粤教版（2019）物理必修第三册 2.3 静电的利用与防护 课件(62张ppt）

第二章　静电场的应用
第三节　静电的利用与防护
学习目标
学法指导
1.知道什么是静电平衡状态，理解处于静电平衡状态导体的特性
2．知道什么是静电屏蔽及相关应用
3．知道导体上电荷的分配规律
4．了解尖端放电现象
1.运用静电感应和场强相关知识，认识和理解静电平衡及其特征
2．运用多媒体技术，认识和了解尖端放电和静电屏蔽等现象
3．通过学习讨论，知道静电的利用和防护
知识导图
预习导学 | 新知领悟
1．静电感应现象：处于电场中的导体，由于________的作用，电荷出现__________的现象．
2．静电平衡状态：导体中(包括表面上)没有电荷____________的状态．
静电平衡时导体中电场和电荷分布
电场力
重新分布
定向移动

3．静电平衡状态的特征
(1)处于静电平衡状态的导体，内部的场强____________．(否则自由电荷受力还会运动，直至平衡)
(2)处于静电平衡状态的导体，外部表面任何一点的场强方向必跟该点的切面________．(否则自由电荷还会运动直至平衡)
处处为零
垂直

4．导体上电荷的分布
(1)静电平衡下的导体________没有电荷，电荷只分布在导体的__________．
(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)__________，__________的位置几乎没有电荷．(从表面垂直方向画电场线，可看出尖锐处密，凹处疏)
内部
外表面
越大
凹陷
【答案】若不垂直，则外表面自由电荷受力不与外表面垂直，必会沿表面移动，最终达到垂直为止(逃不出表面)．
静电平衡状态的导体，为何外表面的电场线一定与外表面垂直？
处于静电平衡中的导体，内部电场强度处处为零的原因是 (　　)
A．导体内部无任何电场
B．外电场不能进入导体内部
C．所有感应电荷在导体内部产生的合电场强度为零
D．外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为零
【答案】D
【解析】导体内部电场强度处处为零是由于感应电荷的电场与外电场叠加的结果，故D正确．
1．电离：导体尖端的电荷密度_________，附近的场强_________，空气中的带电粒子剧烈运动，使空气分子被撞“散”而使正、负电荷________的现象．
2．尖端放电：导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异电离子与尖端的电荷________，相当于导体从尖端失去电荷的现象．
3．静电屏蔽：静电平衡时，导体壳内空腔里的电场____________，外电场对壳内不会产生影响．
尖端放电和静电屏蔽
很大
很强
分离
中和
处处为零
4．尖端放电和静电屏蔽的应用、防止
(1)尖端放电
①应用：_________是利用尖端放电避免雷击的一种设施．
②防止：高压设备中导体的表面尽量________，减少电能的损失．
(2)静电屏蔽的应用
①电学仪器和电子设备外面会有金属罩，通信电缆外面包一层铅皮，可以防止外电场的干扰．
②电工高压带电作业时，穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋子，可以对人体起到静电屏蔽作用，使人安全作业．
避雷针
光滑
【答案】内空腔(无电荷)若有电场线，由于出不来，要么必定相交，要么必定从空腔一侧指向另一侧，前者与电场线不能相交矛盾，后者会使自由电荷受力移动直至电场为零的状态．
导体内空腔为何没有电场和电场线？
在高大的建筑物上安装避雷针的作用是 (　　)
A．通过尖端放电中和云层中的电荷
B．避免放电现象的发生
C．直接导走云层中的电荷
D．增加电荷在建筑物上的积累

【答案】A
【解析】避雷针利用了尖端放电的原理，在发生雷电时，避雷针上产生的感应电荷通过尖端放电，中和了云层中的电荷，可以使建筑物免遭雷击．如果云层带正电荷，无法直接把正电荷导入大地．故A正确，B、C、D错误．
多维课堂 | 素养初培
1．金属导体的微观结构如何？
【答案】金属导体中，原子的最外层电子受到原子核的吸引力很弱，这些最外层电子很容易受到周围其他原子核的作用而成为自由电子．金属里失去外层电子的原子核只能在平衡位置附近做无规则的振动，而大量的自由电子能在整块金属中做无规则的热运动．
对静电平衡的理解
2．放入电场的导体中的自由电子怎样移动？电子的移动最终会出现什么样的结果？
【答案】(1)将呈电中性状态的金属导体放入场强为E0的静电场中，导体内自由电子便受到与场强E0方向相反的电场力作用，除了做无规则热运动，自由电子还要向电场E0的反方向做定向移动，并在导体的一个侧面集结，使该侧面出现负电荷，而相对的另一侧出现“过剩”的等量的正电荷，导体沿着电场强度方向两端出现等量异种电荷．

(2)等量异种电荷在导体内部形成与场强E0方向相反的场强E′，在导体内任一点的场强可表示为E内＝E0＋E′，因附加电场E′与外电场E0方向相反，叠加的结果削弱了导体内部的电场，随着导体两侧感应电荷继续增加，附加电场E′增加，合场强E内将逐渐减小，当E内＝0时，自由电子的定向运动也就停止了，这时就达到了静电平衡状态．
3．静电平衡状态的特点
(1)处于静电平衡状态下的导体的特点．
①导体内部某处感应电荷产生的场强E′与周围原电场场强E大小相等，方向相反，两者相互抵消，导体内部处处合场强E合为零，但导体表面的电场强度不为零．
②电场线与导体表面垂直．
(2)静电平衡状态下的导体的电荷分布特点．
①净电荷都分布在导体的表面，导体内部没有净电荷．
②感应电荷分布于导体两端，电性相反，电量相等，远同近异，如图甲所示．
③净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，如图乙所示．
精例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处的场强的大小为多少？方向如何？
变式1　如图所示，在一电场强度为E的匀强电场中放有一个金属空心导体，图中a、b分别为金属导体内表面和空腔中的两点，则 (　　)



A．a、b两点的电场强度都为零
B．a点的电场强度为零，b点的电场强度不为零
C．a点的电场强度不为零，b点的电场强度为零
D．a、b两点的电场强度都不为零


【答案】A
【解析】处于静电平衡状态的导体，其内部场强为零，即Ea＝0；由于静电屏蔽，球内空腔的场强也为零，则Eb＝0，A正确．
举例说明静电屏蔽有哪些实际应用．
【答案】(1)电学仪器和电子设备外面会有金属罩，通信电缆外面包一层铅皮，可防止外电场的干扰．
(2)电力工人高压带电作业时，全身穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋子，可以对人体起到静电屏蔽作用，使工人安全作业．
静电平衡导体的电荷分布及分析方法
2．“整体观”法：当两个或多个原来彼此绝缘的导体接触或用导线连接时，就可把它们看作是一个大导体，再用“远近观”判断它们的带电情况，如有些问题所提到的“用手触摸某导体”，其实就是导体通过人体与大地构成一个大导体．不要认为导体内部没有电荷，用导线连接带电体内部时，小球Q就不带电，其实它们连接后就已成为一个整体，故小球通过导线得到了电荷，如图乙所示．
精例2　(多选)如图所示，在绝缘板上放有一个不带电的金箔验电器A和一个带正电荷的空腔导体B．下列实验方法中能使验电器箔片张开的是 (　　)

A．用取电棒C(带绝缘柄的导体棒)先跟B的内壁接触一下后再跟A接触
B．用取电棒C先跟B的外壁接触一下后再跟A接触
C．用外表绝缘的导线把验电器A与取电棒C的导体部分相连，再把取电棒C与B的内壁接触
D．使验电器A靠近B

【答案】BCD
【解析】A项中取电棒先和B的内壁接触后，由于B的内壁本身没有电荷，所以再接触A时验电器箔片不张开；B项中可以使C球带电，从而使A带电；C项中用绝缘导线实际上是将验电器A和B连成了一个导体，A因接触而带电；D项中是感应起电．所以B、C、D正确．
变式2　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


【答案】B
【解析】A、B接触中和后净电荷只分布在空心金属球A的外表面上，故B正确．
　静电屏蔽的两种情况
1．空腔导体在外电场中处于静电平衡，其内部的场强总等于零，外电场对其内部空间不产生任何影响．若空腔导体内有带电体，在静电平衡时，它的内表面将产生等量异号的感应电荷．如果外壳不接地则外表会产生与内部带电体等量同号的感应电荷，此时感应电荷的电场将对外界产生影响，这时空腔导体只能对外电场屏蔽，却不能屏蔽内部带电体对外界的影响，所以叫外屏蔽．
2．如果外壳接地，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，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消除，这种屏蔽叫作全屏蔽．
1．尖端放电的原理是什么？
【答案】导体尖端的电荷密度很大，附近电场很强，容易使得空气电离，空气电离后，那些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．(这相当于导体尖端失去电荷)
对静电屏蔽的理解
2．探究分析下列两个问题．
(1)如图所示使带正电的金属球靠近验电器，验电器的箔片是否张开？此现象说明了什么？
(2)现用一个金属网罩把验电器罩住，再让带电金属球靠近验电器，如图所示，验电器的箔片是否张开？此现象说明了什么？此现象的本质是什么？
【答案】(1)①使带正电的金属球靠近验电器，验电器的箔片张开．
②此现象说明了验电器受到附近带电体的影响．
(2)①用一个金属网罩把验电器罩住，再让带电金属球靠近，验电器的箔片不张开．
②此现象说明金属网罩内的验电器不受附近带电体的影响．
③此现象的本质是静电感应．导体外表面的感应电荷在导体内部产生的电场与外电场相互叠加，使导体内部场强处处为零．
3．探究分析下列两个问题：
(1)如图，金属网罩不带电，罩内小球带正电，将验电器靠近金属网罩，验电器的箔片是否张开？此现象说明了什么？
(2)如图所示，原来金属网罩不带电，罩内小球带正电，现把金属网罩接地，则验电器的箔片是否张开？此现象说明了什么？此现象的本质是什么？
【答案】(1)①金属网罩不带电，罩内小球带正电，将验电器靠近金属网罩，验电器箔片张开．
②此现象说明网罩内带电体产生的电场能使外界受到影响．
(2)①把金属网罩接地，则验电器箔片不张开．
②此现象说明金属网罩接地，内部电场不影响外界．
③此现象的本质是静电感应，网罩内小球所带电荷的电场与网罩内表面感应电荷在网罩外产生的电场相互叠加使网罩外场强处处为零．
2．静电屏蔽的两种情况
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
静电感应与静电平衡，所以做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体
精例3　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

【答案】D
【解析】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正确，B、C错误；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错误．
【答案】C
【解析】金属网处于带正电的物体A的电场中，处于静电平衡状态，不管金属网是接地还是不接地，均能屏蔽外部电场，故此时验电器的金箔均不会张开，故A、B错误；当带正电的物体A处于金属网内部时，在金属网不接地时，带正电的物体A的电场在金属网的外部空间不会被屏蔽，此时验电器的金箔会张开，在金属网接地时，带正电的物体A的电场在金属网的外部空间会被屏蔽，验电器的金箔不会张开，故C正确，D错误．
　处理静电屏蔽问题的技巧
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．
核心素养微专题
古建筑上的避雷针
在古建筑物的屋顶、屋角设置各种造型的动物，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．
【专练】　(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

【答案】BD
【解析】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，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．
课堂小练 | 素养达成
1．下列防雷措施可行的是 (　　)
①在大树下避雷雨　②停留在山顶、山脊的凉亭等地方避雷雨　③不要快速开摩托车、骑自行车或在雨中狂奔　④在空旷地带，最好关掉手机电源
A．①③　　　　 B．②③
C．①④　 D．③④
【答案】D
【解析】表面具有突出尖端的导体，在尖端部分电荷分布密度很大，使得其周围电场很强，就可能使其周围的空气发生电离而引发尖端放电，因此，不要在大树下避雨，别停留在山顶、山脊的凉亭等地方．快速开摩托车、骑自行车或在雨中狂奔，身体的跨步越大，电压就越大，雷电也越容易伤人．在空旷地带使用手机通话，手机很有可能成为闪电的放电对象．故D正确．
2．(多选)如图所示，电力工作人员在几百万伏的高压线上进行带电作业，电工全身穿戴屏蔽服，屏蔽服是用导电金属材料与纺织纤维混纺交织成布后做成的服装，下列说法正确的是 (　　)
A．采用金属材料编织衣服的目的是使衣服不易拉破
B．采用金属材料编织衣服的目的是利用静电屏蔽
C．电工穿上屏蔽服后，体内场强为零
D．电工穿上屏蔽服后，体内电场不为零


【答案】BC
【解析】屏蔽服的作用是使处于高压电场中的人体外表面各部位形成一个屏蔽面，从而防护人体免受高压电场及电磁波的危害，静电屏蔽中导体内部的电场强度为0，所以B、C正确，A、D错误．

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，导体所在空间周围场强均为零
D．处于静电平衡状态时，导体内部将没有多余的“净”电荷
【答案】AD
【解析】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，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，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，D正确；导体处于静电平衡时，导体内部的场强为零，但导体表面的场强不为零，C错误．