2.3 静电的利用与防护 课件(共61张PPT)

(共61张PPT)
第二章 静电场的应用
粤教版 必修三
第三节 静电的利用与防护
新课导入
▲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
新课导入
▲自然界的雷电也是一种剧烈的放电现象
自然界中处处都有静电，那看来处处都可能存在危险，我们如何防止静电给我们带来的危害呢？
新课导入
这些放电现象，有什么共同点吗？
带电体
带电体
导体
导体
复习回顾
- +
+
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
静电平衡
01
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
自由电子定向移动
静电平衡
01
A
B
C
D
-
-
-
A
B
C
D
+++
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。
E0
E0
E0
A
B
C
D
问题：自由电子定向移动会导致怎样的情况发生呢？
静电平衡
01
-
-
+
+
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-
+
+
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反方向的感应电场E’
E’
E0
E0
E0
感应电场与外电场叠加抵消（E=E’），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
静电平衡的特点
02
2.处于静电平衡状态下的导体，内部的场强处处为零（各点合场强）,即E内合=0，实质是E0=E’ 。
3.处于静电平衡状态下的导体，导体表面场强垂直表面
1.金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的。
（由于电荷是以光速移动，所以放入电场后马上达到静电平衡）
静电平衡状态下导体的特点：
那么，处于静电平衡状态下的导体中的电荷又是怎样分布的呢？
E内合=E0 - E’=0
4.导体为等势体，表面为等势面
关于静电平衡，下列说法中正确的是( )
A．当导体达到静电平衡时，导体上任意两点间的电势一定相等
B．当导体达到静电平衡时，其外表面附近的电场方向一定与导体的表面垂直
C．绝缘体也有静电平衡状态
D．达到静电平衡时，电荷分布在导体的外表面
ABD
导体上电荷的分布
PART 02
A
B
C
D
-
-
-
+++
E0
E0
A
B
C
D
导体上电荷的分布
导体内部没有净电荷，电荷只分布在导体的外表面
结论1：导体内部没有净电荷，电荷只分布在导体的外表面。
实验演示1：法拉第圆筒
导体上电荷的分布
结论2：在导体表面，越尖锐的位置，电荷密度（单位面积的电荷量）越大。
实验演示2：不规则带电体
导体上电荷的分布
静电平衡时导体上电荷的分布特点
【特点2】：在导体表面 , 越尖锐的位置,电荷的密度(单位面积的电荷量)越大 , 凹陷的位置几乎没有电荷。
【特点1】:静电平衡时导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面。（这里电荷指的是净电荷）
一头粗一头细的导体
导体上越尖锐的地方电荷的密度越大，周围的场强也越大
均匀球形导体
尖端放电
PART 03
新知探究
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？
实验观察
实验观察：感应起电机的放电现象
实验观察
实验观察：感应起电机的放电现象
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。
放电现象的原理
01
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？
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
强电场使空气分子中正负电荷分离的现象叫做空气的电离。
放电现象的原理
01
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？
新产生的带电粒子在强电场的作用下使空气进一步电离
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
放电现象的原理
01
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？
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。
尖端放电现象
02
空气的电离容易在导体的什么部位发生？
导体尖端的电荷密度很大，故使空气分子电离的现象更容易发生在导体的尖端。
导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异种离子与尖端的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷。这种现象叫作尖端放电。
燃气灶的点火器
尖端放电现象
02
生活应用
04
电荷积累到一定程度时，会发生放电现象。我们如何避免产生静电火花呢？
——防止电荷的积累
（接地，把积累的电荷导入大地）
▲油罐车的接地铁链
▲加油站的静电释放器
思考：
生活应用
04
问题：如何防止雷电的危害呢？
大地
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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？
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导体尖端电荷密度大
尖端周围电场强
空气中残留带电粒子剧烈运动
强电场使空气分子中正负电荷分离
带电云层与避雷针间空气成为导体
带电云层与避雷针连通形成电路
避雷针接地，将云层电荷导入大地
应用1：避雷针
生活应用
04
1.避免：尖端放电会使高压设备上电能损失，故高压设备导体的表面都是非常光滑。
2.现象：夜间高压线周围出现的绿色光晕，俗称电晕，这是一种微弱的尖端放电现象。
应用2：高压设备
生活应用
04
静电屏蔽
PART 04
静电屏蔽
01
问题与思考：什么保护了他们？
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
静电屏蔽
01
实验观察
静电屏蔽
01
实验现象
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
带电体靠近空腔导体
静电屏蔽
01
处于静电平衡状态的导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面。如果放入静电场的是一个空腔导体，电荷分布又有什么特点呢？
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+
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+
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-
金属导体壳壁W
空腔C
E=0
-
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+
-
静电屏蔽
01
2. 实质：静电屏蔽实质是利用静电感应现象，使金属壳内感应电荷的电场和外加电场矢量和为零，即所谓屏蔽作用，其实是壳内两种电场并存，矢量和为零。
1.定义：导体球壳内(或金属网罩)达到静电平衡后，内部场强处处为0，不受外部电场的影响，内部的仪器不会受到外电场的影响，这种现象叫做静电屏蔽。
罩上金属网罩
3.静电屏蔽的两种情况：
（1）导体外部的电场影响不到导体内部（外屏蔽）
导体球壳内(或金属网罩)达到静电平衡后，内部场强处处为0，不受外部电场的影响，内部的仪器不会受到外电场的影响。
罩上金属网罩
屏外不屏内
(2)接地导体的内部电场影响不到导体外部（内屏蔽）
当把导体壳接地后，＋q在壳内的电场对壳外空间就没有影响了，如图所示.
空腔接地后，内部电场对外部没有影响，这种屏蔽叫做全屏蔽。
3.静电屏蔽的两种情况：
总结：两种典型的静电屏蔽现象
①外屏蔽：如图所示，空腔导体内部电场强度处处为零。外部电场对内部仪器没有影响。
②全屏蔽：如图所示，如果空腔导体接地，即使内部有带电体存在，这时内表面感应的电荷与带电体所带的电荷的代数和为零，而外表面产生的感应电荷通过接地线流入大地。外界对壳内无法影响，内部带电体对外界的影响也随之而消除，所以这种屏蔽叫做全屏蔽。
静电屏蔽的演示
02
静电屏蔽的应用
03
（1）电学仪器和电子设备外面的金属罩，通讯电缆外面所包的一层金属皮，可以防止外电场的干扰；
静电屏蔽的应用
03
（2）电力工人高压带电作业，全身穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋，可以对人体起到静电屏蔽作业，使人安全作业。
静电屏蔽的应用
03
（3）三条输电线的上方还有两条导线，与大地相连，形成一个稀疏的金属网，把高压线屏蔽起来，免遭雷击。
一个不带电的空心金属球，在它的球心处放一个正点荷。图中的哪一个能正确表示其电场分布的情况 ( )
B
【练习4】如图所示，将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内(不与C的内壁接触)，在C附近另外有一个悬挂在细线上的带负电的小球B，则（　　）
A．A，B两球均不偏离竖直方向
B．A球不偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向
C．A球向左偏离竖直方向，B球不偏离竖直方向
D．A球向左偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向
【正确答案】B
课堂练习
【练习3】如图，放在绝缘台上不带电的金属网罩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（　　）
A．验电器C的金属箔片将张开
B．金属罩B的右侧外表面带正电荷
C．用导线连接金属罩B和验电器C的金属球，验电器金箔张开
D．金属罩B左、右两侧电荷电性相同
【正确答案】B
课堂练习
武当山位于湖北省西北部，其主峰天柱峰屹立着一座光耀百里的金殿，全部为铜铸鎏金。
雷雨交加时，金殿的屋顶常会出现盆大的火球，来回滚动。雨过天晴时，大殿金光灿灿，像被重新炼洗过一般，这就是人们所说的“雷火炼殿”奇观。
科学漫步
05
思考与讨论
静电虽然有危害，但也可以利用。你知道的应用有哪些呢？
静电吸附
PART 05
静电吸附
01
静电吸附
01
实验现象
▲摇动起电机前
▲摇动起电机后
静电吸附
01
▲B附近的空气中气体分子被电离
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小油滴
小油滴
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小油滴
小油滴
▲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
静电吸附
01
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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▲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
静电除尘
01
应用1：静电除尘
接负高压的涂料雾化器
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工件
▲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。
静电喷漆
02
应用2：静电喷漆
▲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。
静电复印
03
应用3：静电复印
课堂总结
【练习3】如图，放在绝缘台上不带电的金属网罩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（　　）
A．验电器C的金属箔片将张开
B．金属罩B的右侧外表面带正电荷
C．用导线连接金属罩B和验电器C的金属球，验电器金箔张开
D．金属罩B左、右两侧电荷电性相同
【正确答案】B
课堂练习
【练习4】如图所示，将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内(不与C的内壁接触)，在C附近另外有一个悬挂在细线上的带负电的小球B，则（　　）
A．A，B两球均不偏离竖直方向
B．A球不偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向
C．A球向左偏离竖直方向，B球不偏离竖直方向
D．A球向左偏离竖直方向，B球向右偏离竖直方向
【正确答案】B
课堂练习
【练习1】（2022·江苏·南京师大附中高一期末）下图是一种新颖的“静电”绝缘纤维布制成的预防新型冠状病毒肺炎口罩面料构成示意图。其中熔喷层经驻极工艺，表面带有电荷，它能阻隔几微米的病毒，这种静电的阻隔作用属于（　　）
A．静电感应 B．摩擦起电
C．静电吸附 D．静电屏蔽
【正确答案】C
课堂练习
【练习2】（2022·江苏苏州·高一期中）国家电网检修人员利用直升机直接或通过绝缘绳索等间接方式将作业人员运载至线路故障位置开展带电检修。请用学过的电学知识判断下列说法正确的是（　　）
A．电工被铜丝纺织的衣服所包裹，使体内电场强度保持为零，对人体起保护作用
B．直升飞机内存在很强的电场
C．小鸟停在单根高压输电线上会被电死
D．铜丝必须达到一定的厚度，才能对人体起到保护作用
【正确答案】A
课堂练习
【练习5】（2022·江苏·海门中学高一期中）在一次科学晚会上，小陶老师表演了一个“魔术”：如图甲，一个空塑料瓶中固定着一根细金属条（钢锯条）和一块易拉罐（金属）片，将金属片和钢锯条分别与静电起电机正负极相连。在塑料瓶里放一盘点燃的蚊香，很快就看到整个塑料瓶里烟雾缭绕。摇动起电机，顿时塑料瓶清澈透明，停止摇动，又是烟雾缭绕，图乙为其俯视图。已知金属片是半径为R的圆弧，金属条恰好位于其圆心，两者的高度均为h。若匀速摇动起电机时，两极间的电压恒为U，则（　　）
A．未摇动起电机时，烟尘在金属片与金属锯条之间下落的最大时间为
B．匀速摇动起电机时，金属片与金属锯条之间的电场强度为
C．室内空气湿度越大，实验效果越好
D．烟尘最终被吸附到金属片上
【正确答案】D
课堂练习