究、怎样求解感应电荷的电场强度？
思考：
为什么表演者的指尖会放出闪电，而其他部位不会放出闪电？
表演者穿的衣服为什么这么特别？有什么特殊之处？
