第1章　第5节　静电的利用与防护—2020-2021学年新教材鲁科版（2019）高中物理必修三课件（31张PPT）

第5节　静电的利用与防护
必备知识
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一、静电的利用
1.静电除尘
(1)原理:接高压电源负极的金属丝A悬挂于接电源正极的金属筒B中,当电压达到一定值时,金属丝(电晕极)与筒(收尘极)之间形成很强的电场,使空气电离,大部分烟雾颗粒或粉尘在吸附电离所产生的负电荷后,在电场力作用下向金属筒运动,并落在金属筒上,通过除尘后的气体则从出口排出。
(2)优点:与其他除尘方式相比,静电除尘耗能少,效率高。
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2.静电喷雾
静电喷雾是通过高压静电发生装置使喷出的雾滴带电的喷雾方法,广泛用于农药喷洒或汽车、家电外壳喷涂等。
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(1)原理:喷口上的金属导流管接高压电源负极,被涂工件接高压电源正极并接地,这样在喷口和工件之间便形了较强的静电场。当涂料从输料管进入导流管的喷口时,由于导流管接上高压负极发生放电,周围产生密集的电荷,涂料微粒带上负电荷,在静电力和高压空气的作用下飞向工件,并均匀地吸附在工件表面。再经过干燥或加热,涂料固化成厚度均匀、质地坚固的涂层,这样喷涂工作便完成了。
3.其他应用:激光打印、空气净化器,用静电处理种子提高发芽率,利用静电处理水,既能杀菌,又能减少水垢等。
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二、静电的防护
1.静电的危害
(1)静电吸附尘埃会对印刷、制药、合成纤维等工业生产带来危害。
(2)静电对精密仪器有干扰甚至毁坏作用。
(3)静电最大的危害是静电火花点燃某些易燃物质而引起爆炸。
2.雷击的原理:带电云层接近地面时,地面上的物体由于静电感应而带异种电荷,这些感应电荷分布在高大建筑物、大树等突出的物体上,物体和云层间形成很强的电场,使空气电离,云层与地面间形成强烈的火花放电。
3.防止静电危害的方法之一是尽快把静电导入地下。
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4.避雷针的工作原理:
(1)避雷针:人们通常在高大建筑物上安装尖端导体,并用符合规格的导线与埋在地下的接地装置连接起来,这种装置称为避雷针。
(2)工作原理:当带电云层接近时,避雷针上的感应电荷在其附近产生强电场,使避雷针与带电云层间的空气电离,电荷通过避雷针和符合规格的导线被直接引入大地,从而达到保护建筑物的目的。
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三、静电平衡
1.静电平衡:放在电场中的导体,当导体内部总电场强度为零时,导体内的自由电子不再定向移动。
2.静电平衡的特点:处于静电平衡状态的导体,内部电场强度处处为零,电荷只分布在导体的外表面上。
四、静电屏蔽
如果导体是中空的,当它达到静电平衡时内部合电场强度为零。这样,导体的表面就会对它的内部起到“保护”作用,使其内部不受外部电场的影响。这种现象称为静电屏蔽。
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1.正误判断。
(1)防止静电危害的方法之一是尽快把静电导入地下。(　　)
答案:√
(2)静电平衡时,导体内的自由电子不再定向移动。(　　)
解析:静电平衡时,导体内部电场强度为零,自由电子不再定向移动。
答案:√
(3)静电平衡时导体内部电场强度为零。(　　)
解析:静电平衡时,导体内部感应电荷的电场与原电场叠加,合电场强度为零。
答案:√
必备知识
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2.以下叙述中属于静电危害的是　　　　　;属于静电防护的是　　　　　,属于静电利用的是　　　　　。?
A.在建筑物顶上安装避雷针
B.人在地毯上行走后,接触金属把手时有触电的感觉
C.油罐车上连接拖地铁链
D.静电植绒、静电复印
答案:B　AC　D
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3.(多选)静电喷涂时,喷枪带负电。被喷工件带正电,喷枪喷出的涂料微粒带负电。假设微粒被喷出后只受静电力作用,最后吸附在工件表面。微粒在向工件靠近的过程中(　　)
A.克服电场力做功 B.动能逐渐增大
C.沿着电场线运动 D.加速度先减小后增大
必备知识
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解析:涂料微粒所受的电场力方向大体向左,其位移方向大体向左,则电场力对涂料微粒做正功,动能增加,A错误,B正确;由于涂料微粒有初速度,故不一定沿电场线方向运动,C错误;涂料微粒的重力不计,根据电场线的分布可知,所受电场力先减小后增大,则加速度先减小后增大,D正确。
答案:BD
探究一
探究二
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静电平衡
情境探究
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?
探究一
探究二
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要点提示:(1)自由电子受外加电场的静电力作用而定向移动,向着与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。
探究一
探究二
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知识归纳
1.静电平衡:金属导体放到电场中,导体内的自由电子在静电力作用下,将向着与电场相反的方向定向移动。在导体的两个侧面上将出现正负电荷。导体两个侧面出现的正负感应电荷在导体内部产生的附加电场E'与外加电场E0的方向相反,附加电场阻碍自由电子的定向移动,只要外电场电场强度大于附加电场电场强度,自由电子的定向移动就会继续进行,导体两个侧面的感应电荷就会进一步增加,附加电场就会进一步增强,当这两个电场叠加使导体内部各点的合电场强度等于0时,导体内的自由电子不再发生定向移动,导体达到了静电平衡。
探究一
探究二
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2.处于静电平衡状态的导体,内部的电场强度处处为0。即外电场与感应电荷的附加场等大、反向。
3.处于静电平衡的导体电荷只分布在导体的外表面,导体内部没有净剩电荷。形状不规则的导体外表面,电荷分布不均匀,电场强度也不相等。越尖锐的位置,电荷的密度越大,周围的电场强度越大。
4.一个孤立的带电导体,在自身所带电荷的电场中,处于静电平衡状态,具有静电平衡的所有特点。
探究一
探究二
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实例引导
例1如图所示,把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正点电荷形成的电场中,导体处于静电平衡状态。下列说法正确的是(　　)
A.导体内部A点的电场强度大于B点的电场强度
B.感应电荷在A、B两点产生的附加电场强度EA=EB
C.感应电荷在A、B两点产生的附加电场强度EA D.当开关S闭合时,电子从大地沿导线向导体移动
探究一
探究二
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解析:枕形导体在点电荷附近,出现静电感应现象,导致电荷重新分布,因此在枕形导体内部出现感应电荷的电场与点电荷的电场叠加,静电平衡时,导体内部电场强度处处为零,A错误;导体内部的电场强度处处为零,所以感应电荷产生的附加电场强度的大小与点电荷产生的电场强度的大小相等、方向相反,故EA>EB,B、C错误;当开关S闭合时,电子从大地沿导线向导体移动,中和导体B端多余的正电荷,D正确。
答案:D
探究一
探究二
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规律方法 求解感应电荷的电场强度的方法——转化为外电场的电场强度
导体处于静电平衡时,内部电场强度处处为零,即感应电荷的电场与外电场的电场强度的矢量和为零。即在导体内任一点,感应电荷的电场强度与外电场的电场强度大小相等、方向相反。据此,只要求出外电场的电场强度,也就求出了感应电荷的电场强度。
探究一
探究二
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变式训练一金属球,原来不带电。现沿球的直径的延长线放置一均匀带电的细杆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三点的电场强度大小分别为Ea、Eb、Ec,三者相比(　　)
A.Ea最大 B.Eb最大
C.Ec最大 D.Ea=Eb=Ec
探究一
探究二
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解析:处于静电平衡的导体内部电场强度处处为零,故a、b、c三点的电场强度都为零。静电平衡的导体内部电场强度为零是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果,所以感应电荷在球内某点产生的电场的电场强度与MN在这一点形成的电场的电场强度等大反向,比较a、b、c三点感应电场的电场强度,实质上是比较带电体MN的电场在这三点的电场强度,由于c点离MN最近,故MN的电场在c点的电场强度最大,感应电荷电场在c点的电场强度也最大,故C对。
答案:C
探究一
探究二
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尖端放电和静电屏蔽
情境探究
1.避雷针是利用尖端放电保护建筑物的一种设施,其原理是什么?
2.静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的?
要点提示:1.当带电的雷雨云接近建筑物时,由于静电感应,避雷针感应出与云层相反的电荷。通过尖端放电,这些电荷不断向大气释放,中和空气中的电荷,使建筑物避免雷击。
2.处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为零,即使导体壳外有电场,由于壳内电场强度保持为0,外电场对壳内的物体不会产生影响。
探究一
探究二
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知识归纳
1.尖端放电:导体尖端电荷密度大,周围的电场强度大,把周围的空气电离,带电粒子在强电场的作用下加速撞击空气中的其他分子使它们进一步电离,所带电荷与导体尖端电性相反的粒子被吸引而奔向尖端与尖端上的电荷中和。
2.静电屏蔽
静电屏蔽的实质:利用静电感应现象,使金属壳内感应电荷的电场和外加电场矢量和为零,好像金属壳将外电场“挡”在外面,即所谓的屏蔽作用,实质则是壳内两种电场并存,矢量和为零。
探究一
探究二
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例2下列实验中,验电器的金属箔片会张开的是　　　　。?
解析:A中不会张开,金属网可以屏蔽外电场。B中会张开,因为金属网未接地,网内的带电体可以对外界产生影响。
答案:B
探究一
探究二
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1.一个带电的金属球,当它所带电荷量增加后(稳定),其内部的电场强度(　　)
A.一定增强 B.不变
C.一定减弱 D.可能增强,也可能减弱
解析:孤立带电金属球处于静电平衡,则内部电场强度为零,电荷量增加,瞬间再次达到静电平衡,电场强度仍为零。
答案:B
探究一
探究二
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2.(多选)如图所示,在绝缘板上放有一个不带电的金属箔验电器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金属箔片张开的是(　　)
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.用绝缘导线把验电器跟取电棒C的导体部分相连,再把取电棒与B的内壁接触
D.使验电器A靠近B
探究一
探究二
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解析:选项A中,由于净电荷只分布在导体外表面上,所以不能使小球C带上电荷,再移出C与A的金属小球接触,无论操作多少次,都不能使A带电,故A错误;用取电棒C先跟B的外壁接触一下后再跟A接触,由于净电荷只分布在导体外表面上,所以能使小球C带上电荷,C与A接触时A能带电,使金属箔片张开,故B正确;用绝缘导线把验电器跟取电棒C的导体部分相连,再把取电棒与B的内壁接触后三者组成新的导体,电荷将转移到A,使金属箔片张开,故C正确;使验电器A靠近B,A将由于静电感应,金属球带上负电荷,而金属箔片带上正电荷,使金属箔片张开,故D正确。
答案:BCD
探究一
探究二
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3.如图所示为空腔球形导体(不带电),现将一个带正电的小金属球放入腔内,静电平衡时,图中A、B、C三点的电场强度E的关系是(　　)
A.EA>EB>EC B.EA=EB>EC
C.EA=EB=EC D.EA>EC>EB
解析:画出系统静电平衡后,空腔导体上感应电荷与导体内外的电场线的分布图如图所示,从图中可以看出:EA>EB>EC(C点在导体内部合电场强度为零)。
答案:A
探究一
探究二
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4.电工穿的高压作业服是用铜丝编织的,下列说法正确的是(　　)
A.铜丝编织的衣服不易拉破
B.电工被铜丝衣服所包裹,比较柔软便于操作
C.电工被铜丝衣服所包裹,使体内电场强度为零
D.铜线电阻小,能对人体起到保护作用
解析:高压线路的检修人员在进行高压作业时,要穿上用铜丝网制成的高压作业服,相当于把人体用铜丝网罩起来。这样,外部电场就不会影响到人体,从而避免了电场对人体的伤害。故选项C正确。
答案:C
探究一
探究二
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5.如图为静电除尘器除尘机理的示意图。尘埃在电场中通过某种机制带电,在静电力的作用下向集尘极迁移并沉积,以达到除尘的目的。下列表述正确的是(　　)
A.到达集尘极的尘埃带正电荷
B.电场方向由放电极指向集尘极
C.带电尘埃所受静电力的方向与电场方向相同
D.同一位置带电荷量越多的尘埃所受静电力越大
探究一
探究二
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解析:尘埃在静电力作用下向集尘极迁移并沉积,说明尘埃带负电,A错;由于集尘极与电池的正极连接,电场方向由集尘板指向放电极,B错;负电荷在电场中受静电力的方向与静电力方向相反,C错;根据F=qE可得,同一位置带电荷量越多的尘埃所受静电力越大,故D对。
答案:D