4 静电的防止与利用
[定位·学习目标] 1.能用原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象,能分析生产生活中的静电现象,有关于静电的利用与防护的实际行动,具有与之相关的相互作用观念和物质观念。2.能在熟悉情境中运用电场线等模型分析静电问题;能用与静电力、电场强度相关的证据解释常见的静电现象;提高科学思维能力。3.能通过验电器、静电计等探索静电现象,能撰写与静电现象相关的小论文,能陈述并交流相关内容,提高科学探究能力。4.能对公众利用和防止静电的一些行为发表自己的观点,能坚持实事求是,在合作中既能坚持观点又能纠正错误,有进行科学普及的兴趣和责任感。
知识点一 静电平衡
探究新知
1.静电平衡状态:把一个不带电的金属导体放到电场强度为E0的电场中。由于静电感应,导体两侧的感应电荷产生的电场E′与原电场E0叠加,使导体内部的电场减弱,直到导体内部各点的电场强度 E=0,导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。
2.平衡状态特征:内部的电场强度处处为0。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)处于静电平衡状态的导体内部电荷不再运动。( × )
(2)处于静电平衡状态下的导体外表面的电场强度处处为零。( × )
(3)电场中的导体之所以能达到静电平衡状态,是由于其内部有大量的自由电子。( √ )
知识点二 尖端放电
探究新知
1.带电导体上电荷分布特点
(1)导体内部没有净电荷,电荷只分布在导体的外表面。
(2)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.电离:当导体尖端周围的强电场足以使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动,并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷分离的现象。
3.尖端放电:导体尖端的电荷在其周围形成的强电场使空气电离,形成的带电粒子又加速、撞击,产生更多的带电粒子。那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子,由于被吸引而奔向尖端,与尖端上的电荷中和,相当于导体从尖端失去电荷的现象。
4.避雷针: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的装置。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)导体尖端放电是因为该处电荷较多,电荷间静电斥力造成的。( × )
(2)避雷针避雷的原理是尖端放电能将云层中的电荷中和。( √ )
(3)为了美观,通常把避雷针顶端设计成球形。( × )
(4)为了避免因尖端放电而损失电能,高压输电导线表面要尽量光滑。( √ )
知识点三 静电屏蔽 静电吸附
探究新知
1.静电屏蔽
(1)定义:静电平衡时,导体壳壁内的电场强度为0,电场线只能在空腔之外,不能进入空腔之内,外电场对壳内不会产生影响。这种作用叫作静电屏蔽。
(2)应用。
电学仪器放在封闭的金属壳里不受外电场影响;高压输电线上方与大地相连的两条导线能把高压线屏蔽起来,使其免遭雷击。
2.静电吸附及应用:在电场中,带电粒子受到静电力的作用,向着电极运动,最后被吸附在电极上的现象。静电吸附的应用有静电除尘、静电喷漆、静电复印等。
新知检测
把手机放在不锈钢快餐盒中并用盖子盖住,手机还能接通吗 如果放在塑料饭盒中呢 试一试并解释其中的原因。
提示:手机放在不锈钢快餐盒中不能接通,放在塑料饭盒中能够接通。这是因为不锈钢快餐盒能够形成静电屏蔽,手机无法接收到外界的电磁信号,所以不能接通。
要点一 静电平衡的理解
情境探究
如图所示,不带电的金属导体放到电场中,导体内的自由电子将发生定向移动,使导体两端出现等量异种电荷。请思考下列问题:
(1)自由电子定向移动的原因是什么 定向移动的方向如何
(2)自由电子能否一直定向移动 为什么
【答案】 (1)自由电子受外加电场的静电力作用而移动,向着与外加电场相反的方向定向移动。
(2)不能。感应电荷产生的电场与外加电场反向,阻碍电子的定向移动,当这两个电场大小相等时,电子的定向移动终止。
要点归纳
1.静电平衡是自由电子发生定向移动的结果,达到静电平衡时,自由电子不再发生定向移动。
2.金属导体建立静电平衡的时间非常短暂。
3.电场线不会进入达到静电平衡状态的导体内部,而在导体外表面一定与外表面垂直。
4.带电导体的净电荷都分布在导体的外表面,导体内部没有净电荷。
典例研习
[例1] (对静电平衡的理解)如图所示显示了在电场强度为E0的匀强电场的情况下,放入的导体板中静电平衡的建立过程。下列说法正确的是( )
[A]图甲、图乙显示导体内部只有自由电子在静电力作用下运动,说明带正电的离子不受静电力作用
[B]图丙中,导体内部没有了自由电子
[C]图丙中,外部电场不能进入导体内部
[D]图丙中,导体AB表面和CD表面的感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场,电场强度大小为E0
【答案】 D
【解析】 题图甲、乙显示了导体内部自由电子在静电力作用下向左运动的情况,而带正电的离子同样会受到静电力的作用,只是不会发生移动,故A错误;题图丙中导体内部一定有自由电子,但自由电子不再做定向移动,故B错误;导体内部电场强度处处为零是感应电荷的电场与匀强电场叠加的结果,则感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场强度大小为E0的电场,感应电场和原电场依然存在,故D正确,C错误。
[例2] (利用静电平衡求电场强度)如图所示,在真空中有两个点电荷A和B,电荷量分别为-Q和+2Q,它们相距L,如果在两点电荷连线的中点O有一个半径为r(2r(1)-Q在O点产生的电场强度的大小与方向;
(2)球壳上的感应电荷在O点处产生的电场强度的大小与方向。
【答案】 (1) 方向向左 (2) 方向向右
【解析】 (1)根据点电荷电场强度公式E=,-Q 在O点产生的电场强度的大小为
E=k=k,其方向向左。
(2)根据电场强度的叠加原理,可知点电荷A、B在O点处产生的电场的电场强度大小为
EO=k+k=,方向向左,
根据导体处于静电平衡的特点,则球壳上的感应电荷在O点处的电场强度大小为
E′=EO=,方向向右。
求导体静电平衡状态时
感应电荷电场强度的方法
(1)先确定或求外电场的电场强度的大小和方向。
(2)根据导体处于静电平衡状态满足静电平衡条件E合=0,求出感应电场E感的大小和方向。
要点二 尖端放电和静电屏蔽
要点归纳
1.尖端放电的实质
带电导体表面电场:电荷在导体表面分布不均匀,导体表面尖锐处电荷分布密集,平滑处电荷分布稀疏,凹陷处几乎没有电荷,如图所示。
2.静电屏蔽的实质
静电感应现象使金属壳内感应电荷的电场和外部电场叠加使合电场强度的矢量和为零,等同于金属壳将外电场“挡”在外面,即所谓的屏蔽作用。
3.静电屏蔽的两种情况
项目 屏蔽外电场 屏蔽内电场
图示
实现 过程 外电场与导体球壳表面上的感应电荷在空腔内的合电场强度为零,起到屏蔽外电场的作用 空腔导体外部接地,空腔内电场使外表面的感应电荷排入大地而对外无电场,起到屏蔽内电场的作用
效果 导体内空腔不受外界电场影响 接地导体空腔内部电场对外部无影响
本质 静电屏蔽是外部电场与感应电场叠加的结果,因此静电屏蔽的材料只能是导体
典例研习
[例3] (尖端放电的应用)(多选)(2025·山东烟台阶段检测)如图所示是闪电击中高楼的画面,高楼的尖顶是一避雷针,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,针尖感应出正电荷
[B]避雷针上的电流方向从尖端流向底端
[C]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小
[D]避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施
【答案】 AD
【解析】 根据同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,可知带负电的云层靠近避雷针时,针尖感应出正电荷,A正确;负电荷从尖端流向底端,而电流的方向规定为正电荷运动的方向,因此电流的方向从底端流向尖端,B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;避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施,D正确。
[例4] (静电屏蔽)如图所示,P是一个带电体,S代表放在绝缘板上的一些小纸屑,而N是一个不带电的金属球型网罩。下列各图示中的纸屑S不会被带电体P吸引的是( )
[A] [B]
[C] [D]
【答案】 A
【解析】 金属球型网罩无论是否接地,都能把外部的电场屏蔽起来不让它影响内部,选项A正确;若把金属球型网罩接地,就能够把内部带电体的电场屏蔽起来不让它影响外部,但不接地时外表面的感应电荷在其外部形成电场,纸屑S会被吸引,即被带电体P吸引,选项B错误;当带电体P与纸屑S都在金属网罩内或金属网罩外时,都不存在静电屏蔽而会被吸引,选项C、D错误。
要点三 静电吸附的理解及应用
要点归纳
静电的应用和防止
(1)静电的应用。
应用原理 应用举例
静电吸引轻小物体 静电复印、静电喷漆、静电喷雾、激光打印、静电纺纱、静电除尘等
利用强电场 静电保鲜、静电灭菌、农作物种子处理
(2)静电的防止。
基本办法是尽快把产生的静电导走,避免越积越多。
其途径主要有:
①避免产生静电,例如,在可能情况下选用不易产生静电的材料。
②避免静电的积累,产生的静电要设法导走,例如,增加空气湿度、接地等。
典例研习
[例5] (静电吸附的理解)如图所示是静电喷漆原理的示意图。喷枪喷嘴与被涂工件之间有强电场,喷嘴喷出的带电涂料微粒在强电场的作用下会向工件高速运动,最后被吸附到工件表面。则可知( )
[A]微粒一定带正电
[B]微粒可能带正电,也可能带负电
[C]微粒运动过程中,速度越来越小
[D]微粒运动过程中,速度越来越大
【答案】 D
【解析】 带正电的工件因为静电感应电荷分布在表面,微粒在静电力的作用下向工件运动,故微粒带负电,A、B错误;微粒运动过程中,静电力与速度方向成锐角,速度越来越大,C错误,D正确。
[例6] (静电的防止和利用)生活中处处存在静电现象,有些是有利的,有些是有害的。关于静电的防止与利用,下列说法正确的是( )
[A]印染厂应保持空气干燥,避免静电积累带来的潜在危害
[B]在高大的建筑物顶端装上避雷针是避免因静电造成的危害
[C]燃气灶中的电子点火器,是利用摩擦起电的原理进行点火的
[D]油罐车尾部拖在地上的铁链的作用是为了利用静电
【答案】 B
【解析】 印染厂应保持适当的湿度,及时把车间因摩擦产生的静电导走,避免静电造成的危害,故A错误;在高大的建筑物顶端装上避雷针是为了将云层静电及时导入大地,防止静电造成危害,故B正确;燃气灶中的电子点火器,是利用高压尖端放电的原理进行点火的,故C错误;油罐车在运输中,油不断地相互摩擦会产生大量的静电,在车尾装一条拖在地上的铁链,将静电导入大地而防止静电危害,故D错误。
1.下列现象中不属于静电屏蔽的是( )
[A]超高压带电作业的工人穿戴含金属丝织物的工作服
[B]野外高压输电线上方两根导线与大地相连
[C]优质话筒线外面有金属网将导线包裹
[D]建筑物的顶端要安装避雷针
【答案】 D
【解析】 超高压带电作业的工人穿戴包含金属丝织物的工作服,就像一个金属网罩一样起到静电屏蔽的作用,保护工人的安全,故A属于静电屏蔽;高压输电中三根较粗的输电线上方的两条较细的电线与大地相连,形成一个稀疏的金属“网”,对输电线起到静电屏蔽作用,故B属于静电屏蔽;优质话筒线外面有一层金属网将导线包裹,以防止外界电信号侵入,是静电屏蔽的利用,故C属于静电屏蔽;在雷雨天气里,建筑物顶端的避雷针可以通过尖端放电,中和云层因摩擦产生的静电,达到避免雷击的目的,故D不属于静电屏蔽。
2.如图所示是一根金属杆,原来不带电。现在沿着杆的轴线方向放置一个点电荷Q。金属杆达到静电平衡状态,杆的轴线上有a、b、c三个点,则感应电荷产生的电场在三点的电场强度Ea、Eb、Ec的大小关系为( )
[A]Ea>Eb>Ec [B]Ea[C]EaEc
【答案】 B
【解析】 处于静电平衡状态的导体,内部的电场强度处处为零,即任何一点感应电荷产生的电场的电场强度与外部电场的电场强度大小相等、方向相反,显然点电荷Q在a、b、c三点的电场强度在c点最大,b点次之,a点最小,则Ea3.一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10-8 C的正电荷,其上端开有适当小孔,有绝缘柄的金属小球B带有2×10-8 C的负电荷,使B球和A球内壁接触,如图所示,则A、B带电荷量分别为( )
[A]QA=1×10-8 C,QB=1×10-8 C
[B]QA=2×10-8 C,QB=0
[C]QA=0,QB=2×10-8 C
[D]QA=4×10-8 C,QB=-2×10-8 C
【答案】 B
【解析】 B球与A球接触后成为一个新的导体,而所带电荷只能分布于导体的外表面,因此QB=0,QA=4×10-8 C-2×10-8 C=2×10-8 C,选项B正确。
4.(多选)(2025·陕西延安期中)静电复印是一种利用静电光敏半导体材料的感光特性形成影像的复印方法,复印过程大致可分为充电、曝光、显影、转印、分离、定影、清洁、消电8个基本步骤,部分步骤示意图如图所示。静电复印机的中心部件是一个可以旋转的接地的铝辊,表面镀着一层半导体硒,叫作感光鼓。半导体硒有特殊的光电性质。现通过电晕装置对感光鼓充电使其带正电,下列说法正确的是( )
[A]静电复印机的工作原理是静电屏蔽
[B]显影时,色粉被感光鼓上带电区域吸附,因此色粉需带负电
[C]色粉的带电通常是通过色粉与载体的摩擦获得,摩擦后色粉的带电极性与载体的带电极性相同
[D]转印时,若使色粉转移到复印纸上,则需使复印纸带正电
【答案】 BD
【解析】 静电复印机利用了静电吸附的原理,故A错误;感光鼓带正电,色粉被感光鼓上带电区域吸附,所以色粉应该带负电,若被吸附到复印纸上,纸张应带正电,故B、D正确;色粉的带电通常是通过色粉与载体的摩擦获得,摩擦起电的两个物体所带电性相反,故C错误。
课时作业
(分值:60分)
基础巩固练
考点一 静电平衡问题
1.(6分)(多选)如图所示,验电器A不带电,验电器B上装有带孔的空心金属球C,金属球C带电。D是带有绝缘手柄的金属小球,可以从C上方的小孔进入其内部。下列说法正确的是( )
[A]图甲中,使D跟C的外部接触,再让D跟A靠近时,A的箔片张开
[B]图甲中,使D跟C的外部接触,再让D跟A接触时,A的箔片不张开
[C]图乙中,使D跟C的内部接触,再让D跟A靠得更近些,A的箔片张开
[D]图乙中,使D跟C的内部接触,再让D跟A接触,重复多次,A的箔片不张开
【答案】 AD
【解析】 空腔导体带电时净电荷分布于金属球外表面,内部不带电,故让D先接触金属球C的外部,则D带上电荷,再让D跟A靠近时,由于发生静电感应,A的箔片张开,让D跟A接触时,由于接触起电,A的箔片张开,故A正确,B错误;让不带电的D先跟C的内部接触,因为C的内部不带电,所以D始终不带电,再让D跟A靠得更近些,A的箔片始终不张开,让D跟A接触,A的箔片也始终不张开,故C错误,D正确。
2.(4分)如图所示,在一电场强度为E的匀强电场中放有一个空心金属导体,图中a、b分别为金属导体内部与空腔中的两点,下列说法正确的是( )
[A]a、b两点的电场强度都为零
[B]a点的电场强度不为零,b点的电场强度为零
[C]只闭合开关S2,然后断开开关,撤去电场,空心金属导体带正电
[D]只闭合开关S1,空心金属导体右端带正电,左端不带电
【答案】 A
【解析】 处于静电平衡状态下导体内部电场强度均为零,A正确,B错误;无论闭合哪个开关,都是右端带的正电荷与大地的负电荷中和,使得导体左端带负电,右端不带电,断开开关,撤去电场后,空心金属导体带负电,C、D错误。
考点二 尖端放电和静电屏蔽
3.(4分)(2025·浙江台州期末)在燃气灶上常安装电子点火器,接通线路时产生高电压,通过高压放电的电火花来点燃气体。电子点火器的放电电极应该做成( )
[A]针尖状 [B]圆头状
[C]方形 [D]椭球形
【答案】 A
【解析】 尖端电荷容易聚集,电子点火器需瞬间高压放电,需要高电荷密度区,故安装的电子点火器往往把放电电极做成针尖状,故A正确。
4.(6分)(多选)如图所示,用起电机使金属鸟笼带大量电荷,但站在金属架上的鸟安然无恙,其原因是( )
[A]鸟的脚爪与金属架绝缘
[B]起电机使鸟笼带电,鸟笼的电场强度不会很高
[C]鸟笼内部电场强度为零,电荷分布在鸟笼的外表面
[D]金属鸟笼起静电屏蔽的作用
【答案】 CD
【解析】 虽然起电机使金属鸟笼带了大量电荷,但金属鸟笼内部没有净电荷,其内电场强度处处为0,鸟笼具有静电屏蔽的作用,所以站在金属架上的鸟安然无恙,选项C、D正确。
5.(4分)将带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内,另一带负电的小球B向C靠近,结果将( )
[A]A向左偏离竖直线,B向右偏离竖直线
[B]A位置不变,B向右偏离竖直线
[C]A向左偏离竖直线,B的位置不变
[D]A和B的位置都不变
【答案】 B
【解析】 由于金属空腔可以屏蔽外部电场,所以小球B的电场对金属空腔C内无影响,使得小球A不受空腔外电场的影响,小球A的位置不变,但静电感应使小球B向C靠近,选项B正确,A、C、D 错误。
考点三 静电的应用和防护
6.(6分)(多选)下列说法属于静电现象应用的是( )
[A]静电除尘可用于回收水泥粉尘
[B]复印机应用静电吸附,实现复印工作
[C]带负电的油漆微粒沉积在作为正极的工件表面,完成喷漆工作
[D]印刷厂里纸张之间因摩擦带电而吸附在一起,给印刷带来麻烦
【答案】 ABC
【解析】 静电除尘可用于回收水泥粉尘,属于静电现象的应用,故A正确;复印机是利用静电吸附原理来工作的,属于静电现象的应用,故B正确;带负电的油漆微粒沉积在作为正极的工件表面,完成喷漆工作,属于静电现象的应用,故C正确;印刷厂里纸张之间因摩擦带电而吸附在一起,给印刷带来麻烦,属于静电的危害,不属于静电现象的应用,故D错误。
7.(6分)(多选)(2025·北京房山期末)武当山主峰上有一座金殿,以前常出现“雷火炼殿”的奇观:在雷雨交加时,屋顶常会出现盆大的火球,来回滚动。雨过天晴时,大殿屋顶金光灿灿,像被重新炼洗过一般,如图所示。下列说法正确的是( )
[A]金殿是由绝缘体构成的
[B]金殿顶部肯定很少有带尖的结构,不易放电
[C]出现“雷火炼殿”现象时,大殿内会产生很强的电场
[D]金殿如果安装了避雷针,“雷火炼殿”现象不能再出现
【答案】 BD
【解析】 雷雨天气时,金殿上空聚集大量电荷,金殿是一个优良导体,由于静电屏蔽作用,大殿内的电场强度为零,故A、C错误;金殿顶部如果有较多带尖的结构,尖端放电效果明显,则无法出现“雷火炼殿”现象,因此可以断定金殿顶部肯定很少有带尖的结构,不易放电,故B正确;金殿如果安装了避雷针,雷雨天气时金殿上空聚集的电荷将被导入大地,不会出现“雷火炼殿”现象,故D正确。
8.(6分)(多选)(2025·河南郑州阶段练习)日常生活中,用手碰触一下带静电的物体,物体所带的静电就会通过这条“人体导线”流入大地。如果工厂流水线上的产品需要除静电,挨个摸一下显然不现实,于是一种适合流水线上除静电的设备——除静电风扇就应运而生了。这种风扇出风口有一层金属丝网,含有大量正、负电荷,宏观上呈电中性的气流从金属丝网吹向流水线上的产品,产品所带的静电就被除去了。这种除静电风扇简单可靠,因而获得了普遍应用。关于这种除静电风扇,下列说法正确的是( )
[A]除静电风扇只能除去流水线上产品所带的正电荷
[B]除静电风扇能除去流水线上产品所带的正负电荷
[C]除静电风扇使用过程中金属丝网必须可靠接地
[D]除静电风扇使用过程中金属丝网不用接地
【答案】 BC
【解析】 除静电风扇出风口有一层金属丝网,含有大量正、负电荷,宏观上呈电中性的气流从金属丝网吹向流水线上的产品,因此除静电风扇既能除去流水线上产品所带的正电荷,也能除去流水线上产品所带的负电荷,A错误,B正确;由消除静电的原理可知,除静电风扇使用过程中金属丝网必须可靠接地,才能把流水线上产品所带的静电荷除去,C正确,D错误。
能力提升练
9.(4分)如图所示为科技馆里一个趣味体验项目的简化图,核心装置为一个金属球,在干燥的空气里,体验者双脚站在绝缘凳上,一只手按在金属球上,并与周围其他物体保持远离。一条特殊传送带(图中未画出)给金属球不断地输送电荷,过一段时间后,体验者的头发便会四处散开,甚至竖立,十分有趣,在此状态下,下列分析正确的是( )
[A]若用另一只手也去摸金属球,会被电击
[B]若用另一只手与旁边的观众握手,会被电击
[C]若手离开金属球,则头发立刻恢复常态
[D]金属球和人的头发所带电荷的电性相反
【答案】 B
【解析】 体验者双脚站在绝缘凳上,所以电荷不能通过体验者导走,体验者与金属球形成一个导体,所带电荷电性相同,处于静电平衡状态,当用另一只手也去摸金属球,体验者所带电荷量不变,不会产生电流,不会被电击,故A、D错误;体验者的身体表面带有电荷,若用另一只手与旁边的观众握手,所带电荷移动产生电流而会被电击,故B正确;若手离开金属球,体验者身体表面仍然带有电荷,所以头发不会立刻恢复常态,故C错误。
10.(4分)(2025·安徽黄山期末)如图所示,四个电荷量均为 +q 的点电荷固定在一个正方形abcd的四个顶点上,用一小型金属球壳将d点处正电荷封闭在球心位置,球壳半径远小于ab边长。M、N分别为ab和bc的中点,则下列说法正确的是( )
[A]O点处的电场强度方向沿Od方向
[B]M点处的电场强度大小为0
[C]N点处的电场强度方向沿ON方向
[D]若将金属球壳接地,O点处的电场强度不变
【答案】 C
【解析】 四个电荷量均为+q的点电荷固定在一个正方形abcd的四个顶点上,用一小型金属球壳将d点处正电荷封闭在球心位置,但不影响在外界形成的电场,所以四个等量同种正点电荷在正方形中心的合电场强度为零,故A错误;a、b两处的点电荷在M点产生的合电场强度为0,c、d两处的点电荷在M点产生的电场强度等大,关于OM对称,由矢量叠加原理可知M点合电场强度的方向沿OM方向,故B错误;b、c两处的点电荷在N点产生的合电场强度为0,a、d两处的点电荷在N点产生的电场强度等大,方向关于ON对称,由矢量叠加原理可知合电场强度的方向沿ON方向,故C正确;若将金属球壳接地,由于静电屏蔽,金属球壳外无电场,相当于d点无电荷,O点处的电场强度是a、b、c三个点电荷在O点的合成,此时O点处的电场强度不为零,则O点处的电场强度发生变化,故D错误。
11.(10分)以煤作燃料的电站,每天排出的烟气带走大量的煤粉,不仅浪费燃料,而且严重污染环境,利用静电除尘可以除去烟气中的煤粉。如图所示是静电除尘器的原理示意图,除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成,在A、B上各引电极a、b接直流高压电源。假定煤粉只会吸附电子,且在电场作用下吸附在金属管上,已知距金属丝B越近电场强度越大。
(1)试判断所接高压电源的极性;
(2)试定性说明静电除尘器的工作原理;
(3)设金属管A的内径r=3 m,长为L=50 m,该除尘器吸附煤粉的能力D=3.5×10-4 kg/(s·m2),求其工作一天能回收煤粉多少吨 (结果保留3位有效数字)
【答案】 (1)a接正极,b接负极
(2)带电粒子在电场作用下奔向金属管,并吸附在金属管上
(3)28.5 t
【解析】 (1)煤粉吸附电子而带负电,为了将煤粉吸附在金属管上,与金属管相连的a应接正极,b接负极。
(2)由于煤粉吸附电子带负电,在电场作用下奔向金属管,并吸附在金属管上,随着吸附量的增加,会在重力作用下落入漏斗而收集起来再送入燃烧炉。
(3)设一天回收煤粉的质量为m,管内表面积
S=2πrL,
则m=DS·t=3.5×10-4×2×3.14×3×50×86 400 kg≈2.85×104 kg=28.5 t。(共43张PPT)
4 静电的
防止与利用
1.能用原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象,能分析生产生活中的静电现象,有关于静电的利用与防护的实际行动,具有与之相关的相互作用观念和物质观念。2.能在熟悉情境中运用电场线等模型分析静电问题;能用与静电力、电场强度相关的证据解释常见的静电现象;提高科学思维能力。3.能通过验电器、静电计等探索静电现象,能撰写与静电现象相关的小论文,能陈述并交流相关内容,提高科学探究能力。4.能对公众利用和防止静电的一些行为发表自己的观点,能坚持实事求是,在合作中既能坚持观点又能纠正错误,有进行科学普及的兴趣和责任感。
[定位·学习目标]
探究·必备知识
知识点一 静电平衡
「探究新知」
1.静电平衡状态:把一个 的金属导体放到电场强度为E0的电场中。由于静电感应,导体两侧的感应电荷产生的电场E′与原电场E0 ,使导体内部的电场 ,直到导体内部各点的电场强度 E=0,导体内的自由电子不再发生 的状态。
2.平衡状态特征:内部的电场强度 。
不带电
叠加
减弱
定向移动
处处为0
「新知检测」
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)处于静电平衡状态的导体内部电荷不再运动。( )
(2)处于静电平衡状态下的导体外表面的电场强度处处为零。( )
(3)电场中的导体之所以能达到静电平衡状态,是由于其内部有大量的自由电子。( )
×
×
√
知识点二 尖端放电
「探究新知」
1.带电导体上电荷分布特点
(1)导体内部没有 电荷,电荷只分布在导体的 。
(2)在导体外表面,越尖锐的位置,电荷的 越大,周围的 越大。
2.电离:当导体尖端周围的强电场足以使空气中 带电粒子发生剧烈运动,并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷 的现象。
净
外表面
密度
电场强度
残留的
分离
3.尖端放电:导体尖端的电荷在其周围形成的强电场使空气 ,形成的带电粒子又加速、撞击,产生更多的带电粒子。那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子,由于被 而奔向尖端,与尖端上的电荷 ,相当于导体从尖端 的现象。
4.避雷针:将尖锐的 安装在建筑物的顶端,用 与埋在地下的金属板连接,保持与 的良好接触的装置。
电离
吸引
中和
失去电荷
金属棒
粗导线
大地
「新知检测」
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)导体尖端放电是因为该处电荷较多,电荷间静电斥力造成的。( )
(2)避雷针避雷的原理是尖端放电能将云层中的电荷中和。( )
(3)为了美观,通常把避雷针顶端设计成球形。( )
(4)为了避免因尖端放电而损失电能,高压输电导线表面要尽量光滑。( )
×
√
×
√
知识点三 静电屏蔽 静电吸附
「探究新知」
1.静电屏蔽
(1)定义:静电平衡时,导体壳壁内的电场强度为0,电场线只能在空腔之外,不能进入空腔之内,外电场对壳内不会产生影响。这种作用叫作静电屏蔽。
(2)应用。
电学仪器放在封闭的金属壳里不受外电场影响;高压输电线上方与大地相连的两条导线能把高压线屏蔽起来,使其免遭雷击。
2.静电吸附及应用:在电场中,带电粒子受到 的作用,向着电极运动,最后被 在电极上的现象。静电吸附的应用有静电除尘、 、静电复印等。
静电力
吸附
静电喷漆
「新知检测」
把手机放在不锈钢快餐盒中并用盖子盖住,手机还能接通吗 如果放在塑料饭盒中呢 试一试并解释其中的原因。
提示:手机放在不锈钢快餐盒中不能接通,放在塑料饭盒中能够接通。这是因为不锈钢快餐盒能够形成静电屏蔽,手机无法接收到外界的电磁信号,所以不能接通。
突破·关键能力
要点一 静电平衡的理解
如图所示,不带电的金属导体放到电场中,导体内的自由电子将发生定向移动,使导体两端出现等量异种电荷。请思考下列问题:
(1)自由电子定向移动的原因是什么 定向移动的方向如何
「情境探究」
【答案】 (1)自由电子受外加电场的静电力作用而移动,向着与外加电场相反的方向定向移动。
(2)自由电子能否一直定向移动 为什么
【答案】 (2)不能。感应电荷产生的电场与外加电场反向,阻碍电子的定向移动,当这两个电场大小相等时,电子的定向移动终止。
1.静电平衡是自由电子发生定向移动的结果,达到静电平衡时,自由电子不再发生定向移动。
2.金属导体建立静电平衡的时间非常短暂。
3.电场线不会进入达到静电平衡状态的导体内部,而在导体外表面一定与外表面垂直。
4.带电导体的净电荷都分布在导体的外表面,导体内部没有净电荷。
「要点归纳」
[例1] (对静电平衡的理解)如图所示显示了在电场强度为E0的匀强电场的情况下,放入的导体板中静电平衡的建立过程。下列说法正确的是( )
[A]图甲、图乙显示导体内部只有自由电子在静电力作用下运动,说明带正电的离子不受静电力作用
[B]图丙中,导体内部没有了自由电子
[C]图丙中,外部电场不能进入导体内部
[D]图丙中,导体AB表面和CD表面的感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场,电场强度大小为E0
D
「典例研习」
【解析】 题图甲、乙显示了导体内部自由电子在静电力作用下向左运动的情况,而带正电的离子同样会受到静电力的作用,只是不会发生移动,故A错误;题图丙中导体内部一定有自由电子,但自由电子不再做定向移动,故B错误;导体内部电场强度处处为零是感应电荷的电场与匀强电场叠加的结果,则感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场强度大小为E0的电场,感应电场和原电场依然存在,故D正确,C错误。
[例2] (利用静电平衡求电场强度)如图所示,在真空中有两个点电荷A和B,电荷量分别为-Q和+2Q,它们相距L,如果在两点电荷连线的中点O有一个半径为r(2r(1)-Q在O点产生的电场强度的大小与方向;
(2)球壳上的感应电荷在O点处产生的电场强度的大小与方向。
·规律方法·
求导体静电平衡状态时
感应电荷电场强度的方法
(1)先确定或求外电场的电场强度的大小和方向。
(2)根据导体处于静电平衡状态满足静电平衡条件E合=0,求出感应电场E感的大小和方向。
要点二 尖端放电和静电屏蔽
「要点归纳」
1.尖端放电的实质
带电导体表面电场:电荷在导体表面分布不均匀,导体表面尖锐处电荷分布密集,平滑处电荷分布稀疏,凹陷处几乎没有电荷,如图所示。
2.静电屏蔽的实质
静电感应现象使金属壳内感应电荷的电场和外部电场叠加使合电场强度的矢量和为零,等同于金属壳将外电场“挡”在外面,即所谓的屏蔽作用。
3.静电屏蔽的两种情况
项目 屏蔽外电场 屏蔽内电场
图示
实现 过程 外电场与导体球壳表面上的感应电荷在空腔内的合电场强度为零,起到屏蔽外电场的作用 空腔导体外部接地,空腔内电场使外表面的感应电荷排入大地而对外无电场,起到屏蔽内电场的作用
效果 导体内空腔不受外界电场影响 接地导体空腔内部电场对外部无影响
本质 静电屏蔽是外部电场与感应电场叠加的结果,因此静电屏蔽的材料只能是导体
[例3] (尖端放电的应用)(多选)(2025·山东烟台阶段检测)如图所示是闪电击中高楼的画面,高楼的尖顶是一避雷针,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,针尖感应出正电荷
[B]避雷针上的电流方向从尖端流向底端
[C]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小
[D]避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施
AD
「典例研习」
【解析】 根据同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,可知带负电的云层靠近避雷针时,针尖感应出正电荷,A正确;负电荷从尖端流向底端,而电流的方向规定为正电荷运动的方向,因此电流的方向从底端流向尖端,B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;避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施,D正确。
[例4] (静电屏蔽)如图所示,P是一个带电体,S代表放在绝缘板上的一些小纸屑,而N是一个不带电的金属球型网罩。下列各图示中的纸屑S不会被带电体P吸引的是( )
[A] [B] [C] [D]
A
【解析】 金属球型网罩无论是否接地,都能把外部的电场屏蔽起来不让它影响内部,选项A正确;若把金属球型网罩接地,就能够把内部带电体的电场屏蔽起来不让它影响外部,但不接地时外表面的感应电荷在其外部形成电场,纸屑S会被吸引,即被带电体P吸引,选项B错误;当带电体P与纸屑S都在金属网罩内或金属网罩外时,都不存在静电屏蔽而会被吸引,选项C、D错误。
要点三 静电吸附的理解及应用
「要点归纳」
静电的应用和防止
(1)静电的应用。
应用原理 应用举例
静电吸引轻小物体 静电复印、静电喷漆、静电喷雾、激光打印、静电纺纱、静电除尘等
利用强电场 静电保鲜、静电灭菌、农作物种子处理
(2)静电的防止。
基本办法是尽快把产生的静电导走,避免越积越多。
其途径主要有:
①避免产生静电,例如,在可能情况下选用不易产生静电的材料。
②避免静电的积累,产生的静电要设法导走,例如,增加空气湿度、接地等。
[例5] (静电吸附的理解)如图所示是静电喷漆原理的示意图。喷枪喷嘴与被涂工件之间有强电场,喷嘴喷出的带电涂料微粒在强电场的作用下会向工件高速运动,最后被吸附到工件表面。则可知( )
[A]微粒一定带正电
[B]微粒可能带正电,也可能带负电
[C]微粒运动过程中,速度越来越小
[D]微粒运动过程中,速度越来越大
D
「典例研习」
【解析】 带正电的工件因为静电感应电荷分布在表面,微粒在静电力的作用下向工件运动,故微粒带负电,A、B错误;微粒运动过程中,静电力与速度方向成锐角,速度越来越大,C错误,D正确。
[例6] (静电的防止和利用)生活中处处存在静电现象,有些是有利的,有些是有害的。关于静电的防止与利用,下列说法正确的是( )
[A]印染厂应保持空气干燥,避免静电积累带来的潜在危害
[B]在高大的建筑物顶端装上避雷针是避免因静电造成的危害
[C]燃气灶中的电子点火器,是利用摩擦起电的原理进行点火的
[D]油罐车尾部拖在地上的铁链的作用是为了利用静电
B
【解析】 印染厂应保持适当的湿度,及时把车间因摩擦产生的静电导走,避免静电造成的危害,故A错误;在高大的建筑物顶端装上避雷针是为了将云层静电及时导入大地,防止静电造成危害,故B正确;燃气灶中的电子点火器,是利用高压尖端放电的原理进行点火的,故C错误;油罐车在运输中,油不断地相互摩擦会产生大量的静电,在车尾装一条拖在地上的铁链,将静电导入大地而防止静电危害,故D错误。
检测·学习效果
D
1.下列现象中不属于静电屏蔽的是( )
[A]超高压带电作业的工人穿戴含金属丝织物的工作服
[B]野外高压输电线上方两根导线与大地相连
[C]优质话筒线外面有金属网将导线包裹
[D]建筑物的顶端要安装避雷针
【解析】 超高压带电作业的工人穿戴包含金属丝织物的工作服,就像一个金属网罩一样起到静电屏蔽的作用,保护工人的安全,故A属于静电屏蔽;高压输电中三根较粗的输电线上方的两条较细的电线与大地相连,形成一个稀疏的金属“网”,对输电线起到静电屏蔽作用,故B属于静电屏蔽;优质话筒线外面有一层金属网将导线包裹,以防止外界电信号侵入,是静电屏蔽的利用,故C属于静电屏蔽;在雷雨天气里,建筑物顶端的避雷针可以通过尖端放电,中和云层因摩擦产生的静电,达到避免雷击的目的,故D不属于静电屏蔽。
2.如图所示是一根金属杆,原来不带电。现在沿着杆的轴线方向放置一个点电荷Q。金属杆达到静电平衡状态,杆的轴线上有a、b、c三个点,则感应电荷产生的电场在三点的电场强度Ea、Eb、Ec的大小关系为( )
[A]Ea>Eb>Ec [B]Ea[C]EaEc
B
【解析】 处于静电平衡状态的导体,内部的电场强度处处为零,即任何一点感应电荷产生的电场的电场强度与外部电场的电场强度大小相等、方向相反,显然点电荷Q在a、b、c三点的电场强度在c点最大,b点次之,a点最小,则Ea3.一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10-8 C的正电荷,其上端开有适当小孔,有绝缘柄的金属小球B带有2×10-8 C的负电荷,使B球和A球内壁接触,如图所示,则A、B带电荷量分别为( )
[A]QA=1×10-8 C,QB=1×10-8 C
[B]QA=2×10-8 C,QB=0
[C]QA=0,QB=2×10-8 C
[D]QA=4×10-8 C,QB=-2×10-8 C
B
【解析】 B球与A球接触后成为一个新的导体,而所带电荷只能分布于导体的外表面,因此QB=0,QA=4×10-8 C-2×10-8 C=2×10-8 C,选项B正确。
4.(多选)(2025·陕西延安期中)静电复印是一种利用静电光敏半导体材料的感光特性形成影像的复印方法,复印过程大致可分为充电、曝光、显影、转印、分离、定影、清洁、消电8个基本步骤,部分步骤示意图如图所示。静电复印机的中心部件是一个可以旋转的接地的铝辊,表面镀着一层半导体硒,叫作感光鼓。半导体硒有特殊的光电性质。现通过电晕装置对感光鼓充电使其带正电,下列说法正确的是( )
[A]静电复印机的工作原理是静电屏蔽
[B]显影时,色粉被感光鼓上带电区域吸附,因此色粉需带负电
[C]色粉的带电通常是通过色粉与载体的摩擦获得,摩擦后色粉的带电极性与载体的带电极性相同
[D]转印时,若使色粉转移到复印纸上,则需使复印纸带正电
BD
【解析】 静电复印机利用了静电吸附的原理,故A错误;感光鼓带正电,色粉被感光鼓上带电区域吸附,所以色粉应该带负电,若被吸附到复印纸上,纸张应带正电,故B、D正确;色粉的带电通常是通过色粉与载体的摩擦获得,摩擦起电的两个物体所带电性相反,故C错误。
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