第9章 4.静电的防止与利用 45张PPT

4.静电的防止与利用
课标定位
1.了解静电平衡的概念,知道处于静电平衡的导体的特性。
2.了解静电平衡时带电导体上电荷的分布特点。
3.知道尖端放电和静电屏蔽现象。
4.了解静电吸附在生产技术中的应用。
素养阐释
1.通过实验感受尖端放电的产生过程和静电屏蔽现象,培养科学探究能力。
2.通过联系生活实际,了解静电的利用与防止,培养学生学习的兴趣,形成科学态度与责任。
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
随 堂 练 习
自主预习·新知导学
一、静电平衡
1.静电平衡状态
导体内的自由电子不再发生定向移动,我们就认为导体达到静电平衡状态。
2.静电平衡状态下导体的特点
(1)处于静电平衡状态的导体,内部各点的电场强度处处为0。
(2)表面处的电场强度不为0,方向跟导体表面垂直。
二、尖端放电
1.导体上电荷的分布
(1)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。
(2)在导体外表面,越尖锐的位置,电荷的密度(单位面积的电荷量)越大,周围的电场强度越大。
2.电离:一定条件下,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,这个现象叫作空气的电离。
3.尖端放电:导体尖端的强电场使附近的空气电离,电离后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,这相当于导体从尖端失去电荷,这种现象叫作尖端放电。
4.应用:避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。
5.防止:高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失。
三、静电屏蔽
1.静电屏蔽:静电平衡时,导体壳内空腔里的电场强度处处为0,外电场对壳内的仪器不会产生影响。
2.静电屏蔽的应用和危害
(1)应用:电子仪器和电子设备外面套有金属网罩,通信电缆外包一层铅皮等,可防止外电场的干扰;野外高压输电线,在三条输电线上方有两条导线把高压线屏蔽起来,使其免遭雷击。
(2)危害:医院手术台上,静电火花有可能引起麻醉剂爆炸;煤矿里,静电火花会引起瓦斯爆炸等。
四、静电吸附
静电的应用已有多种,如静电除尘、静电喷漆、静电复印等方面。但依据的物理原理几乎都是让带电的物质微粒在静电力作用下奔向并吸附到电极上。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)处于静电平衡状态的导体内部任意一点的电场强度为零。
(　　)
(2)用金属网把验电器罩起来,再使带电金属球在金属网外靠近验电器,则验电器箔片能张开。(　　)
(3)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.避雷针能够避免建筑物被雷击的原因是什么?
提示:遇到雷雨时,云层上的大量静电由避雷针直接导入地下;同时避雷针的尖端向空中放电,也中和了云层中的部分电荷,从而避免建筑物遭受雷击。
3.为什么安装了防盗网的室内手机信号不好,没安防盗网的室内手机信号好?
提示:若把手机放入金属网罩中,金属网罩对手机信号起到屏蔽作用,安装防盗网对手机信号有一定影响。故安装了防盗网的室内手机信号不如没安防盗网的室内手机信号好。
合作探究·释疑解惑
知识点一
知识点二
知识点三
对静电平衡的理解
问题引领
如图所示,将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。
(1)自由电子将向哪个方向移动?
试说明导体左、右两侧各呈现什么电荷。
(2)自由电子能否一直运动?为什么?
提示:(1)自由电子受向左的静电力,向左运动,左侧呈现负电荷,右侧呈现正电荷。(2)自由电子不会一直运动。因为感应电荷的电场和外加电场反向,阻碍电子的定向移动,当这两个电场大小相等时,电子将停止定向移动。
归纳提升
1.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0是指外电场E与导体两端的感应电荷产生的附加电场E'的电场强度的矢量和为零,即E'=-E。
2.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,电荷量相等,近异远同,如图甲所示。
(3)净电荷在导体表面的分布不均匀,一般越尖锐的地方电荷的分布越密集,如图乙所示。
典型例题
【例题1】 (多选)如图所示,在真空中把一绝缘导体AB向带负电的小球P缓慢地靠近(不相接触)时,下列说法正确的是
(　　)
A.B端的感应电荷越来越多
B.导体内部电场强度越来越大
C.导体的感应电荷在M点产生的电场强度大于在N点产生的电场强度
D.导体的感应电荷在M、N两点产生的电场强度相等
答案:AC
解析:绝缘导体移近带负电的小球P时,导体中的自由电子受到带负电小球P产生的电场的作用力变大,使自由电子不断地向B端移动,A、B两端的感应电荷不断增多,故选项A正确。由于导体AB是缓慢移动的,导体静电平衡是在很短的时间内完成的,缓慢移动过程中的各个状态带负电小球P产生的电场和导体AB上感应电荷的电场叠加的结果均会使导体内部各处的合电场强度总等于零,故选项B错误。M点距小球P的距离比N点要近,由 可知,带负电小球P在M点产生的电场强度大于在N点产生的电场强度;而导体内部的合电场强度
处处为零,那么导体上的感应电荷在M点产生的附加电场的电场强度就大于在N点产生的附加电场的电场强度,故选项C正确,选项D错误。
1.一个孤立的带电体,处于静电平衡时电荷只能分布在外表面。
2.净电荷是指导体内未被中和抵消的剩余电荷,感应电荷是指由于静电感应而使导体两端出现的等量异种电荷。
【变式训练1】 如图所示,把一个带正电的小球放入原来不带电的金属空腔球壳内并与内壁接触,其结果是(　　)
A.只有球壳外表面带正电
B.只有球壳内表面带正电
C.球壳的内、外表面都带正电
D.球壳的内表面带正电,外表面带负电
答案:A
解析:小球与金属球壳接触,就成了一个整体,由于静电平衡导体的电荷只分布在外表面上,故小球和内壁都不带电,正电荷全部分布在球壳外表面。
静电屏蔽的理解及应用
问题引领
下图为带有高电压的法拉第笼,笼内站有几名同学。法拉第笼内各处的电场强度是多大?为什么在带高电压的笼内的人安然无恙?
提示:处处为零;法拉第笼外壳是金属,能起屏蔽作用,所以在带高电压的笼内的人安然无恙。
归纳提升
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
典型例题
【例题2】 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(不和球壁接触),另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近,如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.A往左偏离竖直方向,B往右偏离竖直方向
B.A的位置不变,B往右偏离竖直方向
C.A往左偏离竖直方向,B的位置不变
D.A和B的位置都不变
答案:B
解析:球C对外界电场有静电屏蔽作用,使处于C内部的A球不受外界电场影响,所以A不偏移;但A在C的外表面感应出正电荷,也就是C不能屏蔽内部电荷向外激发电场,所以B将向右偏,B正确。
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,其本质都是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。
【变式训练2】 (多选)如图所示,带电体Q靠近一个接地空腔导体,空腔里面无电荷。在静电平衡后,下列物理量中等于零的是(　　)
A.导体腔内任意点的电场强度
B.导体腔外任意点的电场强度
C.导体外表面的电荷量
D.导体空腔内表面的电荷量
答案:AD
静电的利用
问题引领
静电虽然会有危害,但也可以利用,那么静电应用的原理是什么?
提示:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,利用静电力控制带电粒子的运动或分布。
归纳提升
静电也可以被人们利用。目前,静电的应用已有多种,如静电除尘、静电喷漆、静电植绒、静电复印等。依据的物理原理几乎都是让带电的物质微粒在静电力作用下奔向并吸附到电极上。
典型例题
【例题3】 静电除尘装置的示意图如图所示,它由金属管A和管中金属丝B组成,有关静电除尘的原理,以下说法正确的是(　　)
A.A接高压电源负极,B接高压电源正极
B.煤粉等烟尘吸附电子后被吸在B上
C.靠近B处电场强度大,B附近空气被电
离成阳离子和电子
D.煤粉等烟尘在强大电场作用下电离成
阴、阳离子,分别吸附在B和A上
答案:C
解析:除尘器圆筒的外壁连接在高压电源的正极,中间的金属丝连接到高压电源的负极,靠近金属丝的气体在强电场作用下,电离成阳离子和电子,电子飞向筒壁的过程中,附着在煤粉上,使煤粉飞向筒壁,最后在重力作用下落至筒底,故C正确,A、B、D均错误。
掌握静电场的特点,明确利用静电的特性和原理是分析解决实际问题的基础。
【变式训练3】 (多选)静电喷涂机原理如图所示。静电喷涂机接高压电源,工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动,微粒最后被吸附到工件表面。关于静电喷涂机的涂料微粒,下列表述正确的有(　　)
A.微粒带正电
B.微粒带负电
C.微粒可能带正电,也可能带负电
D.微粒受静电力作用
答案:BD
解析:本题通过考查静电的利用,激发学生的学习兴趣,培养科学态度。当涂料经过静电喷涂机喷嘴时,因为喷嘴与高压电源的负极相连,使得涂料微粒带负电,它们因同种电荷相互排斥而扩散开来,而被喷涂工件带正电,所以微粒在静电力的作用下奔向工件被吸附到工件表面,所以选项B、D正确。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(静电的防止)下列措施是为了防止静电产生危害的是(　　)
A.静电复印
B.静电喷漆
C.在高大的建筑物顶端装上避雷针
D.在高大的烟囱中安装静电除尘器
答案:C
解析:静电复印、静电喷漆、静电除尘均是静电的利用,在高大的建筑物顶端装上避雷针是防止静电产生危害,故本题应选C。
2.(静电屏蔽)如图所示,某人站在电压达几万伏的电极旁边,轻松地把玩着“闪电”,却安然无恙。据了解,他身上穿着一件特别的衣服叫“高压屏蔽服”。制成这种“高压屏蔽服”的材料可能是(　　)
A.玻璃 B.木屑
C.塑料片 D.金属丝
答案:D
解析:处于静电平衡的导体内部电场强度处处为0,金属导体能够屏蔽外电场,故选项D正确。
3.(静电平衡的理解)在点电荷-Q的电场中,一金属圆盘处于静电平衡状态,若圆平面与点电荷在同一平面内,则盘上感应电荷在盘中A点所激发的附加电场E'的方向在下图中正确的是
(　　)
答案:A
解析:感应电荷在盘中A点激发的附加电场E'应与-Q在A点产生的电场等大反向,故A正确。
4.(静电平衡的应用)一带有绝缘底座的空心金属球壳A带有4×10-8 C的正电荷,有绝缘柄的金属小球B带有2×10-8 C的负电荷,使B球与球壳A内壁接触,如图所示,则A、B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与A接触后,静电荷全部跑到外表面,内壁电荷量为零,故B电荷量为零,A电荷量为正、负电荷电荷量之和,即QA=2.0×10-8 C。