9.4　静电的防止与利用 导学案 （含解析）2024-2025学年高一物理人教版（2019）必修第三册

9.4　静电的防止与利用
1. 知道静电感应产生的原因，理解什么是静电平衡状态．
2. 理解导体达到静电平衡时，净电荷只分布在导体表面且内部的电场强度处处为0.
3. 知道导体达到静电平衡时，导体上的电荷分布特点及尖端放电原理；知道静电屏蔽现象，关注生活、生产中的静电现象．
1. 在无外电场的情况下，不带电的金属导体中的自由电子是怎样运动的？
2. 如图所示，将一不带电的金属导体置于场强为E0的电场中．
(1) 自由电子受力如何？电子将聚集于何处？试在图甲中标出导体AB、CD两侧面的电性．
甲　　　　　　　　 乙
(2) 由于电子的堆积，导体内部将会产生一附加电场E，在图乙中标出E的方向．
(3) 由于导体内原电场E0与附加电场E叠加，使得导体内电场逐渐减弱，最终导体内部场强如何？
(4) 什么是静电平衡状态？处于静电平衡状态的导体，有什么特征？
3. 如图所示，长为l的导体棒不带电，现将一电荷量为＋q的点电荷置于棒左端R处，当导体棒达到静电平衡时：
(1) ＋q在导体棒中点P处产生的场强是多大？方向如何？
(2) 导体棒中点P处的合场强是多大？
(3) 棒上感应电荷在棒内中点P处产生的场强是多大？方向如何？
如图所示，静电利用与防护是生活中常见的现象．
1. 尖端放电
阅读教材“尖端放电”部分，完成下列问题：
如图所示是闪电击中一高塔的画面，高塔的尖顶是一避雷针，雷雨天气时，底端带负电的云层经过避雷针上方时，避雷针尖端放电形成瞬间强电流，乌云所带的负电荷经避雷针导入大地，在此过程中，下列说法正确的是(　　)
A. 云层靠近避雷针时，针尖感应出负电荷
B. 避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施
C. 越靠近避雷针尖端，电场强度越小
D. 为了美观，通常把避雷针顶端设计成球形
2. 静电屏蔽
(1) 如图所示，导体达到静电平衡状态时，内部场强是多大？若挖去导体内部的虚线部分，则虚线内部的场强是多大？外部电场对导体内部有无影响？
(2) 如图所示，用金属网把不带电的验电器罩起来，再使带正电的金属球靠近金属网，则(　　)
A. 箔片先张开后闭合
B. 金属网罩内部电场强度的方向与带电金属球产生的电场反向
C. 若移去金属网，带电金属球靠近验电器的金属球A，箔片不张开
D. 若移去金属网，带电金属球靠近验电器的金属球A，A将带负电
(3)如图所示为野外高压输电线路．在三条输电线上方还有两条导线，它们与大地相连，形成一个稀疏的金属“网”，其作用使高压线(　　)
A. 除尘
B. 屏蔽
C. 周围空气出现电晕
D. 周围空气发生电离
3. 阅读教材“静电吸附”部分，完成下列问题：
(1) 如图所示是静电除尘原理示意图，A为金属管、B为金属丝、在A、B之间加上直流高压电，使B附近的空气分子被强电场电离为电子和正离子，电子在向A极运动过程中被烟气中的煤粉俘获，使煤粉带负电，最终被吸附到A极上，排出的烟就比较清洁了．有关静电除尘的装置，下列说法中正确的是(　　)
①金属管A应接高压电的正极，金属丝B接负极；②金属管A应接高压电的负极，金属丝B接正极；③C为烟气的进气口，D为排气口；④D为烟气的进气口，C为排气口．
A. ①③ B. ②④
C. ①④ D. ②③
(2) 静电喷漆利用了静电现象，其喷涂原理如图所示，以下说法正确的是(　　)
A. 在喷枪喷嘴与被喷涂工件之间不存在电场
B. 涂料微粒一定带负电
C. 涂料微粒一定带正电
D. 涂料微粒可能带正电，也可能带负电
(3) 静电复印是静电现象的一种应用．其中心部件是一个硒鼓，硒在没有光照射时是很好的绝缘体，受到光照后会立刻变为导体．工作时，先将硒鼓接地，并充电使其表面带上正电荷，然后通过光学系统的工作，将原稿上的字迹投影在硒鼓表面，如图所示，硒鼓上字迹的静电潜像是没有光照射到的地方，即原稿字迹的影，则硒鼓表面的带电情况是(　　)
A. 静电潜像部分将保持正电荷，其余部分正电荷被导走
B. 静电潜像部分将出现负电荷，其余部分正电荷被导走
C. 静电潜像部分正电荷被导走，其余部分将保持正电荷
D. 静电潜像部分负电荷被导走，其余部分将保持正电荷
1. 口罩中间层的熔喷布是一种用绝缘材料做成的带有静电的超细纤维布，它能阻隔几微米的病毒，这种静电的阻隔作用属于(　　)
A. 静电屏蔽　 B. 尖端放电
C. 静电感应和静电屏蔽　 D. 静电感应和静电吸附
2. 下列措施中不是防止静电危害的是(　　)
A. 油罐车后面装有一条拖地的铁链　　 B. 电工钳柄上套有绝缘胶套
C. 飞机轮上装搭地线　　 D. 印刷车间中保持适当的湿度
3. 静电虽然会有危害，但也可以利用．在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上，这种利用静电的方式叫静电吸附．下列不属于静电吸附的是 (　　)
A. 尖端放电 B. 静电复印 C. 静电除尘 D. 静电喷漆
4. 以下各种现象中不属于静电屏蔽的是(　　)
甲　　　　　 乙　　　　　丙　　　　 　丁
A. 图甲：避雷针
B. 图乙：超高压带电作业的工人要穿戴金属织物的工作服
C. 图丙：电子设备外套金属网罩
D. 图丁：野外高压输电线上方有两条与大地相连的导线
5. 小明在暑假旅游坐飞机时发现飞机尾翼尖端处有些很细的针，如图所示．这些细针的功能最有可能的是(　　)
A. 扰乱空气流
B. 发射与地面飞机场联系的电磁波
C. 预防雷电击中高空飞行的飞机
D. 释放飞机高速飞行与空气摩擦时产生的静电
6. 如图所示，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
7. 如图所示，金属球固定在绝缘支架上，放在带负电荷的金属棒附近，达到静电平衡后，下面说法正确的是(　　)
A. 金属球带正电
B. 金属球带负电
C. 金属球内部场强处处为零
D. 金属球表面场强处处为零
8. 如图甲所示是某同学设计的一实验装置，两端开口的空塑料瓶中固定着一根钢锯条和一块金属片，图乙为塑料瓶俯视图．将钢锯条和金属片分别跟静电起电机的两极相连．将点燃的蚊香放入塑料瓶内，很快就看见塑料瓶内烟雾缭绕．摇动起电机，顿时塑料瓶清澈透明，停止摇动，又是烟雾缭绕．当起电机摇动时，下列说法不正确的是(　　)
甲 乙
A. 该实验装置演示的是静电除尘现象
B. 锯条附近的电场是匀强电场
C. 钢锯条附近电场强度大
D. 电场力对带负电的烟尘做正功
9. 如图所示，导体棒原来不带电，现将一电荷量为q的正点电荷放在棒的中心轴线上距离棒的左端R处，A、B为棒上中心轴线上的两点，A距离棒左端为L，A、B间的距离也为L，静电力常量为k.当棒达到静电平衡后(　　)
A. 棒左端感应出正电荷，右端感应出负电荷
B. A点场强大于B点的场强
C. A点场强小于B点的场强
D. 棒上感应电荷在A点产生的场强大小为
10. 一金属球，原来不带电，现在沿球直径的延长线上放置一根均匀带电的细杆MN，如图所示．金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的场强大小分别为Ea、Eb、Ec，三者相比，则(　　)
A. Ea最大　 B. Eb最大
C. Ec最大　 D. Ea＝Eb＝Ec
第4节　静电的防止与利用
【活动方案】
活动一：
1. 金属导体中的自由电子做无规则的热运动．
2. (1) 自由电子受库仑力作用方向向左；电子将聚集于导体的左侧；AB、CD两侧面的电性如答图甲所示．
(2) E的方向如答图乙所示．
(3) 由于导体内原电场E0与附加电场E叠加，使得导体内电场逐渐减弱，但是只要导体内部的电场不为0，自由电子就会继续做定向移动，导体两侧面的正负电荷就会继续增加，导体内部的电场就会进一步削弱，直到导体内部各点的合电场等于0为止．于是导体内的自由电子不再发生定向移动，导体达到静电平衡状态．
(4) 自由电子不再发生定向移动．导体内部的电场强度处处为0.
3. (1) 根据库仑定律F＝k，结合E＝，可得E＝k＝，方向为中点与＋q的连线背离＋q.
(2) 水平导体棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在中点P处产生的场强大小与点电荷＋q在该处产生的电场强度大小相等，方向相反，即棒内中点处的合场强大小为零．
(3) 因水平导体棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在中点P处产生的场强大小与点电荷＋q在该处产生的电场强度大小相等，方向相反．则棒上感应电荷在棒内中点产生的场强大小为E＝k，方向为中点与＋q的连线且指向＋q.
活动二：
1. B　根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，可知云层靠近避雷针时，针尖感应出正电荷，A错误；避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施，不能把避雷针顶端设计成球形，B正确，D错误；由于电荷更容易集中到尖端，从而避雷针尖端附近的电场强度比避雷针底端附近的电场强度大，C错误．
2. (1) 导体达到静电平衡状态时，内部场强为0；若挖去导体内部的虚线部分，则虚线内部的场强处处为0；外部电场对导体内部没有影响．
(2) D　验电器被金属网罩起来，处于静电屏蔽状态，电荷分布在外表面，故箔片不张开，且处于静电屏蔽的导体内部场强处处为0，A、B错误；若移去金属网，带电金属球靠近验电器的金属球A，由静电感应可知，金属球A带负电，且箔片带正电张开，C错误，D正确．
(3)B　高压输电铁塔最上面的两条导线把高压线屏蔽起来，属于静电屏蔽，B正确．
3. (1) A　金属管接通静电高压时，管内存在强电场，它使空气电离而产生电子和正离子，电子在电场力的作用下，向正极移动时，碰到烟气微粒使它带负电，带负电的煤粉在电场力的作用下被吸附到A极上，故A接高压电源的正极，金属丝B接负极；虽然烟气中含有固体小微粒，但是烟气的密度比空气小，所以烟气在空气中是向上飘的，所以C为烟气的进气口，D为排气口，故A正确．
(2) B　根据原理图可知，工件带正电，喷枪喷嘴带负电，在工件与喷枪喷嘴间形成了强电场，A错误；为了达到喷涂的效果，微粒受到向左的电场力而向左运动，由于工件带正电，喷枪喷嘴带负电，电场方向整体向右，微粒所受电场力方向与电场方向相反，因此涂料微粒一定带负电，B正确，C、D错误．
(3) A　由题意可知，当硒鼓充电以后，经过光照处理，照光的部分电荷就会被中和，而文字、图像等遮光的地方，电荷不会被中和，故A正确．
【检测反馈】
1. D　由题意知，口罩中间层的熔喷布是一种用绝缘材料做成的带有静电的超细纤维布，所以当几微米的病毒靠近时，由于静电感应而带电，从而被熔喷布吸附，无法透过，因此可以吸附以气溶胶形式存在的病毒，其工作原理是利用了静电感应和静电吸附，故D正确．
2. B　油罐车在运输过程中，不断地相互摩擦从而产生大量的静电，通过后面装有一条拖地的铁链，及时把静电导走，是防止静电危害；电工钳柄上套有绝缘胶套，是带电操作时防止触电，不是防止静电危害；飞机在飞行过程中，与空气摩擦产生大量静电，因此着地时，通过轮上装搭的地线，将静电导走，是防止静电危害；印刷车间中，纸张摩擦产生静电，由于空气保持适当的湿度，所以能及时把静电放掉，是防止静电危害．因此不是防止静电危害的是B.故B正确．
3. A　静电复印、静电除尘和静电喷漆都属于静电吸附，尖端放电不属于静电吸附，生活中利用尖端放电的设施是避雷针，故A正确．
4. A　当带电云层靠近建筑物时，避雷针上产生的感应电荷会通过针尖放电，逐渐中和云中的电荷，使建筑物免遭雷击，其原理为尖端放电，故A不属于静电屏蔽；超高压带电作业的工人要穿戴金属织物的工作服可以起到静电屏蔽的作用，故B属于静电屏蔽；电子设备外套金属网罩可以起到静电屏蔽的作用，故C属于静电屏蔽；高压输电线的上方还有两条导线，这两条导线的作用是它们与大地相连，形成稀疏的金属“网”把高压线屏蔽起来，免遭雷击，故D属于静电屏蔽．故选A.
5. D　飞机高速飞行时与空气摩擦产生静电，电荷在越尖锐的地方分布越多，可以通过尖端放电将静电释放出去，D正确．
6. B　由于金属网罩的静电屏蔽作用，B的内表面不带电，金属网罩表面的自由电子重新分布，根据“近异远同”的结论，B的右侧外表面带正电荷，B的左侧外表面带负电荷，故B正确，D错误；由于金属网罩的静电屏蔽作用，B的内部电场强度处处为零，故验电器的金箔不张开，故A错误；用导线连接金属罩B和验电器C的金属球，金属罩内的场强仍为零，即验电器金箔不会张开，C错误．
7. C　由于静电感应，金属球表面左侧带正电，右侧带负电，总电荷量为零，A、B错误；达到静电平衡的导体，内部场强处处为零，则金属球内部场强处处为零，但金属球表面场强不为零，C正确，D错误．
8. B　将钢锯条和金属片分别跟静电起电机的两极相连，摇动起电机，使锯条带负电，金属片带正电，它们之间的空气被电离，电子在往金属片运动的过程中，遇到烟尘，使烟尘带负电，最终烟尘被吸附到金属片上，最后在重力的作用下，聚集在金属片底端的瓶子底部，所以该实验装置演示的是静电除尘现象，故A正确；根据尖端放电知识可知锯齿状的钢锯条附近的电场更强一些，所以锯条附近的电场不是匀强电场，故B错误，C正确；烟尘带负电，电场力对带负电的烟尘做正功，使得烟尘聚集到金属片上，故D正确．故选B.
9. D　由于q为正电荷，根据静电感应规律可知棒左端感应负电荷，右端感应正电荷，A错误；处于静电平衡的导体内部场强处处为零，A、B两点的场强都是零，B、C错误；静电平衡时A点的合场强为零，因此感应电荷在A点的场强与点电荷q在A点的场强等值反向，得棒上感应电荷在A点产生的场强大小E＝，D正确．
10. C　金属球上感应电荷产生的附加电场与带电的细杆MN产生的场强大小相等，方向相反，相互抵消．c点离带电的细杆MN最近，带电的细杆MN在c点处产生的场强最大，则金属球上感应电荷在c点处产生的场强最大；而a点离带电杆最远，则金属球上感应电荷在a点处产生的场强最小，所以Ec>Eb>Ea.故C正确．