高中物理 新教材人教版必修第三册 学案第9章 4.静电的防止与利用 Word版含解析

4.静电的防止与利用

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)静电平衡状态下的导体内部场强处处为零。 (×)
(2)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。 (×)
(3)用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，则验电器箔片能张开。 (×)
(4)飞机轮上装有拖地线，油罐车后面拖条铁链都是把静电导入大地。 (√)
2．如图所示，将一个不带电的金属球A放在带正电的点电荷Q的左侧，当金属球达到静电平衡时，下列判断正确的是(　　)
A．金属球将产生出正电荷
B．金属球左侧将出现负的净电荷
C．点电荷Q在A的球心处产生的电场强度为零
D．A的内部合电场强度处处为零
D　[由于静电感应，金属球左侧带正电，右侧带负电，A、B错误；点电荷在球心产生的电场强度不为零，C错误；A的内部合电场强度处处为零，D正确。]
3．(多选)关于静电感应和静电平衡，以下说法正确的是(　　)
A．静电感应是由于导体内的自由电子受静电力作用的结果
B．导体内的自由电子都不运动称为静电平衡
C．处于静电平衡状态时，导体所占空间各处电场强度均为零
D．处于静电平衡状态时，导体内部将没有多余的“净”电荷
AD　[静电平衡是由于导体内的自由电子受静电力的作用而发生定向移动，最后达到稳定的状态，选项A正确；达到静电平衡后，自由电子不再定向移动，但是仍然做无规则的热运动，选项B错误；导体处于静电平衡时，电荷只分布在导体外表面上，导体内部没有多余的“净”电荷，选项D正确；导体处于静电平衡时，导体内部的电场强度为零，但导体表面的电场强度不为零，选项C错误。]
对静电平衡的理解
如图所示，把一个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，从而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？
提示：(1)自由电子受到外加电场的电场力，沿外加电场的反方向移动。
(2)不能，当导体两端感应电荷产生的电场与外加电场的合场强为零时，自由电子定向移动将停止。
1．静电平衡的过程
(1)电荷分布的变化情况：金属导体放到电场强度为E0的电场中，金属中的自由电荷在电场力作用下定向移动导致导体一侧聚集负电荷，而另一侧聚集正电荷。
(2)合电场强度的变化情况：感应电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场，导致合电场强度减小。当感应电荷继续增加，合电场强度逐渐减小，合电场强度为零时，自由电荷的定向移动停止。
2．对静电平衡的三点理解
(1)静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果，达到静电平衡时，自由电荷不再发生定向移动。
(2)金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的。
(3)导体达到静电平衡后内部电场强度处处为零是指外电场E与导体两端的感应电荷产生的附加电场E′的合电场强度为零，E′＝－E。
3．处于静电平衡时的导体上的电荷分布特点
(1)净电荷只分布在导体表面，内部没有净电荷。
(2)感应电荷分布于导体两端，电性相反，电量相等，近异远同，如图甲所示。
(3)净电荷在导体表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集，如图乙所示。
甲　　　　　　　乙
处于静电平衡的导体周围的电场分布情况
静电平衡的导体尖端电荷集中，电荷电场线密集。
【例1】　在真空中有两个点电荷A和B，电荷量分别为－Q和＋2Q，相距为2l，如果在两个点电荷连线的中点O有一个半径为r(r?l)的空心金属球，且球心位于O点，如图所示，则球壳上的感应电荷在O处的电场强度的大小为多少？方向如何？
[解析]　根据电场的叠加和静电平衡，球心O处的合场强为0，即感应电荷的电场强度与A、B两点电荷在O处所产生的合场强等大、反向，即E感＝EA＋EB＝k＋k＝，A、B在O处产生的电场强度方向向左，所以E感向右。
[答案]　　方向向右
上例中，若将点电荷B移走，其他条件不变，则球壳上的感应电荷在O处的电场强度大小为多少？方向如何？
[解析]　E′感＝EA＝k，A在O处产生的电场强度方向向左，所以E′感向右。
[答案]　k　方向向右
处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的场强的求解方法
(1)运用E＝k求出外电场场强E外的大小和方向。
(2)由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡条件E合＝0。
(3)由E外＋E感＝0，求出感应电场E感的大小和方向。
1．一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10－8 C的正电荷，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＝10－8 C，QB＝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　[A、B接触达到静电平衡后，净电荷只分布在A的外表面上，故B正确。]
对静电屏蔽的理解
某同学在学习了电学知识后对电工穿的高压作业服进行了研究，发现高压作业服是用铜丝编织的，你能告诉他其中的原理吗？
提示：电工被铜丝编织的衣服所包裹，使体内电场强度保持为零，对人体起保护作用。
1．静电屏蔽的实质
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，其实是壳内两种电场并存，矢量和为零。
2．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在空腔内的合场强为零，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
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 静电屏蔽是激发电场与感应电场叠加的结果，所以做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体
【例2】　如图所示，把原来不带电的金属壳B的外表面接地，将一带正电的小球A从小孔中放入球壳内，但不与B接触，达到静电平衡后，则(　　)
A．B的空腔内电场强度为零
B．B不带电
C．B的外表面带正电
D．B的内表面带负电
思路点拨：(1)因静电感应，带正电小球A可使金属壳内外表面产生感应电荷。
(2)金属壳B的外表面接地，外表面与大地间可通过接地线发生电荷的转移，最终使金属壳外表面不带电。
D　[因为金属壳的外表面接地，所以外表面没有感应电荷，只有内表面有感应电荷分布，且由于A带正电，则B的内表面带负电，D对，B、C错；B的空腔内有带正电的小球A产生的电场和金属壳内表面感应电荷产生的电场，所以空腔内电场强度不为零，A错。]
处理静电屏蔽问题的三点注意
(1)空腔可以屏蔽外界电场，接地的空腔可以屏蔽内部的电场作用，其本质都是因为激发电场与感应电场叠加的结果，分析中应特别注意分清是哪一部分电场作用，还是合电场作用的结果。
(2)对静电感应，要掌握导体内部的自由电荷是如何移动的，是如何建立起附加电场的，何处会出现感应电荷。
(3)对静电平衡，要理解导体达到静电平衡时所具有的特点。
2．如图所示，将悬在绝缘细线上带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内(不跟球壁接触)，再将一个悬挂在绝缘细线上的带负电的小球B向C靠近，但不接触时(　　)
A．小球A往左偏离竖直方向，小球B往右偏离竖直方向
B．小球A的位置不变，小球B往右偏离竖直方向
C．小球A往左偏离竖直方向，小球B的位置不变
D．小球A和B的位置都不变
B　[对A受力分析：由于静电屏蔽，B球对球壳里面没有影响，A球受力情况不变，A球位置不变，A、C错；对B受力分析：球壳C不接地，A球对外界有影响，B球受到球壳的引力，B球向右偏离，B对，D错。]
静电的产生、应用和防止
油罐车尾部都装有导电拖地带，你知道这是为什么吗？
提示：油罐车在运输的时候，油会与桶壁摩擦起电，油罐车后面拖一条导电拖地带就可以将产生的静电及时导走，防止静电积累到一定程度再放电发生爆炸危害。
1．静电是如何产生的
两种不同的物体相互摩擦可以起电，甚至干燥的空气与衣物摩擦也会起电。摩擦起的电在能导电的物体上可迅速流失，而在不导电的绝缘体(如化纤、毛织物等物体)上就不会流失而形成静电，并聚集起来，当达到一定的电压时就产生放电现象，产生火花并发出声响。
2．静电的应用和防止
(1)静电的应用
利用静电的性质 应用举例
利用静电能吸引较小物体 静电复印、静电喷漆、静电喷雾、激光打印、静电除尘
利用高压产生的电场 静电保鲜、静电灭菌、农作物种子处理
利用放电产生物 臭氧防止紫外线、氮合成氨
(2)静电的防止
防止静电危害的基本办法是尽快把产生的静电导走，避免越积越多。
防止静电的途径主要有：
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3】　(多选)静电的应用有多种，如静电除尘、静电喷涂、静电植绒、静电复印等，它们依据的原理都是让带电的物质粒子在电场力作用下奔向并吸附到电极上，静电喷漆的原理如图所示，则以下说法正确的是(　　)
A．在喷枪喷嘴与被喷涂工件之间有一强电场
B．涂料微粒一定带正电
C．涂料微粒一定带负电
D．涂料微粒可以带正电，也可以带负电
AC　[静电喷涂的原理就是让带电的涂料微粒在强电场的作用下被吸附到工件上，而达到喷漆的目的，A正确；由题图知，待喷漆工件带正电，所以涂料微粒应带负电，C正确。]
3．如图为静电除尘示意图，m、n 为金属管内两点。在 P、Q 两点加高电压时，金属管内空气电离。电离出来的电子在电场力的作用下，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电，导致煤粉被吸附到管壁上，排出的烟就清洁了。就此示意图，下列说法正确的是(　　)
A．Q 接电源的正极，且电场强度Em＝En
B．Q 接电源的正极，且电场强度 Em＞En
C．P 接电源的正极，且电场强度 Em＝En
D．P 接电源的正极，且电场强度 Em＞En
B　[管内接通静电高压时，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，碰到烟尘微粒使它带负电。所以金属管Q应接高压电源的正极，金属丝P接负极。构成类似于点电荷的辐向电场，所以越靠近金属丝，电场强度越强，故A、C、D错误，B正确。]
1．如图所示，一个方形的金属盒原来不带电，现将一个带电荷量为＋Q的点电荷放在盒左边附近，达到静电平衡后，盒上的感应电荷在盒内部产生的电场分布情况正确的是(　　)
A　　　　B　　　　C　　　　D
C　[由于金属盒内部处于静电平衡状态，所以内部每点的合电场强度都为0，即金属盒内的感应电荷产生的电场的电场强度都与点电荷＋Q在那点产生的电场的电场强度大小相等、方向相反，即感应电荷的电场线与点电荷＋Q的电场线重合，但方向相反，故选项C正确。]
2．如图所示，接地的空心金属球壳B右侧有一原来不带电的枕形导体C，现将带正电的小球A，置于空心金属球壳B的内部，则下列说法中正确的是(　　)
A．球壳B带负电，枕形导体C的左端带负电
B．球壳B带负电，枕形导体C的左端带正电
C．球壳B带负电，枕形导体C的左端不带电
D．球壳B不带电，枕形导体C的左端不带电
D　[A置于球心后，球内部感应出负电荷，由于接地，球外部不带电，故枕形导体C的左端不带电，D正确。]
3．(多选)下列措施中，属于防止静电危害的是(　　)
A．运送汽油的油罐车后有一条拖在地面上的铁链
B．轿车顶部有一根露在外面的天线
C．印染车间总保持适当的湿度
D．铺在房间的地毯中夹杂着0.05 mm的不锈钢丝导电纤维
ACD　[油罐车后拖在地面上的铁链，可将车厢中由于摩擦等原因产生的静电及时导入大地，避免电荷越积越多，产生剧烈的高压放电，使油罐车起火爆炸，故A正确；轿车顶部的天线是用来接收无线电信号的，如果不露在外面而置于车内，则天线处于金属外壳包围中，无法接收或影响无线电信号的接收效果，故B错误；印染车间保持适当的湿度，可以将由于摩擦等原因产生的静电及时散失，避免影响印染质量，故C正确；地毯中夹杂导电纤维同样是为了及时导走由于摩擦等原因产生的静电，故D正确。]
4．(多选)静电除尘器除尘原理如图所示。尘埃在电场中通过某种机制带电，在电场力的作用下向收尘极迁移并沉积，以达到除尘目的。下列表述正确的是 (　　)
A．带电尘埃带正电荷
B．电场方向由收尘极指向电晕极
C．带电尘埃所受电场力的方向与电场方向相同
D．在同一位置，带电荷量越多的尘埃所受电场力越大
BD　[由题图可知，电晕极为负极，收尘极为正极，带电尘埃必带负电，电场方向指向电晕极，带电尘埃受到的电场力方向与电场方向相反，故A、C错误，B正确；在同一位置上，电场强度大小相同，带电荷量越多的尘埃所受电场力越大，故D正确。]
5．情境：为避免雷击，现代高层建筑的顶端都安装上避雷针，避雷针用粗导线与埋在地下的金属板连接，如图甲所示。图乙是古建筑的一角，上面有各种造型的动物。
甲　　　　　　　　乙
问题：你知道古建筑是如何安全引电避雷的吗？
提示：在古建筑物的屋顶、屋角设置各种的造形，避雷针以动物头上的角须形式或巨兽的舌头向上探出的形式巧妙安装，另一端引入大地，从而起到避雷效果。