高中物理人教版 (2019)必修 第三册4 静电的防止与利用学案设计

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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)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，凹陷的位置几乎没有电荷．
二、尖端放电
1．空气的电离：导体尖端电荷密度很大，附近的电场很强，强电场作用下的带电粒子剧烈运动，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：与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引，而与尖端上电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象．
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
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为0.外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响的作用叫作静电屏蔽．
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，向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)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．( × )
(5)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．( × )
(6)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号电荷．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电场力作用而移动，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．静电平衡时，导体上的电荷分布规律：
(1)净电荷只分布在导体外表面，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2甲所示．
(3)净电荷在导体外表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集，如图乙所示．
甲 乙
图2
长为l的导体棒原来不带电，现将一带电荷量为＋q的点电荷放在距棒左端R处，如图3所示．当棒达到静电平衡后，棒上的感应电荷在棒内中点P处产生的电场强度大小等于________，方向________．
图3
答案 eq \f(4kq,2R＋l2) 向左
解析 导体棒在点电荷＋q的电场中发生静电感应，左端出现负电荷，右端出现正电荷，棒中任意一点都受两个电场的影响，即外电场(＋q在该点形成的电场E0)和附加电场(棒上感应电荷在该点形成的电场E′)，达到静电平衡状态时E′＝－E0.题中所求的即为E′，E′＝－E0＝－eq \f(kq,R＋\f(l,2)2)＝－eq \f(4kq,2R＋l2)，负号代表E′和E0方向相反，即方向向左．
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 一金属球，原来不带电，现沿球直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN，如图4所示，金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的场强大小分别为Ea、Eb、Ec，三者相比，则( )
图4
A．Ea最大 B．Eb最大
C．Ec最大 D．Ea＝Eb＝Ec
答案 C
解析 处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零，故a、b、c三点的场强都为零．处于静电平衡状态的导体内部场强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场强与MN在这一点产生的电场的场强等大反向．比较a、b、c三点感应电场的场强，实质上是比较带电体MN在这三点的场强．由于c点离MN最近，故MN在c点的场强最大，感应电荷在c点的场强也最大，C正确．
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5所示，则A、B带电荷量分别为( )
图5
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球接触后成为一个新的导体，由于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．
针对训练2 (多选)如图6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( )
图6
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．用带绝缘外皮的导线把验电器A跟取电棒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项中可以使取电棒带电，从而使A带电；C项中用带绝缘外皮的导线连接实际上是将验电器A和C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项正确．
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？
(2)处于静电平衡状态的导体，其内部场强处处为零，若导体是空心的，则空心部分的场强怎样？静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的？
答案 (1)导体尖端的电荷密度很大，附近的电场很强，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动，把空气中的气体分子撞“散”，也就是使分子中的正、负电荷分离．这个现象叫作空气的电离．中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子．这些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，产生更多的带电粒子．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．
(2)空心部分场强为零．静电屏蔽是利用“处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零”，即使内部有自由电子，受到的电场力也为0，自由电子不发生定向移动．
知识深化
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7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7
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，金属网罩内电场强度为零，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．
1．(静电屏蔽)请用学过的电学知识判断下列说法正确的是( )
A．电工穿绝缘衣比穿金属衣安全
B．制作汽油桶的材料用金属比用塑料好
C．小鸟停在单根高压输电线上会被电死
D．打雷时，待在汽车里比待在木屋里要危险
答案 B
解析 电工穿绝缘衣容易产生大量的静电，反而比较危险，选项A错误．塑料油桶会因摩擦而带电，因为塑料是绝缘材料，不能把电荷导走，所以塑料油桶内易产生火花导致塑料油桶爆炸，选项B正确．小鸟停在单根高压输电线上时，加在小鸟两脚间的电压非常小，小鸟不会被电死，选项C错误．打雷时，待在汽车里，汽车的金属外壳起到静电屏蔽的作用，而木屋没有静电屏蔽作用，所以待在汽车里比待在木屋里要安全，选项D错误．
2．(尖端放电)如图8所示是模拟避雷针作用的实验装置，金属板M接高压电源的正极，金属板N接负极．金属板N上有两个等高的金属柱A、B，A为尖头，B为圆头．逐渐升高电源电压，当电压达到一定数值时，可看到放电现象．先产生放电现象的是( )
图8
A．A金属柱
B．B金属柱
C．A、B金属柱同时
D．可能是A金属柱，也可能是B金属柱
答案 A
解析 由于导体尖端电荷比较密集，更容易产生放电现象．
3．(静电除尘)下列关于静电除尘的说法中正确的是( )
A．进入除尘器后，烟雾中的颗粒被强电场电离而带正电，颗粒向电源负极运动
B．除尘器中的空气被电离，烟雾颗粒吸附电子而带负电，颗粒向电源正极运动
C．烟雾颗粒带电后，受到竖直向下的电场力而向下运动
D．烟雾颗粒被强电场粉碎成更小的颗粒，排到大气中人眼看不到
答案 B
解析 静电除尘器的两个电极接高压电源，极间形成强电场，使空气发生电离，自由电子在电场力作用下，向正极加速运动，电子被烟雾颗粒吸附后，一起向电源正极运动，在正极积聚大量颗粒，在重力作用下，从除尘器的下部排出，B正确．
4．(静电喷漆)(多选)静电喷漆是利用静电现象制造的，其喷涂原理如图9所示，则以下说法正确的是( )
图9
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 由正电荷对涂料的吸引作用可得出涂料带负电荷．
5．(静电平衡)在点电荷－Q形成的电场中，一金属圆盘处于静电平衡状态，若圆盘所在平面与点电荷在同一平面内，则能正确表示圆盘上感应电荷在圆盘中A点所激发的附加场强E′的方向的是下图中的( )
答案 A
解析 由于圆盘处于静电平衡状态，感应电荷在圆盘中A点激发的附加场强E′应与－Q在A点产生的场强E等大反向，选项A正确．
6．(感应电荷场强的计算)如图10所示，点电荷A和B带电荷量分别为＋3.0×10－8 C和－2.4×10－8 C，彼此相距6 cm.若在两点电荷连线中点O处放一个半径为1 cm 的金属球壳，求球壳上感应电荷在O点处产生的电场强度．(静电力常量k＝9×109 N·m2/C2)
图10
答案 5.4×105 N/C，方向由O指向A
解析 ＋q1在O点的场强大小为E1＝keq \f(q1,\f(d,2)2)＝3×105 N/C，方向由O指向B；－q2在O点的场强大小为E2＝keq \f(q2,\f(d,2)2)＝2.4×105 N/C，方向由O指向B；设感应电荷在O点处产生的场强大小为E3，由静电平衡条件知E3＝E1＋E2＝5.4×105 N/C，方向由O指向A.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