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4　静电的防止与利用
[学习目标]
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
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
了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理.
知识点一、静电平衡
静电平衡：导体内的自由电子不再发生 的状态.
处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为 .
导体上电荷的分布：
静电平衡时，导体 没有净剩电荷，电荷只分布在导体的
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) ，凹陷的位置几乎没有电荷.
知识点二、尖端放电
空气的电离：在一定条件下，导体尖端电荷 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 的现象.
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 ，而与尖端上的电荷 ，相当于导体从尖端 的现象.
尖端放电的应用与防止：
应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施.
防止：高压设备中导体的表面尽量 会减少电能的损失.
知识点三、静电屏蔽
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.
知识点四、静电吸附
静电吸附：在电场中，带电粒子在 作用下，向着电极运动，最后被吸附在电极上的现象.
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.
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 的工件运动，并沉积在工件表面.
静电复印：复印机应用了 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 ，受光照时变成导体.
电工穿绝缘衣比穿金属衣安全(　　)
制作汽油桶的材料用金属比用塑料好．(　　)
打雷时，待在汽车里比待在木屋里要危险(　　)
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．(　　)
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．(　　)
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．(　　)
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．(　　)
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．(　　)
知识点一：静电平衡现象
如图所示，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：
(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？
【探究重点】
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′.
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.
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．
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．
【例题精讲】
（2022·全国·高二单元测试）对于电场中处于静电平衡状态的导体，下列分析不正确的是（　　）
A．导体内部的场强处处为零
B．导体内部没有电荷，电荷只能分布在导体的外表面
C．导体内部是外电场与感应电荷电场叠加后的合场强，其大小为零
D．处于静电平衡的导体内部的自由电子不再运动
【巩固训练】
(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(　　)
知识点二：尖端放电及静电屏蔽
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？
静电屏蔽是怎样起到屏蔽作用的？
【探究重点】
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.
静电屏蔽
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.
静电屏蔽的两种情况
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产生的电场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
【例题精讲】
（2022·吉林·通榆县第一中学校高一期末）高压输电线路的铁塔顶端有一条比下面输电线细的金属线，它的作用是（　　）
A．提高铁塔的稳定性
B．传输零线的电流
C．防雷电，起到避雷针的作用
D．作为备用线，供输电线断开时应急使用
【巩固训练】
（2022·全国·高一）如图所示，一有线电视信号线内有一层铜质金属网，其主要作用是（ ）
A．加固作用不易折断信号线
B．用于信号的传输
C．为防止外界电场干扰
D．铜芯与金属网分别接在电路的两极，便于构通回路
知识点三：静电吸附与静电除尘
【探究重点】
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.
【例题精讲】
（2022·广东模拟）静电除尘器结构如图所示，由板状收集器A和线状电离器B组成，A、B间接有高压电源，使通过除尘器的尘埃带电。下列选项正确的是（　　）
A．收集器A吸附大量尘埃的原因是尘埃带上了正电
B．收集器A吸附大量尘埃的原因是尘埃带上了负电
C．收集器A和电离器B之间形成的是匀强电场
D．静电除尘过程是机械能向电场能转化的过程
【巩固训练】
（2022·上海模拟）为清除烟气中的煤粉灰尘，可采用如图所示的静电除尘装置，它是由金属管A和在管中轴线上由重锤悬挂一根金属丝B组成，A接到高压电源正极，B接到高压电源负极，AB间将形成很强的电场，空气中的气体分子被强电场电离成电子和正离子，则（　　）
A．空气分子在A极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上正电
B．空气分子在A极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上负电
C．空气分子在B极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上正电
D．空气分子在B极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上负电
知识点四：静电平衡场强判断
【探究重点】
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：
先求出外电场场强E外的大小和方向.
由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡条件E合＝0.
由E外＋E感＝0，求出感应电场E感的大小和方向.
【例题精讲】
（2022·浙江台州·高二期末）如图所示为某带电导体四周的电场线分布，M、N是电场中两点，则（　　）
A．导体左侧带正电，右侧带负电 B．导体左侧的电荷分布密度大于右侧
C．M点的电场强度大于N点的电场强度 D．导体内部的P点场强为零
【巩固训练】
(2021·山东德州市月考)有一接地的导体球壳，如图1所示，球心处放一点电荷q，达到静电平衡时，则(　　)
A.q的电荷量变化时，球壳外电场随之改变
B.q在球壳外产生的电场强度为零
C.球壳内、外表面的电荷在壳外的合场强为零
D.q与球壳内表面的电荷在壳外的合场强为零
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
（2021·浙江模拟）如图所示，在一个导体球壳内放一个电荷量为+Q的点电荷，用表示球壳外任一点的场强，下列说法正确的是（　　）
A．当开关S断开，+Q在壳内任意一点，均为0
B．当开关S断开，+Q在壳内的中点，为0
C．当开关S闭合，+Q在壳内任意一点，均为0
D．当开关S闭合，只有当+Q在壳内中点时，为0
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＜EB
D.当开关S闭合时，电子从大地沿导线向导体移动
（2022·北京模拟）小明同学学习了静电除尘之后，走进物理实验室制作了一个静电除尘装置。在一个没有底的空塑料瓶上固定着一根铁锯条和一块易拉罐（金属）片，把它们分别跟静电起电机的两极相连。实验时，在塑料瓶里放一盘点燃的蚊香，很快就看见整个透明塑料瓶里烟雾缭绕。然后当把起电机一摇，顿时塑料瓶清澈透明，停止摇动，又是烟雾缭绕。关于以上实验说法正确的是（　　）
A．室内的空气湿度越大，实验效果越好
B．锯条换成同宽度的金属直尺效果更好
C．起电机摇动前，需先让烟尘颗粒带上电荷才能做成功
D．若锯条接电源负极，金属片接正极，则这些烟尘附着在金属片上面
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
（2021·浙江高考）如图所示，在火箭发射塔周围有钢铁制成的四座高塔，高塔的功能最有可能的是（　　）
A．探测发射台周围风力的大小 B．发射与航天器联系的电磁波
C．预防雷电击中待发射的火箭 D．测量火箭发射过程的速度和加速度
（2022·北京·模拟预测）（1）一个带电金属球达到静电平衡时，球内部没有净剩电荷，电荷均匀分布在外表面，球内部场强处处为0，其在球的外部产生的电场，与一个位于球心、电荷量相等的点电荷在同一点产生的电场相同。已知静电力常量为k。
a．根据电场强度的定义式和库仑定律，推导一个电荷量为Q的点电荷，在与之相距r处的电场强度的表达式__________。
b．若将金属球内部挖空，使其成为一个均匀球壳，如图1所示。金属球壳的电荷量为Q，A、B是到球心的距离分别为r1和r2的两点，则A点的场强E1=__________，B点的场强E2=__________。
（2）万有引力定律与库仑定律有相似的形式，因此质点的引力场与点电荷的电场也有很多相似的规律。已知引力常量为G。
a．类比点电荷电场强度的表达式，写出一个质量为m的质点在与之相距r处的引力场强度EG的表达式_______。
b．假设沿地轴的方向凿通一条贯穿地球两极的隧道，隧道极窄，地球仍可看作一个半径为R、质量分布均匀的球体。如图2所示，以地心为原点，向北为正方向建立x轴，请在图3中作图描述隧道中地球引力场强度随x变化的规律，并说明作图依据______。
（2022·河北保定·高一期末）（多选）如图所示，不规则的导体处于电场强度大小为、方向水平向右的匀强电场中，处于静电平衡状态。对于导体内部由静电感应产生的电场的电场强度，下列说法正确的是（ ）
A．大小为 B．大小为
C．方向水平向左 D．方向水平向右
（2021·全国·高二专题练习）（多选）如图所示，原来不带电的金属球壳内壁接地，将一带正电的小球放入其中，但不与球壳接触，则(　　)
A．球壳内壁带负电 B．球壳外壁带正电
C．球壳外壁不带电 D．若将接地线去掉再移去正电荷，球壳外壁带负电
(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
（2022·绍兴二模）富兰克林为研究雷电现象，设计了如图所示的装置，避雷针线路与接地线分开，并在分开处装上帽形的金属钟A与B，两钟之间以丝线悬挂一个金属小球C，A钟下方用导线连接两个很轻的金属小球形成验电器D，避雷针上空附近的云不带电时，三个金属小球均静止下垂。若带负电的云接近避雷针顶端时，则（　　）
A．避雷针顶端带负电
B．接地线上有正电荷流入大地
C．验电器D上的两个金属小球最后会下垂并相互接触
D．金属小球C会在A与B之间摆动，不断来回撞击A与B
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
（2020·全国·高二课时练习）（多选）滚筒式静电分选器由料斗A、导板B、导体滚筒C，刮板D、料槽E、F和放电针G等部件组成。C与G分别接于直流高压电源的正负极，并将C接地，如图所示。电源电压很高，足以使放电针G附近的空气发生电离而产生大量离子。现有导电性能不同的两种物质粉粒a、b的混合物从料斗A下落，沿导板B到达转动的滚筒C上，粉粒a具有良好的导电性，粉粒b具有良好的绝缘性，下列说法中正确的是（　　）
A．粉粒a落入料槽F，粉粒b落入料槽E
B．粉粒b落入料槽F，粉粒a落入料槽E
C．若滚筒C不接地而放电针G接地，从工作原理上看，这也是允许的
D．若滚筒C不接地而放电针G接地，从工业实用角度看，这也是允许的
(多选)静电喷漆是利用静电吸附现象制造的，其喷涂原理如图所示，则以下说法正确的是(　　)
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
（2022·全国·高二课时练习）如图是一款避雷针原理演示器，上下金属板之间用绝缘材料固定，尖端电极和球形电极与下金属板连接，给上下金属板接感应圈并逐渐升高电压，当电压逐渐升高时（　　）
A．尖端电极先放电 B．球形电极先放电 C．两电极同时放电 D．两电极都不放电
(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(　　)
（2022·海南模拟）如图所示，将一金属空腔放在匀强电场中，稳定后，电场线如图分布。A为金属外一点，B为金属空腔内一个点。下列说法正确的是（　　）
A．金属外表面的电场和金属外表面垂直 B．B点感应电场为零
C．A点电场强度等于B点的电场强度 D.正电荷在A点的电势能等于在B点的电势能
如图所示，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(　　)
A.Ea>Eb>Ec>Ed
B.Ea>Ec＝Ed>Eb
C.Ea>Ec>Ed>Eb
D.Ea（2022·浙江·舟山教育学院高二期末）如图甲所示，高压输电线上使用“”形刚性绝缘支架支撑电线，防止电线相碰造成短路。示意图如图乙所示，、、、为四根导线，为正方形，几何中心为，当四根导线通有等大同向电流时（　　）
A．所受安培力的方向沿正方形的对角线方向
B．对的安培力小于对的安培力
C．几何中心点的磁感应强度不为零
D．夜间高压输电线周围有时会出现一层绿色光晕，这是一种强烈的尖端放电现象
（2022·河南·郏县第一高级中学高一期末）静电复印是一种利用静电光敏半导体材料的感光特性形成影像的复印方法，复印过程大致可分为充电、曝光、显影、转印、分离、定影、清洁、消电8个基本步骤，部分步骤示意图如图所示。静电复印机的中心部件是一个可以旋转的接地的铝辊，表面镀着一层半导体硒，叫作感光鼓。半导体硒有特殊的光电性质。现通过电晕装置对感光鼓充电使其带正电，以下说法正确的是（　　）
A．曝光时，半导体硒有光照区域的电阻增大，无光照区域的电阻减小
B．显影时，色粉被感光鼓上带电区域吸附，因此色粉需带负电
C．色粉的带电通常是通过色粉与载体的摩擦获得，摩擦后色粉的带电极性与载体的带电极性相同
D．转印时，若使色粉转移到复印纸上，则需使复印纸带负电
（多选）如图所示，M点有电荷量为Q的负点电荷，在距离点电荷为r处放入厚度为d的平行金属板，N点为金属板内距表面为的点，MN连线与金属板表面垂直。当金属板处于静电平衡时，下列说法正确的是（　　）
A．金属板的左侧面感应出正电荷
B．金属板的左侧面感应出负电荷
C．感应电荷在N点产生的电场强度，方向沿MN连线向右
D．感应电荷在N点产生的电场强度，方向沿MN连线向右4　静电的防止与利用
[学习目标]
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
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
了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理.
知识点一、静电平衡
静电平衡：导体内的自由电子不再发生定向移动的状态.
处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0.
导体上电荷的分布：
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.
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.
知识点二、尖端放电
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.
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.
尖端放电的应用与防止：
应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施.
防止：高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失.
知识点三、静电屏蔽
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.
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.
知识点四、静电吸附
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.
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.
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.
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.
电工穿绝缘衣比穿金属衣安全(　×　)
制作汽油桶的材料用金属比用塑料好．(　√　)
打雷时，待在汽车里比待在木屋里要危险(　×　)
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．(　√　)
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．(　√　)
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．(　×　)
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．(　×　)
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．(　√　)
知识点一：静电平衡现象
如图所示，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：
(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．
【探究重点】
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′.
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.
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．
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．
【例题精讲】
（2022·全国·高二单元测试）对于电场中处于静电平衡状态的导体，下列分析不正确的是（　　）
A．导体内部的场强处处为零
B．导体内部没有电荷，电荷只能分布在导体的外表面
C．导体内部是外电场与感应电荷电场叠加后的合场强，其大小为零
D．处于静电平衡的导体内部的自由电子不再运动
【答案】D
【解析】A．导体处于静电平衡时，导体内部的场强处处为零，选项A正确；
B．导体处于静电平衡时，导体内部没有电荷，电荷只能分布在导体的外表面，选项B正确；
C．导体内部是外电场与感应电荷电场叠加后的合场强，两者等大反向，合场强大小为零，选项C正确；
D．静电平衡是指内部场强处处为零，内部没有多余的“净”电荷，但导体内的自由电子仍在无规则运动，故D错误；此题选择不正确的选项，故选D。
【巩固训练】
(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.
知识点二：尖端放电及静电屏蔽
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．
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．
【探究重点】
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.
静电屏蔽
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.
静电屏蔽的两种情况
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产生的电场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
【例题精讲】
（2022·吉林·通榆县第一中学校高一期末）高压输电线路的铁塔顶端有一条比下面输电线细的金属线，它的作用是（　　）
A．提高铁塔的稳定性
B．传输零线的电流
C．防雷电，起到避雷针的作用
D．作为备用线，供输电线断开时应急使用
【答案】C
【解析】输电细线起着与避雷针相似的作用，通过放电中和周围空气中的电荷，可以防止雷击，故ABD错误，C正确。故选C。
【巩固训练】
（2022·全国·高一）如图所示，一有线电视信号线内有一层铜质金属网，其主要作用是（ ）
A．加固作用不易折断信号线
B．用于信号的传输
C．为防止外界电场干扰
D．铜芯与金属网分别接在电路的两极，便于构通回路
【答案】C
【解析】根据静电屏蔽原理，金属网能屏蔽外部电场，使其不受外部电场的影响，则有线电视信号线内有一层铜质金属网，其主要作用是为防止外界电场干扰。故选C。
知识点三：静电吸附与静电除尘
【探究重点】
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.
【例题精讲】
（2022·广东模拟）静电除尘器结构如图所示，由板状收集器A和线状电离器B组成，A、B间接有高压电源，使通过除尘器的尘埃带电。下列选项正确的是（　　）
A．收集器A吸附大量尘埃的原因是尘埃带上了正电
B．收集器A吸附大量尘埃的原因是尘埃带上了负电
C．收集器A和电离器B之间形成的是匀强电场
D．静电除尘过程是机械能向电场能转化的过程
【答案】B
【解析】AB．AB间接高压电后AB间产生很强的电场，气体分子被电离为电子和正离子，电子被粉尘吸附，粉尘带负电被接高压正极的收集器A吸附。故A错误，B正确；
C．越靠近线装电离器B电场强度越大，收集器A和电离器B之间形成的是非匀强电场，故C错误；
D．带负电的粉尘在电场力的作用下加速运动，电场力做正功，电势能减小，机械能增加，所以静电除尘过程是电场能向机械能转化的过程，故D错误。
【巩固训练】
（2022·上海模拟）为清除烟气中的煤粉灰尘，可采用如图所示的静电除尘装置，它是由金属管A和在管中轴线上由重锤悬挂一根金属丝B组成，A接到高压电源正极，B接到高压电源负极，AB间将形成很强的电场，空气中的气体分子被强电场电离成电子和正离子，则（　　）
A．空气分子在A极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上正电
B．空气分子在A极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上负电
C．空气分子在B极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上正电
D．空气分子在B极附近更易被电离，灰尘颗粒更易带上负电
【答案】D
【解析】电极截面如图所示，由电场线可判断越靠近B场强越强，空气分子在B极附近更易被电离；粉尘吸附电子后带负电，因此向正极A运动，故煤粉将被吸附到A极上。
知识点四：静电平衡场强判断
【探究重点】
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：
先求出外电场场强E外的大小和方向.
由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡条件E合＝0.
由E外＋E感＝0，求出感应电场E感的大小和方向.
【例题精讲】
（2022·浙江台州·高二期末）如图所示为某带电导体四周的电场线分布，M、N是电场中两点，则（　　）
A．导体左侧带正电，右侧带负电 B．导体左侧的电荷分布密度大于右侧
C．M点的电场强度大于N点的电场强度 D．导体内部的P点场强为零
【答案】D
【解析】A．由电场线分布可知，导体左右两侧均带正电，故A错误；
B．右侧电场线分布较密集，可知导体电荷分布密度左侧小于右侧，故B错误；
C．因N点电场线较M点密集，则N点的电场强度大于M点的电场强度，故C错误；
D．导体处于静电平衡状态，所以内部场强为零，故D正确。故选D。
【巩固训练】
(2021·山东德州市月考)有一接地的导体球壳，如图1所示，球心处放一点电荷q，达到静电平衡时，则(　　)
A.q的电荷量变化时，球壳外电场随之改变
B.q在球壳外产生的电场强度为零
C.球壳内、外表面的电荷在壳外的合场强为零
D.q与球壳内表面的电荷在壳外的合场强为零
【答案】　D
【解析】　当导体球壳接地时，壳内电荷在壳外表面所产生的感应电荷流入大地，这时壳内电荷与壳内表面的感应电荷在壳内壁以外(包含导体壳层)任一点的合场强为零.故选项D正确.
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.
（2021·浙江模拟）如图所示，在一个导体球壳内放一个电荷量为+Q的点电荷，用表示球壳外任一点的场强，下列说法正确的是（　　）
A．当开关S断开，+Q在壳内任意一点，均为0
B．当开关S断开，+Q在壳内的中点，为0
C．当开关S闭合，+Q在壳内任意一点，均为0
D．当开关S闭合，只有当+Q在壳内中点时，为0
【答案】C
【解析】AB．当开关S断开，不论+Q在壳内何处，由于静电感应，球壳内外表面出现等量异种电荷，内表面出现负电荷，外表面出现正电荷，外表面的正电荷在空间产生场强，都不为0，故AB错误；
CD．当开关S闭合，球壳上的电荷被导入地下，这时不论+Q放在何处，均为0，故C正确，D错误。
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＜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.
（2022·北京模拟）小明同学学习了静电除尘之后，走进物理实验室制作了一个静电除尘装置。在一个没有底的空塑料瓶上固定着一根铁锯条和一块易拉罐（金属）片，把它们分别跟静电起电机的两极相连。实验时，在塑料瓶里放一盘点燃的蚊香，很快就看见整个透明塑料瓶里烟雾缭绕。然后当把起电机一摇，顿时塑料瓶清澈透明，停止摇动，又是烟雾缭绕。关于以上实验说法正确的是（　　）
A．室内的空气湿度越大，实验效果越好
B．锯条换成同宽度的金属直尺效果更好
C．起电机摇动前，需先让烟尘颗粒带上电荷才能做成功
D．若锯条接电源负极，金属片接正极，则这些烟尘附着在金属片上面
【答案】D
【解析】当静电除尘装置接通静电高压时，存在强电场，它使空气电离而产生负离子和正离子，负离子在电场力的作用下，向正极移动时，碰到烟尘微粒使它带负电，带电尘粒在电场力的作用下，向正极移动，烟尘最终被吸附到金属片上。
A．加大空气湿度，由于潮湿的空气易于导电，则起电机产生的静电不容易在铁锯条和易拉罐（金属）片上积累，则该实验不易成功，故A错误；
B．锯条换成同宽度的金属直尺，尖端变少，使周围空气电离的本领降低，实验效果变差，故B错误；
C．起电机摇动，锯条和金属片间产生电场，强电场让空气电离，烟尘颗粒俘获电离出的负离子而带上负电荷，所以，起电机摇动前，不需先让烟尘颗粒带上电荷，故C错误；
D．若锯条接电源负极，金属片接正极，则俘获负离子的烟尘在电场力的作用下，向正极移动，最终被吸附到金属片上，故D正确。
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.
（2021·浙江高考）如图所示，在火箭发射塔周围有钢铁制成的四座高塔，高塔的功能最有可能的是（　　）
A．探测发射台周围风力的大小 B．发射与航天器联系的电磁波
C．预防雷电击中待发射的火箭 D．测量火箭发射过程的速度和加速度
【答案】C
【解析】在火箭发射塔周围有钢铁制成的四座高塔，因铁制的高塔有避雷作用，其功能是预防雷电击中发射的火箭。
（2022·北京·模拟预测）（1）一个带电金属球达到静电平衡时，球内部没有净剩电荷，电荷均匀分布在外表面，球内部场强处处为0，其在球的外部产生的电场，与一个位于球心、电荷量相等的点电荷在同一点产生的电场相同。已知静电力常量为k。
a．根据电场强度的定义式和库仑定律，推导一个电荷量为Q的点电荷，在与之相距r处的电场强度的表达式__________。
b．若将金属球内部挖空，使其成为一个均匀球壳，如图1所示。金属球壳的电荷量为Q，A、B是到球心的距离分别为r1和r2的两点，则A点的场强E1=__________，B点的场强E2=__________。
（2）万有引力定律与库仑定律有相似的形式，因此质点的引力场与点电荷的电场也有很多相似的规律。已知引力常量为G。
a．类比点电荷电场强度的表达式，写出一个质量为m的质点在与之相距r处的引力场强度EG的表达式_______。
b．假设沿地轴的方向凿通一条贯穿地球两极的隧道，隧道极窄，地球仍可看作一个半径为R、质量分布均匀的球体。如图2所示，以地心为原点，向北为正方向建立x轴，请在图3中作图描述隧道中地球引力场强度随x变化的规律，并说明作图依据______。
【答案】 0
【解析】（1）[1] 电荷量为Q的点电荷，在与之相距r处放一试探电荷q，根据库仑定律，该试探电荷受到的电场力为
由电场强度得电荷量为Q的点电荷，在与之相距r处电场强度
[2] [3] 一个带电金属球达到静电平衡时，球内部没有净剩电荷，电荷均匀分布在外表面，球内部场强处处为0，其在球的外部产生的电场，与一个位于球心、电荷量相等的点电荷在同一点产生的电场相同。A点在均匀带电球壳内部，故A点场强B点的场强
（2）[4] 设距离一个质量为m的质点r处，放一个质量为另外一质点，在与之的引力场强
[5] 假设地球平均密度为，隧道中距离地心为x处地球引力场强度大小
又因为在隧道中，在原点以北某物体受地球引力向南，在原点以南某物体受地球引力向北，故隧道中地球引力场强度随x变化的规律定性变化图像为
（2022·河北保定·高一期末）（多选）如图所示，不规则的导体处于电场强度大小为、方向水平向右的匀强电场中，处于静电平衡状态。对于导体内部由静电感应产生的电场的电场强度，下列说法正确的是（ ）
A．大小为 B．大小为
C．方向水平向左 D．方向水平向右
【答案】AC
【解析】静电平衡状态下，对于导体内部合场强为零，故感应电场的电场强度与原电场的电场强度等大反向，故AC正确，BD错误。故选AC。
（2021·全国·高二专题练习）（多选）如图所示，原来不带电的金属球壳内壁接地，将一带正电的小球放入其中，但不与球壳接触，则(　　)
A．球壳内壁带负电 B．球壳外壁带正电
C．球壳外壁不带电 D．若将接地线去掉再移去正电荷，球壳外壁带负电
【答案】ACD
【解析】由静电屏蔽知识可得，未接地前电场线分布特点如图，
球壳是个等势体，无论是内壳还是外壳接地，都是大地上的电子受电场力作用逆着电场线与外壳正电中和，使外壳不带电，故AC正确，B错．若移出正电荷，则剩余负电都分布在外表面，D正确．故选ACD.
(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.
（2022·绍兴二模）富兰克林为研究雷电现象，设计了如图所示的装置，避雷针线路与接地线分开，并在分开处装上帽形的金属钟A与B，两钟之间以丝线悬挂一个金属小球C，A钟下方用导线连接两个很轻的金属小球形成验电器D，避雷针上空附近的云不带电时，三个金属小球均静止下垂。若带负电的云接近避雷针顶端时，则（　　）
A．避雷针顶端带负电
B．接地线上有正电荷流入大地
C．验电器D上的两个金属小球最后会下垂并相互接触
D．金属小球C会在A与B之间摆动，不断来回撞击A与B
【答案】D
【解析】A．根据异种电荷相互吸引、同种电荷相互排斥，可知若带负电的云接近避雷针顶端时，避雷针顶端带正电，故A错误；
B．金属内的正电荷不会移动，故B错误；
CD．由A选项分析可知，验电器D下端带负电，小球C在验电器D下端的吸引下撞击A，然后和A带同种电荷负电，然后相互排斥，和B接触，此时电子通过B导入大地，然后C不带电，如此反复，验电器下端两小球始终带负电，所以两小球相互排斥，故D正确，C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.
（2020·全国·高二课时练习）（多选）滚筒式静电分选器由料斗A、导板B、导体滚筒C，刮板D、料槽E、F和放电针G等部件组成。C与G分别接于直流高压电源的正负极，并将C接地，如图所示。电源电压很高，足以使放电针G附近的空气发生电离而产生大量离子。现有导电性能不同的两种物质粉粒a、b的混合物从料斗A下落，沿导板B到达转动的滚筒C上，粉粒a具有良好的导电性，粉粒b具有良好的绝缘性，下列说法中正确的是（　　）
A．粉粒a落入料槽F，粉粒b落入料槽E
B．粉粒b落入料槽F，粉粒a落入料槽E
C．若滚筒C不接地而放电针G接地，从工作原理上看，这也是允许的
D．若滚筒C不接地而放电针G接地，从工业实用角度看，这也是允许的
【答案】AC
【解析】AB．因为和分别接在高压电源的正、负极上，放电针附近形成很强的电场，使放电针附近的空气电离而产生大量离子，其中的负离子在奔向正极的过程中被吸附到粉粒、上，、因吸附负离子而带负电，被吸引到带正电的滚筒上，因具有良好的导电性，所带电荷被上的正电荷中和并最终带上和相同的电荷而被排斥，落入料槽，粉粒因具有良好的绝缘性，所带负电荷而不会被中和，和相互吸引，被吸引到滚筒上，直到处被刮板刮落而落入料槽中，A正确，B错误；
CD．若滚筒不接地而放电针接地，同样能使放电针附近空气电离，从工作原理上看是允许的，但滚筒不接地具有高压，不安全，从工业实用角度看，不允许，C正确，D错误。故选AC。
(多选)静电喷漆是利用静电吸附现象制造的，其喷涂原理如图所示，则以下说法正确的是(　　)
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.
（2022·全国·高二课时练习）如图是一款避雷针原理演示器，上下金属板之间用绝缘材料固定，尖端电极和球形电极与下金属板连接，给上下金属板接感应圈并逐渐升高电压，当电压逐渐升高时（　　）
A．尖端电极先放电 B．球形电极先放电 C．两电极同时放电 D．两电极都不放电
【答案】A
【解析】由图示可知，一个为尖头、一个为圆头。当上下金属板接在高压电源上，因末端越尖越容易放电，故可以观察到尖的金属柱容易放电，这种放电现象叫做尖端放电，故A正确，BCD错误。故选A。
(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.
（2022·海南模拟）如图所示，将一金属空腔放在匀强电场中，稳定后，电场线如图分布。A为金属外一点，B为金属空腔内一个点。下列说法正确的是（　　）
A．金属外表面的电场和金属外表面垂直 B．B点感应电场为零
C．A点电场强度等于B点的电场强度 D.正电荷在A点的电势能等于在B点的电势能
【答案】A
【解析】A．金属空腔外表面电势相等，是一等势面，必定与电场垂直，故A正确；
BC．由于静电屏蔽作用，空腔内部电场强度为0，则在B点，感应电场和匀强电场等大反向，A点电场强度一定大于B点的电场强度，故BC错误；
D．沿电场线方向电势降低，而金属空腔又是一等势体，则A点电势大于B点电势，则正电荷在A点的电势能大于在B点的电势能，故D错误。
如图所示，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(　　)
A.Ea>Eb>Ec>Ed
B.Ea>Ec＝Ed>Eb
C.Ea>Ec>Ed>Eb
D.Ea【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.
（2022·浙江·舟山教育学院高二期末）如图甲所示，高压输电线上使用“”形刚性绝缘支架支撑电线，防止电线相碰造成短路。示意图如图乙所示，、、、为四根导线，为正方形，几何中心为，当四根导线通有等大同向电流时（　　）
A．所受安培力的方向沿正方形的对角线方向
B．对的安培力小于对的安培力
C．几何中心点的磁感应强度不为零
D．夜间高压输电线周围有时会出现一层绿色光晕，这是一种强烈的尖端放电现象
【答案】A
【解析】A．根据同向电流相互吸引，可知受其余三根导线的吸引力分别指向三根导线，根据对称性可知，与对的安培力大小相等，所以两者对的合力沿方向，而对的安培力也是沿方向，故所受安培力的方向沿正方形的对角线方向，A正确；
B．由图乙可知，离的距离比离的距离小，说明电流产生的磁场在处比在处强，故对的安培力大于对的安培力，B错误；
C．因四根导线中的电流大小相等，方向相同，点与四根导线的距离相等，由安培定则可知电流与电流在点的磁感应强度大小相等，方向相反，电流与电流在点的磁感应强度大小相等，方向相反，故几何中心点的磁感应强度为零，C错误；
D．夜间高压输电线周围有时会出现一层绿色光晕，这是一种微弱的尖端放电现象，D错误；故选A。
（2022·河南·郏县第一高级中学高一期末）静电复印是一种利用静电光敏半导体材料的感光特性形成影像的复印方法，复印过程大致可分为充电、曝光、显影、转印、分离、定影、清洁、消电8个基本步骤，部分步骤示意图如图所示。静电复印机的中心部件是一个可以旋转的接地的铝辊，表面镀着一层半导体硒，叫作感光鼓。半导体硒有特殊的光电性质。现通过电晕装置对感光鼓充电使其带正电，以下说法正确的是（　　）
A．曝光时，半导体硒有光照区域的电阻增大，无光照区域的电阻减小
B．显影时，色粉被感光鼓上带电区域吸附，因此色粉需带负电
C．色粉的带电通常是通过色粉与载体的摩擦获得，摩擦后色粉的带电极性与载体的带电极性相同
D．转印时，若使色粉转移到复印纸上，则需使复印纸带负电
【答案】B
【解析】A．曝光时字迹阴影部分应该带电才能吸附色粉，光照部分不带电，因此半导体光照部分电阻应该减小，阴影部分电阻增大，A错误；
B．感光鼓带正电，色粉若被吸附应该带负电，B正确；
C．色粉的带电通常是通过色粉与载体的摩擦获得，摩擦起电的两个物体所带电性相反， C错误；
D．色粉带负电，若被吸附到复印纸上，纸张应带正电，D错误。故选B。
（多选）如图所示，M点有电荷量为Q的负点电荷，在距离点电荷为r处放入厚度为d的平行金属板，N点为金属板内距表面为的点，MN连线与金属板表面垂直。当金属板处于静电平衡时，下列说法正确的是（　　）
A．金属板的左侧面感应出正电荷
B．金属板的左侧面感应出负电荷
C．感应电荷在N点产生的电场强度，方向沿MN连线向右
D．感应电荷在N点产生的电场强度，方向沿MN连线向右
【答案】AD
【解析】AB．根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引规律，M点的点电荷带负电，在金属板的左侧面感应出正电荷，A正确，B错误；
CD．金属板内部合场强为零，故感应电荷在N点产生的电场强度与点电荷在N点产生的电场强度等大反向，根据可得，感应电荷在N点产生的电场强度，方向沿MN连线向右，C错误，D正确。故选AD。

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