高中物理人教版 (2019)必修 第三册4 静电的防止与利用巩固练习

4　静电的防止与利用

[学习目标]　1.知道什么是静电平衡状态，能说出静电平衡状态下的导体特点.2.知道导体上电荷的分布特征，了解尖端放电、静电屏蔽现象及其成因.3.了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理.

一、静电平衡

1.静电平衡：导体内的自由电子不再发生定向移动的状态.

2.处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0.

3.导体上电荷的分布：

(1)静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，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，凹陷的位置几乎没有电荷.

二、尖端放电

1.空气的电离：在一定条件下，导体尖端电荷密度很大，导体尖端周围的强电场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.

2.尖端放电：所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引，而与尖端上的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象.

3.尖端放电的应用与防止：

(1)应用：避雷针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，空腔导体内表面没有电荷，导体壳内空腔里的电场强度处处为0.外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响，金属壳的这种作用叫作静电屏蔽.

2.静电屏蔽的应用：电学仪器外面有金属壳、野外高压线上方还有两条导线与大地相连.

四、静电吸附

1.静电吸附：在电场中，带电粒子在静电力作用下，向着电极运动，最后被吸附在电极上的现象.

2.静电除尘：当空气中的尘埃带电时，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来的过程.

3.静电喷漆：接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电，在静电力作用下，这些微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件表面.

4.静电复印：复印机应用了静电吸附的原理，复印机的有机光导体鼓表面涂覆有机光导体(OPC)，无光照时，OPC是绝缘体，受光照时变成导体.

判断下列说法的正误.

(1)处于静电平衡状态下的导体内部的外加电场与附加电场的矢量和为零，即导体内部的电场强度处处为零.(　√　)

(2)静电平衡时，导体内部表现为电中性，电荷都分布在外表面，导体内部没有净剩电荷.(　√　)

(3)一个孤立的带电体，在自身所带电荷的电场中，处于静电平衡状态，不具有静电平衡的特点.(　×　)

(4)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.(　×　)

(5)电工穿的高压作业服是用铜丝编织的，目的是铜丝衣服有屏蔽作用，使体内场强为零.(　√　)

一、静电平衡

导学探究　如图1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：

图1

(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.

知识深化

1.处于静电平衡状态的导体内部场强为零的本质是外电场E0和感应电荷产生的电场E′的合场强为0，即E0＝－E′.

2.孤立的带电导体处于静电平衡状态，内部场强为0的本质是分布在导体外表面的电荷在导体内部的合场强为0.

3.处于静电平衡状态的导体，其外表面任一点的场强方向跟该点的表面垂直.

4.静电平衡时，导体上的电荷分布在导体的外表面，其内部没有净电荷，且净电荷在导体外表面的分布不均匀，越是尖锐的地方电荷的分布越密集.

如图2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(　　)

图2

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＜EB

D.当开关S闭合时，电子从大地沿导线向导体移动

答案　D

解析　枕形导体在正点电荷附近，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，D正确.

求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的场强的方法是：

1先求出外电场场强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.

针对训练1　(2021·河北衡水中学月考)矩形金属导体处于正点电荷Q产生的电场中，静电平衡时感应电荷产生的电场在导体内的电场线分布情况正确的是(　　)

答案　A

解析　导体处于静电平衡状态时，导体内部场强处处为0，感应电荷在导体内部某处产生的电场与场源电荷Q在此处产生的电场场强大小相等，方向相反，故A正确，B、C、D错误.

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3所示，则A、B带电荷量分别为(　　)

图3

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球内壁接触后成为一个新的导体，处于静电平衡状态，内部净电荷量为零，带电导体的电荷只能分布于导体的外表面，故QB＝0，QA＝4×10－8 C－2×10－8 C＝2×10－8 C，B正确.

二、尖端放电　静电屏蔽

导学探究

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？

答案　当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反的电荷.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.静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的？

答案　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.

知识深化

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分子，使它们进一步电离，所带电荷与导体尖端的电荷符号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

(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

如图4所示，放在绝缘台上的金属网罩B内放有一个不带电的验电器C，若把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则(　　)

图4

A.金属罩B的内表面带正电荷

B.金属罩B的右侧外表面带正电荷

C.验电器C的金属箔片将张开

D.金属罩B左、右两侧电荷电性相同

答案　B

解析　金属罩B处于静电平衡状态，电荷分布在其外表面上，所以A错误；由于静电感应，使金属罩B在左侧外表面感应出负电荷，所以金属罩B的右侧外表面感应出正电荷，B正确，D错误；由于静电屏蔽，金属罩内电场强度为零，故验电器C上无感应电荷，验电器C的金属箔片不会张开，C错误.

针对训练2　将悬挂在绝缘细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内(不与球接触)，另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，如图5所示，则(　　)

图5

A.A向左偏离竖直方向，B向右偏离竖直方向

B.A的位置不变，B向右偏离竖直方向

C.A向左偏离竖直方向，B的位置不变

D.A和B的位置都不变

答案　B

解析　带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内，由于静电感应，空心球外壳带正电，内壁带负电，因此B所在处有电场，所以B在静电力作用下向右偏而靠近C；由于空心球能屏蔽B球的电场，所以，A所在处电场强度为零，故A球不受静电力作用，位置不变.故B正确.

三、静电吸附

(多选)如图6所示为静电除尘示意图，在M、N两点间加高压电源时，金属管内的空气电离，电离出的电子在静电力的作用下运动，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电荷，因而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(　　)

图6

A.N接电源的正极   B.M接电源的正极

C.电场强度EB＞EA   D.电场强度EB＜EA

答案　AC

解析　电子附着在煤粉上，使煤粉带上负电荷，煤粉若能吸附在管壁上，说明管壁带正电荷，因此可知N接电源正极，A正确，B错误.金属棒与金属管可看成圆柱电极与圆环电极，电场线分布情况如图所示.由图可知金属棒附近的B点处电场线较密，而靠近金属管壁的A点处电场线较疏，故B处场强比A处场强大，即EB＞EA，C正确，D错误.

考点一　静电平衡

1.一个带电的金属球，当它带的电荷量增加后(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

答案　B

解析　孤立的带电金属球处于静电平衡，则内部电场强度为零，当它带的电荷量增加，再次达到静电平衡，则其内部电场强度仍为零，故B正确.

2.(多选)如图1所示，当在真空中把一不带电导体AB向带负电的小球P缓慢地靠近(不接触，且未发生放电现象)时，下列说法正确的是(　　)

图1

A.B端的感应电荷越来越多

B.导体内部场强越来越大

C.导体上的感应电荷在M点产生的场强大于在N点产生的场强

D.导体上的感应电荷在M、N两点产生的场强相等

答案　AC

解析　由于导体AB缓慢移动，所以导体AB内部可以认为始终处于静电平衡状态，导体内部场强始终为零，选项B错误；由于导体AB距P越来越近，所以导体A、B两端积累的感应电荷会越来越多，选项A正确；M点距小球P的距离比N点要近，带负电的小球P在M点产生的场强大于在N点产生的场强，而导体内部的合场强处处为零，那么导体上的感应电荷在M点产生的场强就大于在N点产生的场强，故选项C正确，选项D错误.

考点二　尖端放电　静电屏蔽

3.下列应用与防护不属于尖端放电现象的是(　　)

A.一般高压设备中导体的表面应该尽量光滑

B.一般马路表面建造的很平滑

C.夜间高压线周围会出现一层绿色光晕

D.一般高楼大厦顶部装有避雷针

答案　B

解析　马路表面建造的很平滑与静电无关，A、C、D属于尖端放电现象，故选B.

4.下列与静电屏蔽无关的是(　　)

A.避雷针的顶端做得很尖细

B.用几万伏的高压电电击关在金属笼里的鸟，而鸟安然无恙

C.超高压带电作业的工作人员穿戴的工作服用包含金属丝的织物制成

D.电视闭路线芯外常包有一层金属网

答案　A

解析　避雷针是应用尖端放电的原理，其余三项均是利用了金属对内部的静电屏蔽作用.

5.如图2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(　　)

图2

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，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.

 考点三　静电吸附

6.(多选)静电喷漆是利用静电吸附现象制造的，其喷涂原理如图3所示，则以下说法正确的是(　　)

图3

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.涂料微粒可能带正电，也可能带负电

答案　AC

解析　工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动，是由于喷枪喷嘴与被涂工件之间形成了强电场，由正电荷对涂料微粒的吸引作用可得出涂料微粒带负电，故A、C正确.

7.如图4为静电除尘器除尘原理的示意图.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(　　)

图4

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

答案　D

解析　由于集尘极与电源的正极连接，尘埃在静电力作用下向集尘极迁移并沉积，说明到达集尘极的尘埃带负电，A错；电场方向由集尘极指向放电极，B错；尘埃带负电荷，在电场中受静电力的方向与电场方向相反，C错；根据F＝qE可知，同一位置带电荷量越多的尘埃所受静电力越大，D正确.

8.(多选)如图所示的四组静电实验中，能使左边的验电器的金属箔片张开的是(　　)

答案　AC

解析　处于静电平衡状态下的导体所带的电荷分布在导体的外表面，A项正确，B项错误；C项因导线与右侧验电器的金属盒表面接触，左侧验电器相当于右侧验电器的远端，金属箔片应张开，D项中左边的验电器处于金属网罩的静电屏蔽中，左边验电器的金属箔片不会张开，C项正确，D项错误.

9.如图5所示，较厚的空腔球形导体壳中心处有一个正点电荷，则图中a、b、c、d各点的电场强度大小关系为(　　)

图5

A.Ea>Eb>Ec>Ed

B.Ea>Ec＝Ed>Eb

C.Ea>Ec>Ed>Eb

D.Ea<Eb<Ec＝Ed

答案　C

解析　当静电平衡时，空腔球形导体壳内壁感应出负电荷，外壁感应出正电荷，感应电荷形成的电场与点电荷形成的电场叠加，导致空腔球形导体壳中场强为零.画出电场线的大致分布如图所示.由于a处电场线较密，c处电场线较疏，d处电场线最疏，b处场强为零，则Ea>Ec>Ed>Eb，C正确.