第4節(jié)　靜電的防止與利用

第4節(jié)靜電的防止與利用核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)知道什么是靜電平衡狀態(tài)，能說出靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體特點(diǎn)。(2)知道導(dǎo)體上電荷的分布特征，了解尖端放電、靜電屏蔽現(xiàn)象及其成因。科學(xué)思維會(huì)根據(jù)靜電平衡條件求解感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場強(qiáng)度?？茖W(xué)探究觀察演示實(shí)驗(yàn)并對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，體會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析推理的方法；查閱并搜集資料，了解靜電屏蔽在科技領(lǐng)域和生活中的應(yīng)用?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任能對公眾利用和防護(hù)靜電的一些行為發(fā)表自己的觀點(diǎn)，有進(jìn)行科學(xué)普及的興趣和責(zé)任感。一、靜電平衡1．靜電平衡：導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再發(fā)生_________的狀態(tài)。2．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其內(nèi)部的電場強(qiáng)度處處為___。3．導(dǎo)體上電荷的分布：(1)靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體_____沒有凈剩電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的_______。(2)在導(dǎo)體外表面，越尖銳的位置，電荷的密度(單位面積的電荷量)_____

，凹陷的位置幾乎沒有電荷。定向移動(dòng)0內(nèi)部外表面越大二、尖端放電1．空氣的電離：在一定條件下，導(dǎo)體尖端電荷_____很大，導(dǎo)體尖端周圍的強(qiáng)電場使空氣中殘留的帶電粒子發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)，并與空氣分子碰撞從而使空氣分子中的正負(fù)電荷_____的現(xiàn)象。2．尖端放電：所帶電荷與導(dǎo)體尖端的電荷符號(hào)相反的粒子，由于被______而奔向尖端，與尖端上的電荷_____，相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端_________的現(xiàn)象。密度分離吸引中和失去電荷3．尖端放電的應(yīng)用與防止(1)應(yīng)用：_______是利用尖端放電避免雷擊的一種設(shè)施。(2)防止：高壓設(shè)備中導(dǎo)體的表面盡量_____會(huì)減少電能的損失。處于靜電平衡中的導(dǎo)體，內(nèi)部任意一點(diǎn)處外電場的電場強(qiáng)度與所有感應(yīng)電荷的電場強(qiáng)度一定大小相等、方向相反。避雷針光滑三、靜電屏蔽1．靜電屏蔽靜電平衡時(shí)，空腔導(dǎo)體內(nèi)表面沒有電荷，導(dǎo)體殼內(nèi)空腔里的電場強(qiáng)度處處為__。外電場對殼內(nèi)的儀器不會(huì)產(chǎn)生影響，金屬殼的這種作用叫作_________。2．靜電屏蔽的應(yīng)用：電學(xué)儀器外面有金屬殼、野外高壓輸電線上方還有兩條導(dǎo)線與大地相連。0靜電屏蔽四、靜電吸附1．靜電吸附：在電場中，帶電粒子受到________的作用，向著電極運(yùn)動(dòng)，最后被吸附在電極上的現(xiàn)象。2．靜電除塵：當(dāng)空氣中的塵埃帶電時(shí)，在靜電力作用下，塵埃到達(dá)電極而被收集起來的過程。3．靜電噴漆：接負(fù)高壓的涂料霧化器噴出的油漆微粒帶負(fù)電，在靜電力作用下，這些微粒向著作為_____的工件運(yùn)動(dòng)，并沉積在工件表面。4．靜電復(fù)?。簭?fù)印機(jī)應(yīng)用了_________的原理，復(fù)印機(jī)的有機(jī)光導(dǎo)體鼓表面涂覆有機(jī)光導(dǎo)體(OPC)，無光照時(shí)，OPC是______，受到光照時(shí)變成導(dǎo)體。靜電力正極靜電吸附絕緣體1.如圖所示，當(dāng)一個(gè)帶電體靠近不帶電導(dǎo)體時(shí)，由于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子受到靜電力的作用，將向著與電場相反的方向定向移動(dòng)，從而使導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量異種電荷，這就是前面學(xué)習(xí)的靜電感應(yīng)現(xiàn)象。(1)這種定向移動(dòng)是無休止的嗎？(2)電荷的移動(dòng)對導(dǎo)體內(nèi)部的電場有影響嗎？提示：(1)不是，當(dāng)內(nèi)部電場強(qiáng)度為0時(shí)，自由電荷的定向移動(dòng)停止。(2)感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場抵消導(dǎo)體內(nèi)部電場。2．為防止雷擊對建筑物造成損壞，常在建筑物的頂端安裝避雷針，那么，避雷針是如何避免建筑物遭雷擊的？提示：當(dāng)帶電的雷雨云接近建筑物時(shí)，由于靜電感應(yīng)，金屬針出現(xiàn)與云層相反的電荷，通過尖端放電，這些電荷不斷向大氣釋放，中和空氣中的電荷，達(dá)到避免雷擊的目的。3．飛機(jī)在云層與云層之間飛行或起飛、著陸時(shí)都有可能遭遇雷擊(如圖所示)。但是當(dāng)飛機(jī)遭遇雷擊時(shí)，電流可以從雷電云到達(dá)飛機(jī)頭部，縱向流過機(jī)身外殼，最后從機(jī)尾凌空打到地上或從其中一機(jī)翼打過另一機(jī)翼，橫向流過機(jī)身，但不管怎樣，閃電都只會(huì)沿著飛機(jī)外殼流過，而不會(huì)進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)對乘客造成傷害，你知道這是為什么嗎？提示：靜電屏蔽。新知學(xué)習(xí)(一)|靜電平衡的特點(diǎn)及應(yīng)用[重點(diǎn)釋解]1．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零的本質(zhì)是外電場E0和感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場E′的合場強(qiáng)為0，即E0＝－E′。2．孤立的帶電導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)，內(nèi)部場強(qiáng)為0的本質(zhì)是分布在導(dǎo)體外表面的電荷在導(dǎo)體內(nèi)部的合場強(qiáng)為0。3．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其外表面任一點(diǎn)的場強(qiáng)方向跟該點(diǎn)的表面垂直。4．靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體上的電荷分布在導(dǎo)體的外表面，其內(nèi)部沒有凈剩電荷，且電荷在導(dǎo)體外表面的分布不均勻，越是尖銳的地方電荷的分布越密集。/方法技巧/求處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體的感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的方法(1)先求出外電場電場強(qiáng)度E外的大小和方向。(2)由于導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)，則滿足靜電平衡條件E合＝0。(3)由E外＋E感＝0，求出感應(yīng)電場E感的大小和方向。

[針對訓(xùn)練]1．如圖所示，一個(gè)方形的金屬盒原來不帶電，現(xiàn)將一個(gè)帶電荷量為＋Q的點(diǎn)電荷放在盒左邊附近，達(dá)到靜電平衡后，盒上的感應(yīng)電荷在盒內(nèi)部產(chǎn)生的電場分布情況正確的是

(

)解析：由于金屬盒內(nèi)部處于靜電平衡狀態(tài)，所以內(nèi)部每點(diǎn)的合電場強(qiáng)度都為0，即金屬盒上的感應(yīng)電荷在盒內(nèi)任一點(diǎn)產(chǎn)生的電場的電場強(qiáng)度都與點(diǎn)電荷＋Q在該點(diǎn)產(chǎn)生的電場的電場強(qiáng)度大小相等、方向相反，即感應(yīng)電荷的電場線與點(diǎn)電荷＋Q的電場線重合，但方向相反，故選項(xiàng)C正確。答案：C2．(2022·江蘇南通期末)如圖所示，將帶正電荷Q的導(dǎo)體球C靠近不帶電的導(dǎo)體，若沿虛線1將導(dǎo)體分成A、B兩部分，這兩部分所帶電荷量大小分別為QA、QB；若沿虛線2將導(dǎo)體分成兩部分，這兩部分所帶電荷量大小分別為QA′和QB′。對于上述實(shí)驗(yàn)，電荷量關(guān)系正確的是

(

)A．QA<QB，QA＝QA′

B．QA＝QB，QA>QA′C．QA′<QB′，QB＝QB′

D．QA′＝QB′，QB<QB′解析：當(dāng)導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)時(shí)，不管是沿虛線1將導(dǎo)體分開還是沿虛線2將導(dǎo)體分開，兩部分所帶異種電荷量的大小均相等，即QA＝QB，QA′＝QB′，若沿虛線1將導(dǎo)體分成A、B兩部分，由于虛線1距正電荷Q較遠(yuǎn)，A部分感應(yīng)出的正電荷較少，即B部分感應(yīng)出的負(fù)電荷較少，有QA<QA′，QB<QB′，故選D。答案：D新知學(xué)習(xí)(二)|對靜電屏蔽的理解和應(yīng)用[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]如圖所示為帶有高電壓的法拉第籠，籠內(nèi)站有幾名同學(xué)。請思考下列問題：(1)法拉第籠內(nèi)各處的電場強(qiáng)度是多大？提示：處處為零。(2)為什么在帶高電壓的籠內(nèi)的人安然無恙？提示：法拉第籠外殼是金屬，能起到靜電屏蔽作用，所以在帶高電壓的籠內(nèi)的人安然無恙。

[重點(diǎn)釋解]1．導(dǎo)體內(nèi)部不受外部電場影響的情況(1)現(xiàn)象：由于靜電感應(yīng)，驗(yàn)電器箔片張開，如圖甲所示。將驗(yàn)電器放入導(dǎo)體網(wǎng)罩內(nèi)部后驗(yàn)電器箔片不張開，如圖乙所示，即外部電場影響不到導(dǎo)體內(nèi)部。(2)本質(zhì)：是靜電感應(yīng)，導(dǎo)體外表面感應(yīng)電荷與外電場在導(dǎo)體內(nèi)部任一點(diǎn)的電場強(qiáng)度的疊加結(jié)果為零。2．接地導(dǎo)體殼內(nèi)部電場對殼外空間無影響的情況(1)現(xiàn)象①如圖甲所示，導(dǎo)體殼沒有接地時(shí)，處于內(nèi)部電場中，達(dá)到靜電平衡，導(dǎo)體殼內(nèi)外表面出現(xiàn)等量異種電荷，殼內(nèi)外表面之間電場強(qiáng)度處處為零，殼外電場強(qiáng)度不為零。②導(dǎo)體殼接地后，如圖乙所示，導(dǎo)體殼外的正電荷被大地負(fù)電荷中和，正電荷出現(xiàn)在地球的另一端無窮遠(yuǎn)處，導(dǎo)體殼內(nèi)外表面之間及導(dǎo)體殼外部電場強(qiáng)度處處為零，導(dǎo)體殼外部空間不受內(nèi)部影響。(2)本質(zhì)：仍然是靜電感應(yīng)，使導(dǎo)體殼內(nèi)表面感應(yīng)電荷與殼內(nèi)電荷在導(dǎo)體殼內(nèi)表面以外空間疊加結(jié)果為零

[針對訓(xùn)練]1．請用學(xué)過的電學(xué)知識(shí)判斷下列說法正確的是

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)A．維修高壓電路的電工穿絕緣衣比穿金屬衣安全B．制作汽油桶的材料用金屬比用塑料好C．小鳥停在單根高壓輸電線上會(huì)被電死D．打雷時(shí)，待在汽車?yán)锉却谀疚堇镆ｋU(xiǎn)解析：絕緣衣在高電壓下不能屏蔽高壓電場對人體的損害，而穿金屬衣可以對高壓電產(chǎn)生的電場起到屏蔽作用，A錯(cuò)誤；由電學(xué)知識(shí)可知，汽油桶用金屬材料制作時(shí)可以及時(shí)將產(chǎn)生的靜電導(dǎo)走，B正確；小鳥站在單根高壓輸電線上，因?yàn)閮勺χg電壓幾乎為零，故小鳥不會(huì)被電死，C錯(cuò)誤；由靜電屏蔽知識(shí)可知，打雷時(shí)待在汽車?yán)锔踩蔇錯(cuò)誤。答案：B2.(2022·浙江臺(tái)州期末)如圖所示為某帶電導(dǎo)體四周的電場線分布，M、N是電場中兩點(diǎn)，則

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)A．導(dǎo)體左側(cè)帶正電，右側(cè)帶負(fù)電B．導(dǎo)體左側(cè)的電荷分布密度大于右側(cè)C．M點(diǎn)的電場強(qiáng)度大于N點(diǎn)的電場強(qiáng)度D．導(dǎo)體內(nèi)部的P點(diǎn)場強(qiáng)為零解析：由電場線分布可知，導(dǎo)體左右兩側(cè)均帶正電，故A錯(cuò)誤；右側(cè)電場線分布較密集，可知導(dǎo)體電荷分布密度左側(cè)小于右側(cè)，故B錯(cuò)誤；因N點(diǎn)電場線較M點(diǎn)密集，則N點(diǎn)的電場強(qiáng)度大于M點(diǎn)的電場強(qiáng)度，故C錯(cuò)誤；導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)，所以內(nèi)部場強(qiáng)為零，故D正確。答案：D3．(2022·河北衡水期末)如圖所示，P是一個(gè)帶電體，S代表放在絕緣板上的一些小紙屑，而N是一個(gè)不帶電的空腔金屬球。那么，下列圖中的紙屑S不會(huì)被帶電體P吸引的是

(

)解析：由于空腔金屬球無論是否接地，都能把外部的電場屏蔽起來不讓它影響內(nèi)部，A正確；若把空腔金屬球接地，就能夠把內(nèi)部帶電體的電場屏蔽起來不讓它影響外部，B項(xiàng)中金屬球未接地，金屬球內(nèi)表面和外表面都有感應(yīng)電荷，紙屑S會(huì)被帶電體P吸引，B錯(cuò)誤；C、D選項(xiàng)中帶電體與紙屑在同一空間中，不構(gòu)成靜電屏蔽，會(huì)被吸引，C、D錯(cuò)誤，故選A。答案：A

一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

物理觀念——尖端放電的應(yīng)用1．(選自魯科版教材“物理聊吧”)請觀察建筑物上的避雷針(如圖)，看它們是如何巧妙設(shè)計(jì)的，分析它們?nèi)绾文馨踩姳芾?，它們的造型與建筑物是否協(xié)調(diào)，并與同學(xué)討論交流。提示：在古建筑物的屋頂、屋角設(shè)置各種造型的動(dòng)物，避雷針一端以動(dòng)物頭上的角須形式或巨獸的舌頭向上探出的形式巧妙安裝，另一端引入大地，從而起到引電避雷效果。

科學(xué)思維——靜電除塵的原理分析2．(選自魯科版教材課后練習(xí))(多選)靜電除塵器除塵原理如圖所示。塵埃在電場中通過某種機(jī)制帶電，在靜電力的作用下向收塵極遷移并沉積，以達(dá)到除塵目的。下列表述正確的是

(

)A．帶電塵埃帶正電荷B．電場方向由收塵極指向電暈極C．帶電塵埃所受靜電力的方向與電場方向相同D．在同一位置，帶電荷量越多的塵埃所受靜電力越大解析：由題圖可知，電暈極為負(fù)極，收塵極為正極，帶電塵埃必帶負(fù)電荷，電場方向指向電暈極，帶電塵埃受到的靜電力方向與電場方向相反，A、C錯(cuò)誤，B正確；在同一位置上，電場強(qiáng)度大小相同，帶電荷量越多的塵埃所受靜電力越大，故D正確。答案：BD二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價(jià)值1．復(fù)印機(jī)的核心部件是有機(jī)光導(dǎo)體鼓，它是在一個(gè)金屬圓柱表面涂蓋一層有機(jī)光導(dǎo)體OPC(沒有光照時(shí)OPC是絕緣體，受到光照時(shí)變成導(dǎo)體)而制成的。如圖所示，復(fù)印機(jī)的基本工作過程是：(1)在暗處的有機(jī)光導(dǎo)體鼓和一個(gè)金屬絲電極之間加上高電壓，金屬絲附近空氣發(fā)生電離，使轉(zhuǎn)動(dòng)鼓體均勻帶上正電荷；(2)文件反射的強(qiáng)光通過光學(xué)系統(tǒng)在鼓上成像，鼓上形成“靜電潛像”；(3)鼓體轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過墨粉盒，潛像將帶相反電荷的墨粉吸引到鼓體帶電部位；(4)鼓體繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過復(fù)印紙，帶電復(fù)印紙又將墨粉吸引到復(fù)印紙上。以下說法正確的是

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)A．步驟(1)中發(fā)生了靜電感應(yīng)現(xiàn)象

B．步驟(2)中發(fā)生了局部導(dǎo)電現(xiàn)象C．步驟(3)中發(fā)生了靜電平衡現(xiàn)象

D．步驟(4)中發(fā)生了靜電屏蔽現(xiàn)象解析：在暗處的有機(jī)光導(dǎo)體鼓和一個(gè)金屬絲電極間加高電壓，金屬絲附近的空氣發(fā)生電離，這是將空氣電離的現(xiàn)象，故A錯(cuò)誤；文件反射的強(qiáng)光使鼓體上部分OPC變成導(dǎo)體，將電荷導(dǎo)走，有字的部分則仍是絕緣體，保留電荷，這是局部導(dǎo)電現(xiàn)象，B正確；鼓體轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過墨粉盒，潛像將帶相反電荷的墨粉吸引到鼓體帶電部位，這是異種電荷相互吸引現(xiàn)象，C錯(cuò)誤；鼓體繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過復(fù)印紙，帶電復(fù)印紙又將墨粉吸引到復(fù)印紙上，這是異種電荷相互吸引現(xiàn)象，D錯(cuò)誤。答案：B2．(2022·浙江寧波聯(lián)考)對于下列幾幅圖中所涉及的物理現(xiàn)象或原理，以下說法不正確的是

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)A．甲圖中，該女生和帶電的金屬球帶有同種性質(zhì)的電荷B．乙圖為靜電除塵裝置的示意圖，帶負(fù)電的塵埃被收集在線狀電離器B上C．丙圖中，燃?xì)庠钪须娮狱c(diǎn)火器點(diǎn)火應(yīng)用了尖端放電的原理D．丁圖中，兩條優(yōu)質(zhì)的話筒線外面包裹著金屬外衣應(yīng)