2025年高中物理新教材同步 必修第三冊(cè) 第9章　4　靜電的防止與利用

4靜電的防止與利用[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道什么是靜電平衡，能掌握靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特點(diǎn)(難點(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(重點(diǎn))。3.了解靜電除塵、靜電噴漆、靜電復(fù)印的工作原理。一、靜電平衡如圖所示，不帶電的金屬導(dǎo)體放到電場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子將發(fā)生定向移動(dòng)，使導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量異種電荷。請(qǐng)思考下列問題：(1)自由電子定向移動(dòng)的原因是什么？定向移動(dòng)的方向如何？(2)自由電子能否一直定向移動(dòng)？為什么？答案(1)自由電子受外加電場(chǎng)的靜電力作用而定向移動(dòng)，向著與電場(chǎng)相反的方向定向移動(dòng)。(2)不能。感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向相反，阻礙電子的定向移動(dòng)，當(dāng)這兩個(gè)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小相等時(shí)，電子的定向移動(dòng)終止。1．靜電平衡：導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再發(fā)生定向移動(dòng)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(chǎng)強(qiáng)度處處為0，即外電場(chǎng)E0和感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)E′的關(guān)系為E0＝－E′。3．導(dǎo)體上電荷的分布：(1)靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈剩電荷(未被抵消的電荷)，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面。(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)越大，凹陷的位置幾乎沒有電荷。4．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其外表面任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度方向跟該點(diǎn)的表面垂直。(1)處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體表面和內(nèi)部的合電場(chǎng)強(qiáng)度均為零。(×)(2)靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部不再有電荷的定向移動(dòng)。(√)(3)一個(gè)孤立的帶電體，在自身所帶電荷的電場(chǎng)中，處于靜電平衡狀態(tài)，不具有靜電平衡的特點(diǎn)。(×)例1(多選)(2023·河北省邢臺(tái)市第二中學(xué)高二期中)如圖所示，長為l的金屬棒原來不帶電，現(xiàn)將一個(gè)帶負(fù)電的點(diǎn)電荷(電荷量的絕對(duì)值為q)放在金屬棒的中心軸線上距離棒的左端R處。當(dāng)金屬棒達(dá)到靜電平衡后，已知O點(diǎn)為金屬棒的中點(diǎn)，靜電力常量為k，以下說法正確的是()A．棒上感應(yīng)電荷在O點(diǎn)處產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為零B．棒上O點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度為零C．負(fù)點(diǎn)電荷在O點(diǎn)處產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為keq\f(q,R＋\f(l,2)2)，方向沿Oq連線且指向qD．棒上感應(yīng)電荷在棒的中點(diǎn)O處產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為keq\f(q,R＋\f(l,2)2)，方向沿Oq連線且指向q答案BC解析金屬棒達(dá)到靜電平衡時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零，由于負(fù)點(diǎn)電荷q在棒中心O處產(chǎn)生的電場(chǎng)方向沿Oq連線且指向q，所以棒上感應(yīng)電荷在棒中心O處產(chǎn)生的電場(chǎng)方向沿Oq連線且指向O，大小與負(fù)點(diǎn)電荷q在O點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度相等，則有E＝keq\f(q,R＋\f(l,2)2)，故A、D錯(cuò)誤，B、C正確。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(chǎng)強(qiáng)度的方法是：(1)先求出外電場(chǎng)電場(chǎng)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(chǎng)E感的大小和方向。例2一個(gè)帶絕緣底座的空心金屬球A帶有4×10－8C的正電荷，上端開有適當(dāng)小孔，有絕緣柄的金屬小球B帶有2×10－8C的負(fù)電荷，使B球和A球內(nèi)壁接觸，如圖所示，則A、B所帶電荷量分別為()A．QA＝1×10－8CQB＝1×10－8CB．QA＝2×10－8CQB＝0C．QA＝0QB＝2×10－8CD．QA＝4×10－8CQB＝－2×10－8C答案B解析B球與A球內(nèi)壁接觸后成為一個(gè)新的導(dǎo)體，處于靜電平衡狀態(tài)，內(nèi)部凈電荷量為零，帶電導(dǎo)體的電荷只能分布于導(dǎo)體的外表面，故QB＝0，QA＝4×10－8C－2×10－8C＝2×10－8C，B正確。二、尖端放電1．空氣的電離：在一定條件下，導(dǎo)體尖端電荷密度很大，導(dǎo)體尖端周圍的強(qiáng)電場(chǎng)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)電荷分離，這種現(xiàn)象叫作空氣的電離。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，由于被吸引，而與尖端上的電荷中和，相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷的現(xiàn)象。3．尖端放電的應(yīng)用與防止：(1)應(yīng)用：避雷針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)體的表面盡量光滑會(huì)減少電能的損失。(1)驗(yàn)電器的金屬桿上端固定一個(gè)金屬球而不是做成針尖狀，這是為了防止尖端放電。(√)(2)避雷針避雷的原理是尖端放電能將云層中的電荷中和。(√)(3)為了美觀，通常把避雷針頂端設(shè)計(jì)成球形。(×)(4)為了避免因尖端放電而損失電能，高壓輸電導(dǎo)線表面要盡量光滑。(√)例3(2021·浙江6月選考)如圖所示，在火箭發(fā)射塔周圍有鋼鐵制成的四座高塔，高塔的功能最有可能是()A．探測(cè)發(fā)射臺(tái)周圍風(fēng)力的大小B．發(fā)射與航天器聯(lián)系的電磁波C．預(yù)防雷電擊中待發(fā)射的火箭D．測(cè)量火箭發(fā)射過程的速度和加速度答案C解析在火箭發(fā)射塔周圍有鋼鐵制成的四座高塔，其功能是預(yù)防雷電擊中待發(fā)射的火箭，故選C。三、靜電屏蔽1．定義：導(dǎo)體殼(或金屬殼)內(nèi)達(dá)到靜電平衡后，外電場(chǎng)對(duì)內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生影響，金屬殼的這種作用叫作靜電屏蔽。2．實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)是利用了靜電感應(yīng)現(xiàn)象，使金屬殼內(nèi)的感應(yīng)電荷的電場(chǎng)和外加電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量和為零。3．應(yīng)用：(1)生活中有很多對(duì)靜電屏蔽的應(yīng)用，以此來保護(hù)殼內(nèi)儀器不受外加電場(chǎng)影響。例如：電子儀器外部加裝金屬殼，通信電纜外面包有一層金屬網(wǎng)，高壓線路檢修人員要穿屏蔽服。(2)靜電屏蔽不一定要用密封的金屬容器，金屬網(wǎng)也能起到屏蔽的作用，在野外的高壓輸電線的三條輸電線上方還有兩條導(dǎo)線，它們的作用就是與大地相連形成一個(gè)稀疏的金屬網(wǎng)，以此來保護(hù)高壓輸電線不受雷擊。(1)打雷時(shí)，人呆在汽車?yán)镆却粼谀疚堇锇踩?√)(2)有線電視信號(hào)線外面有一層金屬絲，是為了靜電屏蔽，使信號(hào)不受干擾。(√)(3)靜電屏蔽一定要用密封的金屬容器，金屬網(wǎng)不能起到屏蔽作用。(×)例4下列關(guān)于靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)的說法正確的是()A．甲圖中驗(yàn)電器的金屬箔張開B．乙圖中驗(yàn)電器的金屬箔不會(huì)張開C．丙圖中驗(yàn)電器的金屬箔不會(huì)張開D．甲、乙、丙三圖中驗(yàn)電器的金屬箔都張開答案C解析題圖甲中金屬網(wǎng)達(dá)到靜電平衡，內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為零，金屬箔不會(huì)張開，金屬網(wǎng)屏蔽了外電場(chǎng)，故A、D錯(cuò)誤；題圖乙中金屬網(wǎng)未接地，網(wǎng)內(nèi)的帶電體在金屬網(wǎng)內(nèi)側(cè)感應(yīng)出負(fù)電荷，金屬網(wǎng)外側(cè)產(chǎn)生等量的正電荷，正電荷在金屬網(wǎng)外側(cè)有電場(chǎng)，對(duì)外界產(chǎn)生影響，所以金屬箔會(huì)張開，故B錯(cuò)誤；題圖丙中金屬網(wǎng)已接地，外部電場(chǎng)消失，金屬箔不會(huì)張開，故C正確。靜電屏蔽的兩種情況屏蔽外電場(chǎng)外屏蔽屏蔽內(nèi)電場(chǎng)全屏蔽或內(nèi)屏蔽圖示實(shí)現(xiàn)過程因場(chǎng)源電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)與導(dǎo)體球殼表面上感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)在空腔內(nèi)的合電場(chǎng)強(qiáng)度為零，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)，起到屏蔽外電場(chǎng)的作用當(dāng)空腔外部接地時(shí)，外表面的感應(yīng)電荷P被中和，外部電場(chǎng)消失，起到屏蔽內(nèi)電場(chǎng)的作用最終結(jié)論導(dǎo)體內(nèi)空腔不受外界電荷影響接地導(dǎo)體空腔外部不受內(nèi)部電荷影響本質(zhì)靜電感應(yīng)與靜電平衡，所以做靜電屏蔽的材料只能是導(dǎo)體，不能是絕緣體四、靜電吸附1．靜電吸附：在電場(chǎng)中，帶電粒子受到靜電力的作用，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，這些微粒向著作為正極的工件運(yùn)動(dòng)，并沉積在工件表面。4．靜電復(fù)印：復(fù)印機(jī)應(yīng)用了靜電吸附的原理。例5(多選)靜電噴漆是利用靜電吸附現(xiàn)象制造的，其噴涂原理如圖所示，則以下說法正確的是()A．在噴槍噴嘴與被噴涂工件之間有一強(qiáng)電場(chǎng)B．涂料微粒一定帶正電C．涂料微粒一定帶負(fù)電D．涂料微?？赡軒д姡部赡軒ж?fù)電答案AC解析工作時(shí)涂料微粒會(huì)向帶正電的被噴涂工件高速運(yùn)動(dòng)，是由于噴槍噴嘴與被噴涂工件之間形成了強(qiáng)電場(chǎng)，由正電荷對(duì)涂料微粒的吸引作用可得出涂料微粒帶負(fù)電，故A、C正確。課時(shí)對(duì)點(diǎn)練[分值：60分]1～6題每題4分，共24分考點(diǎn)一靜電平衡1.如圖所示，空心金屬球殼上所帶電荷量為＋Q，關(guān)于O、M兩點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度EO、EM的說法中正確的是()A．EO≠0EM＝0 B．EO＝0EM≠0C．EO＝0EM＝0 D．EO≠0EM≠0答案C解析靜電平衡狀態(tài)中的導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零，故C正確。2.一金屬球原來不帶電，現(xiàn)沿球直徑的延長線上放置一均勻帶電的細(xì)桿MN，如圖所示，金屬球上感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)在球內(nèi)直徑上a、b、c三點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小分別為Ea、Eb、Ec，三者相比，則()A．Ea最大 B．Eb最大C．Ec最大 D．Ea＝Eb＝Ec答案C解析處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零，故a、b、c三點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度都為零，處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為零是感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)與外電場(chǎng)疊加的結(jié)果，所以感應(yīng)電荷在球內(nèi)某點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度與MN在這一點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度等大反向，由于c點(diǎn)離MN最近，故MN在c點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，則感應(yīng)電荷在c點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度也最大，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤。考點(diǎn)二靜電屏蔽尖端放電3．(多選)(2023·天津二十中學(xué)高二期中)電力工作人員在幾百萬伏的高壓線上進(jìn)行帶電作業(yè)，電工全身穿戴帶電作業(yè)用的屏蔽服，屏蔽服是用導(dǎo)電金屬材料與紡織纖維混紡交織成布后再做成的服裝，下列說法正確的是()A．采用金屬材料編織衣服的目的是使衣服不易拉破B．采用金屬材料編織衣服的目的是利用靜電屏蔽C．電工穿上屏蔽服后，高壓線在體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度不為零D．電工穿上屏蔽服后，感應(yīng)電荷在體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度為零答案BC解析采用金屬材料編織衣服的作用是利用靜電屏蔽，故A錯(cuò)誤，B正確；電工穿上屏蔽服后，體內(nèi)合電場(chǎng)強(qiáng)度為零，高壓線、感應(yīng)電荷在體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度不為零，故C正確，D錯(cuò)誤。4.(多選)如圖所示是閃電擊中廣州塔的畫面，廣州塔的尖頂是一避雷針，雷雨天氣時(shí)，底端帶負(fù)電的云層經(jīng)過避雷針上方時(shí)，避雷針尖端放電形成瞬間強(qiáng)電流，烏云所帶的負(fù)電荷經(jīng)避雷針導(dǎo)入大地，在此過程中，下列說法正確的是()A．云層靠近避雷針時(shí)，針尖感應(yīng)出正電荷B．云層靠近避雷針時(shí)，針尖感應(yīng)出負(fù)電荷C．避雷針尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度比避雷針底端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度小D．避雷針是利用尖端放電避免雷擊的一種設(shè)施答案AD解析避雷針是利用尖端放電避免雷擊的一種設(shè)施，D正確；根據(jù)同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，可知底端帶負(fù)電的云層靠近避雷針時(shí)，針尖感應(yīng)出正電荷，A正確，B錯(cuò)誤；由于電荷更容易集中到尖端，從而避雷針尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度比避雷針底端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度大，C錯(cuò)誤?？键c(diǎn)三靜電吸附5．(2023·上海市嘉定區(qū)第二中學(xué)高二期中)如圖是制作口罩的一種新穎的“靜電”絕緣纖維布，熔噴層經(jīng)駐極工藝，表面帶有電荷，它能阻隔幾微米的飛沫，這種靜電的阻隔作用屬于()A．靜電噴涂 B．靜電吸附C．靜電感應(yīng) D．尖端放電答案B解析帶電物體能吸引輕小物體，帶有病毒的飛沫靠近口罩的熔噴層后，會(huì)被吸附在表面，無法通過，從而起到隔離病毒的作用，屬于靜電吸附，故選B。6.(多選)如圖所示為靜電除塵示意圖，在M、N兩點(diǎn)間加高壓電源時(shí)，金屬管內(nèi)的空氣電離，電離出的電子在靜電力的作用下運(yùn)動(dòng)，遇到煙氣中的煤粉，使煤粉帶負(fù)電荷，因而煤粉被吸附到管壁上，排出的煙就清潔了。就此示意圖，下列說法正確的是()A．N接電源的正極 B．M接電源的正極C．電場(chǎng)強(qiáng)度EB＞EA D．電場(chǎng)強(qiáng)度EB＜EA答案AC解析電子附著在煤粉上，使煤粉帶上負(fù)電荷，煤粉若能吸附在管壁上，說明管壁帶正電，因此可知N接電源正極，A正確，B錯(cuò)誤；金屬棒與金屬管可看成圓柱電極與圓環(huán)電極，電場(chǎng)線分布情況如圖所示，由圖可知金屬棒附近的B點(diǎn)處電場(chǎng)線較密，而靠近金屬管壁的A點(diǎn)處電場(chǎng)線較疏，故B處電場(chǎng)強(qiáng)度比A處電場(chǎng)強(qiáng)度大，即EB＞EA，C正確，D錯(cuò)誤。7～10題每題7分，共28分7．(多選)(2023·浙江大學(xué)附屬中學(xué)高二期中)對(duì)于圖中所涉及的物理現(xiàn)象或原理，下列說法正確的是()A．甲圖中，該女生和帶電的金屬球帶有異種性質(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)用了靜電屏蔽原理答案CD解析題圖甲中，該女生接觸帶電的金屬球，與金屬球帶同種性質(zhì)的電荷，故A錯(cuò)誤；題圖乙中，線狀電離器B帶負(fù)電，管壁A帶正電，帶負(fù)電的塵埃被收集在管壁A上，故B錯(cuò)誤；題圖丙中，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，故C正確；題圖丁中，兩條優(yōu)質(zhì)的話筒線外面包裹著金屬外衣應(yīng)用了靜電屏蔽的原理，故D正確。8．(2023·浙江省高二期中)關(guān)于靜電的防止與利用，下列說法正確的是()A．手術(shù)室的醫(yī)生和護(hù)士都要穿絕緣性能良好的化纖制品，可防止靜電對(duì)手術(shù)的影響B(tài)．為了防止靜電危害保證乘客的安全，飛機(jī)起落架的輪胎用絕緣橡膠制成C．油罐車尾部常拖一條鐵鏈為了防止靜電產(chǎn)生的危害D．運(yùn)輸汽油時(shí)把汽油裝進(jìn)塑料桶比裝進(jìn)金屬桶安全答案C解析絕緣性能良好的化纖制品衣服不能及時(shí)把靜電導(dǎo)入大地，容易造成手術(shù)事故，故A錯(cuò)誤；飛機(jī)輪胎用導(dǎo)電橡膠制成可以將飛機(jī)產(chǎn)生的靜電迅速導(dǎo)走，故B錯(cuò)誤；油罐車尾部常拖一條鐵鏈為了防止靜電產(chǎn)生的危害，故C正確；由于金屬導(dǎo)體能做到靜電屏蔽，故用金屬桶裝易燃的汽油要安全，故D錯(cuò)誤。9．(2023·河北省衡水中學(xué)月考)矩形金屬導(dǎo)體處于正點(diǎn)電荷Q產(chǎn)生的電場(chǎng)中，