资源简介

4　静电的防止与利用
定位·学习目标
1.能用原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象,能分析生产生活中的静电现象,有关于静电的利用与防护的实际行动,具有与之相关的相互作用观念和物质观念。
2.能在熟悉情境中运用电场线等模型分析静电问题;能用与静电力、电场强度相关的证据解释常见的静电现象;提高科学思维能力。
3.能通过验电器、静电计等探索静电现象,能撰写与静电现象相关的小论文,能陈述并交流相关内容,提高科学探究能力。
4.能对公众利用和防止静电的一些行为发表自己的观点,能坚持实事求是,在合作中既能坚持观点又能纠正错误,有进行科学普及的兴趣和责任感。
知识点一　静电平衡
探究新知
1.静电平衡状态:把一个不带电的金属导体放到电场强度为E0的电场中。由于静电感应,导体两侧的感应电荷产生的电场E′与原电场E0叠加,使导体内部的电场减弱,直到导体内部各点的电场强度 E=0,导体内的自由电子不再发生定向移动的状态。
2.平衡状态特征:内部的电场强度处处为0。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)处于静电平衡状态的导体内部电荷不再运动。(　×　)
(2)处于静电平衡状态下的导体外表面的电场强度处处为零。(　×　)
(3)电场中的导体之所以能达到静电平衡状态,是由于其内部有大量的自由电子。(　√　)
知识点二　尖端放电
探究新知
1.带电导体上电荷分布特点
(1)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,电荷的密度越大,周围的电场强度越大。
2.电离:当导体尖端周围的强电场足以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。
3.尖端放电:导体尖端的电荷在其周围形成的强电场使空气电离,形成的带电粒子又加速、撞击,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,相当于导体从尖端失去电荷的现象。
4.避雷针:将尖锐的金属棒安装在建筑物的顶端,用粗导线与埋在地下的金属板连接,保持与大地的良好接触的装置。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)导体尖端放电是因为该处电荷较多,电荷间静电斥力造成的。(　×　)
(2)避雷针避雷的原理是尖端放电能将云层中的电荷中和。(　√　)
(3)为了美观,通常把避雷针顶端设计成球形。(　×　)
(4)为了避免因尖端放电而损失电能,高压输电导线表面要尽量光滑。(　√　)
知识点三　静电屏蔽　静电吸附
探究新知
1.静电屏蔽
(1)定义:静电平衡时,导体壳壁内的电场强度为0,电场线只能在空腔之外,不能进入空腔之内,外电场对壳内不会产生影响。这种作用叫作静电屏蔽。
(2)应用。
电学仪器放在封闭的金属壳里不受外电场影响;高压输电线上方与大地相连的两条导线能把高压线屏蔽起来,使其免遭雷击。
2.静电吸附及应用:在电场中,带电粒子受到静电力的作用,向着电极运动,最后被吸附在电极上的现象。静电吸附的应用有静电除尘、静电喷漆、静电复印等。
新知检测
把手机放在不锈钢快餐盒中并用盖子盖住,手机还能接通吗 如果放在塑料饭盒中呢 试一试并解释其中的原因。
提示:手机放在不锈钢快餐盒中不能接通,放在塑料饭盒中能够接通。这是因为不锈钢快餐盒能够形成静电屏蔽,手机无法接收到外界的电磁信号,所以不能接通。
要点一　静电平衡的理解
情境探究
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移动,向着与外加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。
要点归纳
1.静电平衡是自由电子发生定向移动的结果,达到静电平衡时,自由电子不再发生定向移动。
2.金属导体建立静电平衡的时间非常短暂。
3.电场线不会进入达到静电平衡状态的导体内部,而在导体外表面一定与外表面垂直。
4.带电导体的净剩电荷都分布在导体的外表面,导体内部没有净剩电荷。
典例研习
[例1] (对静电平衡的理解)如图显示了在电场强度为E0的匀强电场的情况下,放入的导体板中静电平衡的建立过程。下列说法正确的是(　D　)
A.图甲、图乙显示导体内部只有自由电子在静电力作用下运动,说明带正电的离子不受静电力作用
B.图丙中,导体内部没有了自由电子
C.图丙中,外部电场不能进入导体内部
D.图丙中,导体AB表面和CD表面的感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场,电场强度大小为E0
解析:题图甲、乙显示了导体内部自由电子在静电力作用下向左运动的情况,而带正电的离子同样会受到静电力的作用,只是不会发生移动,故A错误;题图丙中导体内部一定有自由电子,但自由电子不再做定向移动,故B错误;导体内部电场强度处处为零是感应电荷的电场与匀强电场叠加的结果,则感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场强度大小为E0的电场,感应电场和原电场依然存在,故D正确,C错误。
[例2] (利用静电平衡求电场强度)如图,在真空中有两个点电荷A和B,电荷量分别为-Q和+2Q,它们相距L,如果在两点电荷连线的中点O有一个半径为r(2r(1)-Q在O点产生的电场强度的大小与方向;
(2)球壳上的感应电荷在O点处产生的电场强度大小与方向。
解析:(1)根据点电荷电场强度公式E=,-Q在O点产生的电场强度的大小为
E=k=k,其方向向左。
(2)根据电场强度的叠加原理,可知点电荷A、B在O点处产生的电场的电场强度大小为
EO=k+k=,方向向左,
根据导体处于静电平衡的特点,则球壳上的感应电荷在O点处的电场强度大小为
E′=EO=,方向向右。
答案:(1)　方向向左　(2)　方向向右
求导体静电平衡状态时感应电荷电场强度的方法
(1)先确定或求外电场的电场强度的大小和方向。
(2)根据导体处于静电平衡状态满足静电平衡条件E合=0,求出感应电场E感的大小和方向。
要点二　尖端放电和静电屏蔽
情境探究
我国的超高压输电技术处于全球领先水平,其中创造了具有世界先进水平的超高压带电作业法。利用特殊工作服,可以保证工作人员在超高压环境中处于安全状态。
(1)超高压输电线周围存在强电场,当人靠近输电线时,人体会有什么现象发生
(2)工人带电作业时穿着由金属丝和棉纱织成的均压服,有什么作用
答案:(1)人体靠近高压输电线周围的强电场时,由于静电感应,人体内的自由电荷重新分布,瞬间负电荷向E的反方向运动,形成了瞬时电流。
(2)由金属丝和棉纱织成的均压服可以起到静电屏蔽的作用,从而使人体处于静电平衡状态。
要点归纳
1.尖端放电的实质
带电导体表面电场:电荷在导体表面分布不均匀,导体表面尖锐处电荷分布密集,平滑处电荷分布稀疏,凹陷处几乎没有电荷,如图所示。
2.静电屏蔽的实质
静电感应现象使金属壳内感应电荷的电场和外部电场叠加使合电场强度的矢量和为零,等同于金属壳将外电场“挡”在外面,即所谓的屏蔽作用。
3.静电屏蔽的两种情况
项目 屏蔽外电场 屏蔽内电场
图示
实现 过程 外电场与导体球壳表面上的感应电荷在空腔内的合电场强度为零,起到屏蔽外电场的作用 空腔导体外部接地,空腔内电场使外表面的感应电荷排入大地而对外无电场,起到屏蔽内电场的作用
效果 导体内空腔不受外界电场影响 接地导体空腔内部电场对外部无影响
本质 静电屏蔽是外部电场与感应电场叠加的结果,因此静电屏蔽的材料只能是导体
典例研习
[例3] (尖端放电)模拟避雷针作用的实验装置如图所示,金属板M接高压电源的正极,金属板N接高压电源的负极。金属板N上有两个等高的金属柱A、B,A为尖头,B为圆头。逐渐升高电源电压而使极板间电场增强,当电压达到一定数值时,可看到放电现象。下列说法正确的是(　D　)
A.金属柱A、B同时产生放电现象
B.金属柱B先产生放电现象
C.先产生放电现象的可能是金属柱A,也可能是金属柱B
D.金属柱A先产生放电现象
解析:由于导体表面尖锐程度越大的地方电荷分布越密集而使附近电场越强,则金属柱A尖头处电荷分布密集,电场强,使板M和金属柱A之间的空气发生电离,从而发生尖端放电现象,选项D正确。
[例4] (静电屏蔽)如图所示,P是一个带电体,S代表放在绝缘板上的一些小纸屑,而N是一个不带电的金属球型网罩。下列各图示中的纸屑S不会被带电体P吸引的是(　A　)
A B
　 C D
解析:金属球型网罩无论是否接地,都能把外部的电场屏蔽起来不让它影响内部,选项A正确;若把金属球型网罩接地,就能够把内部带电体的电场屏蔽起来不让它影响外部,但不接地时外表面的感应电荷在其外部形成电场,纸屑S会被吸引,即被带电体P吸引,选项B错误;当带电体P与纸屑S都在金属网罩内或金属网罩外时,都不存在静电屏蔽而会被吸引,选项C、D错误。
处理静电屏蔽问题应注意的三点
(1)空腔可以屏蔽外界电场,而接地的空腔才能屏蔽内部的电场,其本质都是因为激发电场与感应电场叠加的结果,分析中应特别注意分清产生静电感应的电场和感应电荷的电场。
(2)对静电感应,要掌握导体内部的自由电荷是如何移动的,何处会出现感应电荷,是如何建立起感应电荷电场的。
(3)对静电平衡状态,要理解导体内部及表面附近电场所具有的特点。
要点三　静电吸附的理解及应用
情境探究
在玻璃管中心轴上安装一根直导线,玻璃管外绕有线圈,直导线的一端和线圈的一端分别跟感应圈的两放电柱相连,开始时感应圈未接通电源,点燃蚊香,让烟通过玻璃管冒出,当感应圈电源接通时,玻璃管中的导线和管外线圈间就会加上高电压,而在其间形成很强的电场,可以看到不再有烟从玻璃管中冒出来。过一会儿还可以看到管壁吸附了一层烟尘。请思考一下其中的原因。
答案:当感应圈电源接通时,玻璃管中的导线和管外线圈间形成的强电场使玻璃管中的空气被电离,烟尘颗粒吸附一定的电子带上负电荷,在强电场中受静电力作用偏转后被吸附在带正电的玻璃管壁上。所以,可以看到不再有烟从玻璃管中冒出来,过一会则在玻璃管壁上吸附一层烟尘。
要点归纳
　静电的应用和防止
(1)静电的应用。
应用原理 应用举例
静电吸引轻小物体 静电复印、静电喷漆、静电喷雾、激光打印、静电纺纱、静电除尘等
利用强电场 静电保鲜、静电灭菌、农作物种子处理
(2)静电的防止。
基本办法是尽快把产生的静电导走,避免越积越多。
其途径主要有:
①避免产生静电,例如,在可能情况下选用不易产生静电的材料。
②避免静电的积累,产生的静电要设法导走,例如,增加空气湿度、接地等。
典例研习
[例5] (静电吸附的理解)(多选)如图所示是静电除尘装置示意图,它由金属管A和管中金属丝B组成,其原理是在A、B间加上高电压,其间形成强电场,尘埃被吸附在金属管上。下列关于静电除尘原理的说法正确的是(　AC　)
A.金属管A与金属丝B间形成辐向电场,方向由A指向B
B.煤粉、烟尘等尘埃吸附正离子后被吸在A上
C.靠近B处电场强度大,B附近的空气被电离成正离子和电子
D.煤粉、烟尘等尘埃在强电场作用下电离而吸附在A上
解析:金属管A接高压电源的正极,金属丝B接高压电源的负极,相当于B带负电荷,A带正电荷,其间形成辐向电场,方向由A指向B,靠近金属丝B处的电场非常强,附近的空气被电离成正离子和电子,金属管中的煤粉、烟尘等尘埃吸附电子后在强电场作用下加速向金属管A运动,被吸附后收集,从而避免污染大气,选项A、C正确,B、D错误。
[例6] (静电的防止和利用)生活中处处存在静电现象,有些是有利的,有些是有害的。关于静电的防止与利用,下列说法正确的是(　B　)
A.印染厂应保持空气干燥,避免静电积累带来的潜在危害
B.在高大的建筑物顶端装上避雷针是避免因静电造成的危害
C.燃气灶中的电子点火器,是利用摩擦起电的原理进行点火的
D.油罐车尾部拖在地上的铁链的作用是为了利用静电
解析:印染厂应保持适当的湿度,及时把车间因摩擦产生的静电导走,避免静电造成的危害,故A错误;在高大的建筑物顶端装上避雷针是为了将云层静电及时导入大地,防止静电造成危害,故B正确;燃气灶中的电子点火器,是利用高压尖端放电的原理进行点火的,故C错误;油罐车在运输中,油不断地相互摩擦会产生大量的静电,在车尾装一条拖在地上的铁链,将静电导入大地而防止静电危害,故D错误。
1.下列现象中不属于静电屏蔽的是(　D　)
A.超高压带电作业的工人穿戴含金属丝织物的工作服
B.野外高压输电线上方两根导线与大地相连
C.优质话筒线外面有金属网将导线包裹
D.建筑物的顶端要安装避雷针
解析:超高压带电作业的工人穿戴包含金属丝织物的工作服,就像一个金属网罩一样起到静电屏蔽的作用,保护工人的安全,故A属于静电屏蔽;高压输电中三根较粗的输电线上方的两条较细的电线与大地相连,形成一个稀疏的金属“网”,对输电线起到静电屏蔽作用,故B属于静电屏蔽;优质话筒线外面有一层金属网将导线包裹,以防止外界电信号侵入,是静电屏蔽的利用,故C属于静电屏蔽;在雷雨天气里,建筑物顶端的避雷针可以通过尖端放电,中和云层因摩擦产生的静电,达到避免雷击的目的,故D不属于静电屏蔽。
2.如图所示是一根金属杆,原来不带电。现在沿着杆的轴线方向放置一个点电荷Q。金属杆达到静电平衡状态,杆的轴线上有a、b、c三个点,则感应电荷产生的电场在三点的电场强度Ea、Eb、Ec的大小关系为(　B　)
A.Ea>Eb>Ec B.EaC.EaEc
解析:处于静电平衡状态的导体,内部的电场强度处处为零,即任何一点感应电荷产生的电场的电场强度与外部电场的电场强度大小相等、方向相反,显然点电荷Q在a、b、c三点的电场强度在c点最大,b点次之,a点最小,则Ea3.一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10-8 C的正电荷,其上端开有适当小孔,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,如图所示,则A、B带电荷量分别为(　B　)
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
解析:B球与A球接触后成为一个新的导体,而所带电荷只能分布于导体的外表面,因此QB=0,QA=4×10-8 C-2×10-8 C=2×10-8 C,选项B正确。
4.如图所示,空心导体上方有一靠得很近的带有正电荷的带电体。若一个重力可忽略不计的负电荷以速度v水平飞入空心导体腔内,则该电荷的运动情况是(　A　)
A.匀速直线运动
B.变速直线运动
C.向上偏转的曲线运动
D.向下偏转的曲线运动
解析:空心导体上方有一靠得很近的带有正电荷的带电体,达到静电平衡后,空心导体内部电场强度处处为零,重力可忽略不计的负电荷进入后不受任何力的作用,可知该电荷做匀速直线运动,选项A正确,B、C、D错误。
课时作业
基础巩固练
考点一　静电平衡问题
1.(多选)如图所示,验电器A不带电,验电器B上装有带孔的空心金属球C,金属球C带电。D是带有绝缘手柄的金属小球,可以从C上方的小孔进入其内部。下列说法正确的是(　AD　)
A.图甲中,使D跟C的外部接触,再让D跟A靠近时,A的箔片张开
B.图甲中,使D跟C的外部接触,再让D跟A接触时,A的箔片不张开
C.图乙中,使D跟C的内部接触,再让D跟A靠得更近些,A的箔片
张开
D.图乙中,使D跟C的内部接触,再让D跟A接触,重复多次,A的箔片不张开
解析:空腔导体带电时净剩电荷分布于金属球外表面,内部不带电,故让D先接触金属球C的外部,则D带上电荷,再让D跟A靠近时,由于发生静电感应,A的箔片张开,让D跟A接触时,由于接触起电,A的箔片张开,故A正确,B错误;让不带电的D先跟C的内部接触,因为C的内部不带电,所以D始终不带电,再让D跟A靠得更近些,A的箔片始终不张开,让D跟A接触,A的箔片也始终不张开,故C错误,D正确。
2.一金属球原来不带电,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三点的电场强度大小分别为Ea、Eb、Ec,三者相比,则(　C　)
A.Ea最大 B.Eb最大
C.Ec最大 D.Ea=Eb=Ec
解析:处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为零,故a、b、c三点的电场强度都为零,处于静电平衡状态的导体内部电场强度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电场的电场强度与MN在这一点产生电场的电场强度等大反向。比较a、b、c三点感应电场的电场强度,实质上是比较带电体MN在这三点的电场强度,由于c点离MN最近,故MN在c点的电场强度最大,感应电荷在c点的电场强度也最大,故C正确。
3.如图所示,长为L的金属杆原来不带电,在距其左端r处的A点放一个电荷量为+q的点电荷。
(1)金属杆中点P处的电场强度为多大
(2)金属杆上的感应电荷在杆中点P处产生的电场强度。
(3)若在金属杆右侧相对P与A对称的B点再放置一个电荷量为-q的点电荷,(1)(2)中结果变为多少
解析:(1)金属杆处于静电平衡时内部电场强度处处为0,故金属杆中点P处电场强度为0。
(2)金属杆内部电场强度是点电荷电场和感应电荷电场的叠加,所以
E感-E=0,
E感=E=,
E感与E方向相反,点电荷在P处产生的电场强度方向向右,则E感的方向向左。
(3)当再在B点放置负点电荷后,金属杆仍达到静电平衡状态,中点P处电场强度仍然为0;但由于两个点电荷在P点的电场强度E′=,方向向右,则感应电荷在P处产生的电场强度为,方向向左。
答案:(1)0　(2),方向向左 (3)0　,方向向左
考点二　静电屏蔽
4.如图所示,接地的空心金属球壳的右侧放有带正电的小球Q,金属球壳达到静电平衡后,若A、B、C三点处的电场强度大小分别为EA、EB、EC,则下列说法正确的是(　B　)
A.EAB.EA=EB=0,EC>0
C.金属球壳左侧外表面带正电
D.金属球壳内侧带正电
解析:C点处于点电荷和金属球壳上感应电荷产生的电场中,所以C点的电场强度不等于零;金属球壳在点电荷的电场中处于静电平衡状态,其内部的电场强度处处为零,所以B、A两点的电场强度都为零,则EA=EB=0,EC>0,选项A错误,B正确;如果不接地,金属球壳右侧外表面感应出负电荷,左侧外表面感应出正电荷,但左侧与大地相连,大地的电子与左侧外表面正电荷中和,因此左侧外表面不带电,选项C错误;由于金属球壳接地,对于构成的“大导体”,其内表面不带电,选项D
错误。
5.将带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内,另一带负电的小球B向C靠近,结果将(　B　)
A.A向左偏离竖直线,B向右偏离竖直线
B.A位置不变,B向右偏离竖直线
C.A向左偏离竖直线,B的位置不变
D.A和B的位置都不变
解析:由于金属空腔可以屏蔽外部电场,所以小球B的电场对金属空腔C内无影响,使得小球A不受空腔外电场的影响,小球A的位置不变,但静电感应使小球B向C靠近,选项B正确,A、C、D错误。
6.(多选)如图所示,用起电机使金属鸟笼带大量电荷,但站在金属架上的鸟安然无恙,其原因是(　CD　)
A.鸟的脚爪与金属架绝缘
B.起电机使鸟笼带电,鸟笼的电场强度不会很高
C.鸟笼内部电场强度为零,电荷分布在鸟笼的外表面
D.金属鸟笼起静电屏蔽的作用
解析:虽然起电机使金属鸟笼带了大量电荷,但金属鸟笼内部没有净剩电荷,其内电场强度处处为0,鸟笼具有静电屏蔽的作用,所以站在金属架上的鸟安然无恙,选项C、D正确。
考点三　静电的应用和防护
7.如图是静电喷涂原理的示意图。发射极喷枪喷嘴与吸极被涂工件之间加上高电压而形成电场。在强电场作用下,带上电荷的大量涂料微粒(不计重力)从发射极由静止释放,加速飞向吸极而对工件完成喷漆,对于该过程,下列表述正确的是(　C　)
A.加速飞向吸极的带电涂料微粒带正电荷
B.带电的涂料微粒加速飞向吸极,电场强度方向由发射极指向吸极
C.在强电场中同一位置带电荷量越多的涂料微粒所受静电力越大
D.带电的涂料微粒所受静电力的方向与电场强度方向相同
解析:由于发射极与电源负极相连,吸极与电源正极相连,则电场强度方向由吸极指向发射极,而加速飞向吸极的带电的涂料微粒带负电荷,故A、B错误;由电场强度的定义可知,在强电场中同一位置带电荷量越多的涂料微粒所受静电力越大,故C正确;由于涂料微粒带负电,可知带电的涂料微粒所受静电力的方向与电场强度方向相反,故D错误。
8.关于静电的防止与利用,下列说法正确的是(　C　)
A.手术室的医生和护士都要穿绝缘性能良好的化纤制品,可防止静电对手术的影响
B.为了防止静电危害,保证乘客的安全,飞机起落架的轮胎用绝缘橡胶制成
C.金属导体有静电屏蔽的作用,运输汽油时把汽油装进金属桶比装进塑料桶安全
D.轿车上有一根露在外面的小天线是用来避免雷击的
解析:绝缘性能良好的化纤制品衣服极易产生静电,且不能及时把静电导入大地,容易造成手术事故,故A错误;飞机轮胎用导电橡胶制成,可以将飞机产生的静电迅速导走,故B错误;由于金属导体能做到静电屏蔽,故用金属桶装易燃的汽油更安全,故C正确;轿车上有一根露在外面的小天线是无线广播的接收天线,故D错误。
9.(多选)加油站的加油机上有如图所示的图标,关于图标涉及的物理知识及其理解,下列说法正确的是(　AC　)
A.三个图标都是为了防止静电的产生
B.工作人员工作时间须穿绝缘性能良好的化纤服装
C.化纤手套与接触物容易摩擦起电,存在安全隐患
D.用绝缘的塑料梳子梳头应该没有关系
解析:梳头、戴非棉布手套加油、穿脱衣服时会产生静电,三个图标都是为了防止静电的产生,故A正确;工作人员工作时间不能穿绝缘性能良好的化纤服装,不然会产生静电,故B错误;化纤手套与接触物容易摩擦起电,存在安全隐患,故C正确;绝缘的塑料梳子梳头会产生静电,存在安全隐患,故D错误。
能力提升练
10.口罩中使用的熔喷布经驻极处理后,对空气的过滤增加静电吸附功能。驻极处理装置如图所示,针状电极与平板电极分别接高压直流电源正负极,针尖附近的空气被电离后,带电粒子在静电力作用下运动,熔喷布捕获带电粒子带上静电,且带电后对原电场的影响可忽略不计,下列说法正确的是(　A　)
A.熔喷布上表面因捕获带电粒子将带正电
B.针状电极上,针尖附近的电场较弱
C.沿图中虚线向熔喷布运动的带电粒子,其速度和加速度均不断增大
D.若增大两电极间的电压,不会改变熔喷布上的静电量
解析:空气受电场影响被电离产生带电粒子,电场线方向从正极指向负极,正电荷在静电力作用下向负极运动,熔喷布上表面因捕获带电粒子将带正电,故A正确;导体尖端的电荷特别密集,所以电场强度比较大,远离尖端的地方电场强度逐渐减小,静电力减小,加速度也减小,故B、C错误;若增大两电极间的电压,驻极附近的电场更强,被电离的空气分子增加而产生更多的带电粒子,会使熔喷布带上更多的静电,故 D错误。
11.如图为科技馆里一个趣味体验项目的简化图,核心装置为一个金属球,在干燥的空气里,体验者双脚站在绝缘凳上,一只手按在金属球上,并与周围其他物体保持远离。一条特殊传送带(图中未画出)给金属球不断地输送电荷,过一段时间后,体验者的头发便会四处散开,甚至竖立,十分有趣,在此状态下,下列分析正确的是(　B　)
A.若用另一只手也去摸金属球,会被电击
B.若用另一只手与旁边的观众握手,会被电击
C.若手离开金属球,则头发立刻恢复常态
D.金属球和人的头发所带电荷的电性相反
解析:体验者双脚站在绝缘凳上,所以电荷不能通过体验者导走,体验者与金属球形成一个导体,所带电荷电性相同,处于静电平衡状态,当用另一只手也去摸金属球,体验者所带电荷量不变,不会产生电流,不会被电击,故A、D错误;体验者的身体表面带有电荷,若用另一只手与旁边的观众握手,所带电荷移动产生电流而会被电击,故B正确;若手离开金属球,体验者身体表面仍然带有电荷,所以头发不会立刻恢复常态,故C错误。
12.(多选)如图所示为滚筒式静电分选器,由料斗A,导板B,导体滚筒C,刮板D,料槽E、F和电极G等部件组成。滚筒C和电极G分别接直流高压电源的正、负极,并令滚筒C接地,电源电压很高,足以使电极G附近的空气发生电离产生大量离子,电子会吸附在粉粒表面。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到达转动着的滚筒C,粉粒a具有良好的绝缘性,粉粒b具有良好的导电性能,则下列说法正确的是(　ABC　)
A.滚筒C应该顺时针旋转
B.刮板D的作用是将吸附在滚筒C上的粉粒a刮下来
C.粉粒b从滚筒至落入料槽的过程中先带负电后带正电
D.电极G电离空气产生大量离子,使得粉粒a、b都带负电,粉粒a、b都吸附在导体滚筒C上,最后被刮板D刮入槽中
解析:滚筒C要顺时针旋转,使粉粒靠近电极G而带上负电,选项A正确;电极G电离空气产生大量离子,使得粉粒a、b都带负电,粉粒a绝缘性能良好,粉粒a上的负电与滚筒C上的正电相互吸引,被吸附在滚筒C上,最后被刮板D刮入料槽E中,选项B正确;粉粒b导电性能良好,会与滚筒C上的正电荷先中和,然后带上正电,从而脱离滚筒C落在料槽F中,选项C正确,D错误。
13.以煤作燃料的电站,每天排出的烟气带走大量的煤粉,不仅浪费燃料,而且严重污染环境,利用静电除尘可以除去烟气中的煤粉。如图所示是静电除尘器的原理示意图,除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成,在A、B上各引电极a、b接直流高压电源。假定煤粉只会吸附电子,且在电场作用下吸附在金属管上,已知距金属丝B越近电场强度越大。
(1)试判断所接高压电源的极性;
(2)试定性说明静电除尘器的工作原理;
(3)设金属管A的内径r=3 m,长为L=50 m,该除尘器吸附煤粉的能力D=3.5×10-4 kg/(s·m2),求其工作一天能回收煤粉多少吨 (结果保留3位有效数字)
解析:(1)煤粉吸附电子而带负电,为了将煤粉吸附在金属管上,与金属管相连的a应接正极,b接负极。
(2)由于煤粉吸附电子带负电,在电场作用下奔向金属管,并吸附在金属管上,随着吸附量的增加,会在重力作用下落入漏斗而收集起来再送入燃烧炉。
(3)设一天回收煤粉的质量为m,管内表面积S=2πrL,
则m=DS·t=3.5×10-4×2×3.14×3×50×86 400 kg≈2.85×104 kg=
28.5 t。
答案:(1)a接正极,b接负极
(2)带电粒子在电场作用下奔向金属管,并吸附在金属管上
(3)28.5 t(共51张PPT)
4　静电的防止与利用
「定位·学习目标」
1.能用原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象,能分析生产生活中的静电现象,有关于静电的利用与防护的实际行动,具有与之相关的相互作用观念和物质观念。
2.能在熟悉情境中运用电场线等模型分析静电问题;能用与静电力、电场强度相关的证据解释常见的静电现象;提高科学思维能力。
3.能通过验电器、静电计等探索静电现象,能撰写与静电现象相关的小论文,能陈述并交流相关内容,提高科学探究能力。
4.能对公众利用和防止静电的一些行为发表自己的观点,能坚持实事求是,在合作中既能坚持观点又能纠正错误,有进行科学普及的兴趣和责任感。
探究·必备知识
1.静电平衡状态:把一个 的金属导体放到电场强度为E0的电场中。由于静电感应,导体两侧的感应电荷产生的电场E′与原电场E0 ,使导体内部的电场 ,直到导体内部各点的电场强度 E=0,导体内的自由电子不再发生 的状态。
2.平衡状态特征:内部的电场强度 。
「探究新知」
知识点一　静电平衡
不带电
叠加
减弱
定向移动
处处为0
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)处于静电平衡状态的导体内部电荷不再运动。(　 　)
(2)处于静电平衡状态下的导体外表面的电场强度处处为零。
(　 　)
(3)电场中的导体之所以能达到静电平衡状态,是由于其内部有大量的自由电子。(　 　)
「新知检测」
×
×
√
知识点二　尖端放电
「探究新知」
1.带电导体上电荷分布特点
(1)导体内部没有 电荷,电荷只分布在导体的 。
(2)在导体外表面,越尖锐的位置,电荷的 越大,周围的
越大。
2.电离:当导体尖端周围的强电场足以使空气中 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。
净剩
外表面
密度
电场强度
残留的
分离
3.尖端放电:导体尖端的电荷在其周围形成的强电场使空气 ,形成的带电粒子又加速、撞击,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 而奔向尖端,与尖端上的电荷 ,相当于导体从尖端 的现象。
4.避雷针:将尖锐的 安装在建筑物的顶端,用 与埋在地下的金属板连接,保持与 的良好接触的装置。
电离
吸引
中和
失去电荷
金属棒
粗导线
大地
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)导体尖端放电是因为该处电荷较多,电荷间静电斥力造成的。
(　 　)
(2)避雷针避雷的原理是尖端放电能将云层中的电荷中和。
(　 　)
(3)为了美观,通常把避雷针顶端设计成球形。(　 　)
(4)为了避免因尖端放电而损失电能,高压输电导线表面要尽量光滑。(　 　)
「新知检测」
×
√
×
√
知识点三　静电屏蔽　静电吸附
「探究新知」
1.静电屏蔽
(1)定义:静电平衡时,导体壳壁内的电场强度为0,电场线只能在空腔之外,不能进入空腔之内,外电场对壳内不会产生影响。这种作用叫作静电屏蔽。
(2)应用。
电学仪器放在封闭的金属壳里不受外电场影响;高压输电线上方与大地相连的两条导线能把高压线屏蔽起来,使其免遭雷击。
2.静电吸附及应用:在电场中,带电粒子受到 的作用,向着电极运动,最后被 在电极上的现象。静电吸附的应用有静电除尘、 、静电复印等。
静电力
吸附
静电喷漆
把手机放在不锈钢快餐盒中并用盖子盖住,手机还能接通吗 如果放在塑料饭盒中呢 试一试并解释其中的原因。
「新知检测」
提示:手机放在不锈钢快餐盒中不能接通,放在塑料饭盒中能够接通。这是因为不锈钢快餐盒能够形成静电屏蔽,手机无法接收到外界的电磁信号,所以不能接通。
突破·关键能力
要点一　静电平衡的理解
「情境探究」
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
答案:(1)自由电子受外加电场的静电力作用而移动,向着与外加电场相反的方向定向移动。
(2)自由电子能否一直定向移动 为什么
答案:(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。
「要点归纳」
1.静电平衡是自由电子发生定向移动的结果,达到静电平衡时,自由电子不再发生定向移动。
2.金属导体建立静电平衡的时间非常短暂。
3.电场线不会进入达到静电平衡状态的导体内部,而在导体外表面一定与外表面垂直。
4.带电导体的净剩电荷都分布在导体的外表面,导体内部没有净剩电荷。
[例1] (对静电平衡的理解)如图显示了在电场强度为E0的匀强电场的情况下,放入的导体板中静电平衡的建立过程。下列说法正确的是(　 　)
A.图甲、图乙显示导体内部只有自由电子在静电力作用下运动,说明带正电的离子不受静电力作用
B.图丙中,导体内部没有了自由电子
C.图丙中,外部电场不能进入导体内部
D.图丙中,导体AB表面和CD表面的感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场,电场强度大小为E0
「典例研习」
√
解析:题图甲、乙显示了导体内部自由电子在静电力作用下向左运动的情况,而带正电的离子同样会受到静电力的作用,只是不会发生移动,故A错误;题图丙中导体内部一定有自由电子,但自由电子不再做定向移动,故B错误;导体内部电场强度处处为零是感应电荷的电场与匀强电场叠加的结果,则感应电荷将在导体内部产生一个水平向左的电场强度大小为E0的电场,感应电场和原电场依然存在,故D正确,C错误。
[例2] (利用静电平衡求电场强度)如图,在真空中有两个点电荷A和B,电荷量分别为-Q和+2Q,它们相距L,如果在两点电荷连线的中点O有一个半径为r(2r(1)-Q在O点产生的电场强度的大小与方向;
(2)球壳上的感应电荷在O点处产生的电场强度大小与方向。
规律方法
求导体静电平衡状态时感应电荷电场强度的方法
(1)先确定或求外电场的电场强度的大小和方向。
(2)根据导体处于静电平衡状态满足静电平衡条件E合=0,求出感应电场E感的大小和方向。
要点二　尖端放电和静电屏蔽
「情境探究」
我国的超高压输电技术处于全球领先水平,其中创造了具有世界先进水平的超高压带电作业法。利用特殊工作服,可以保证工作人员在超高压环境中处于安全状态。
(1)超高压输电线周围存在强电场,当人靠近输电线时,人体会有什么现象发生
答案:(1)人体靠近高压输电线周围的强电场时,由于静电感应,人体内的自由电荷重新分布,瞬间负电荷向E的反方向运动,形成了瞬时电流。
(2)工人带电作业时穿着由金属丝和棉纱织成的均压服,有什么作用
答案:(2)由金属丝和棉纱织成的均压服可以起到静电屏蔽的作用,从而使人体处于静电平衡状态。
「要点归纳」
1.尖端放电的实质
带电导体表面电场:电荷在导体表面分布不均匀,导体表面尖锐处电荷分布密集,平滑处电荷分布稀疏,凹陷处几乎没有电荷,如图所示。
2.静电屏蔽的实质
静电感应现象使金属壳内感应电荷的电场和外部电场叠加使合电场强度的矢量和为零,等同于金属壳将外电场“挡”在外面,即所谓的屏蔽作用。
3.静电屏蔽的两种情况
项目 屏蔽外电场 屏蔽内电场
图示
实现 过程 外电场与导体球壳表面上的感应电荷在空腔内的合电场强度为零,起到屏蔽外电场的作用 空腔导体外部接地,空腔内电场使外表面的感应电荷排入大地而对外无电场,起到屏蔽内电场的作用
效果 导体内空腔不受外界电场影响 接地导体空腔内部电场对外部无影响
本质 静电屏蔽是外部电场与感应电场叠加的结果,因此静电屏蔽的材料只能是导体
[例3] (尖端放电)模拟避雷针作用的实验装置如图所示,金属板M接高压电源的正极,金属板N接高压电源的负极。金属板N上有两个等高的金属柱A、B,A为尖头,B为圆头。逐渐升高电源电压而使极板间电场增强,当电压达到一定数值时,可看到放电现象。下列说法正确的是(　 　)
A.金属柱A、B同时产生放电现象
B.金属柱B先产生放电现象
C.先产生放电现象的可能是金属柱A,也可能是金属柱B
D.金属柱A先产生放电现象
√
「典例研习」
解析:由于导体表面尖锐程度越大的地方电荷分布越密集而使附近电场越强,则金属柱A尖头处电荷分布密集,电场强,使板M和金属柱A之间的空气发生电离,从而发生尖端放电现象,选项D正确。
[例4] (静电屏蔽)如图所示,P是一个带电体,S代表放在绝缘板上的一些小纸屑,而N是一个不带电的金属球型网罩。下列各图示中的纸屑S不会被带电体P吸引的是(　 　)
A B　 C D
√
解析:金属球型网罩无论是否接地,都能把外部的电场屏蔽起来不让它影响内部,选项A正确;若把金属球型网罩接地,就能够把内部带电体的电场屏蔽起来不让它影响外部,但不接地时外表面的感应电荷在其外部形成电场,纸屑S会被吸引,即被带电体P吸引,选项B错误;当带电体P与纸屑S都在金属网罩内或金属网罩外时,都不存在静电屏蔽而会被吸引,选项C、D错误。
规律方法
处理静电屏蔽问题应注意的三点
(1)空腔可以屏蔽外界电场,而接地的空腔才能屏蔽内部的电场,其本质都是因为激发电场与感应电场叠加的结果,分析中应特别注意分清产生静电感应的电场和感应电荷的电场。
(2)对静电感应,要掌握导体内部的自由电荷是如何移动的,何处会出现感应电荷,是如何建立起感应电荷电场的。
(3)对静电平衡状态,要理解导体内部及表面附近电场所具有的特点。
要点三　静电吸附的理解及应用
「情境探究」
在玻璃管中心轴上安装一根直导线,玻璃管外绕有线圈,直导线的一端和线圈的一端分别跟感应圈的两放电柱相连,开始时感应圈未接通电源,点燃蚊香,让烟通过玻璃管冒出,当感应圈电源接通时,玻璃管中的导线和管外线圈间就会加上高电压,而在其间形成很强的电场,可以看到不再有烟从玻璃管中冒出来。过一会儿还可以看到管壁吸附了一层烟尘。请思考一下其中的原因。
答案:当感应圈电源接通时,玻璃管中的导线和管外线圈间形成的强电场使玻璃管中的空气被电离,烟尘颗粒吸附一定的电子带上负电荷,在强电场中受静电力作用偏转后被吸附在带正电的玻璃管壁上。所以,可以看到不再有烟从玻璃管中冒出来,过一会则在玻璃管壁上吸附一层烟尘。
「要点归纳」
静电的应用和防止
(1)静电的应用。
应用原理 应用举例
静电吸引轻小物体 静电复印、静电喷漆、静电喷雾、激光打印、静电纺纱、静电除尘等
利用强电场 静电保鲜、静电灭菌、农作物种子处理
(2)静电的防止。
基本办法是尽快把产生的静电导走,避免越积越多。
其途径主要有:
①避免产生静电,例如,在可能情况下选用不易产生静电的材料。
②避免静电的积累,产生的静电要设法导走,例如,增加空气湿度、接地等。
[例5] (静电吸附的理解)(多选)如图所示是静电除尘装置示意图,它由金属管A和管中金属丝B组成,其原理是在A、B间加上高电压,其间形成强电场,尘埃被吸附在金属管上。下列关于静电除尘原理的说法正确的是(　 　)
A.金属管A与金属丝B间形成辐向电场,方向由A指向B
B.煤粉、烟尘等尘埃吸附正离子后被吸在A上
C.靠近B处电场强度大,B附近的空气被电离成正离子和电子
D.煤粉、烟尘等尘埃在强电场作用下电离而吸附在A上
√
「典例研习」
√
解析:金属管A接高压电源的正极,金属丝B接高压电源的负极,相当于B带负电荷,A带正电荷,其间形成辐向电场,方向由A指向B,靠近金属丝B处的电场非常强,附近的空气被电离成正离子和电子,金属管中的煤粉、烟尘等尘埃吸附电子后在强电场作用下加速向金属管A运动,被吸附后收集,从而避免污染大气,选项A、C正确,B、D错误。
[例6] (静电的防止和利用)生活中处处存在静电现象,有些是有利的,有些是有害的。关于静电的防止与利用,下列说法正确的是(　 　)
A.印染厂应保持空气干燥,避免静电积累带来的潜在危害
B.在高大的建筑物顶端装上避雷针是避免因静电造成的危害
C.燃气灶中的电子点火器,是利用摩擦起电的原理进行点火的
D.油罐车尾部拖在地上的铁链的作用是为了利用静电
√
解析:印染厂应保持适当的湿度,及时把车间因摩擦产生的静电导走,避免静电造成的危害,故A错误;在高大的建筑物顶端装上避雷针是为了将云层静电及时导入大地,防止静电造成危害,故B正确;燃气灶中的电子点火器,是利用高压尖端放电的原理进行点火的,故C错误;油罐车在运输中,油不断地相互摩擦会产生大量的静电,在车尾装一条拖在地上的铁链,将静电导入大地而防止静电危害,故D错误。
检测·学习效果
1
2
3
1.下列现象中不属于静电屏蔽的是(　 　)
A.超高压带电作业的工人穿戴含金属丝织物的工作服
B.野外高压输电线上方两根导线与大地相连
C.优质话筒线外面有金属网将导线包裹
D.建筑物的顶端要安装避雷针
√
4
1
2
3
解析:超高压带电作业的工人穿戴包含金属丝织物的工作服,就像一个金属网罩一样起到静电屏蔽的作用,保护工人的安全,故A属于静电屏蔽;高压输电中三根较粗的输电线上方的两条较细的电线与大地相连,形成一个稀疏的金属“网”,对输电线起到静电屏蔽作用,故B属于静电屏蔽;优质话筒线外面有一层金属网将导线包裹,以防止外界电信号侵入,是静电屏蔽的利用,故C属于静电屏蔽;在雷雨天气里,建筑物顶端的避雷针可以通过尖端放电,中和云层因摩擦产生的静电,达到避免雷击的目的,故D不属于静电屏蔽。
4
2.如图所示是一根金属杆,原来不带电。现在沿着杆的轴线方向放置一个点电荷Q。金属杆达到静电平衡状态,杆的轴线上有a、b、c三个点,则感应电荷产生的电场在三点的电场强度Ea、Eb、Ec的大小关系为(　 　)
A.Ea>Eb>Ec
B.EaC.EaD.Ea=Eb>Ec
√
1
2
3
4
解析:处于静电平衡状态的导体,内部的电场强度处处为零,即任何一点感应电荷产生的电场的电场强度与外部电场的电场强度大小相等、方向相反,显然点电荷Q在a、b、c三点的电场强度在c点最大,b点次之,a点最小,则Ea1
2
3
4
3.一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10-8 C的正电荷,其上端开有适当小孔,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,如图所示,则A、B带电荷量分别为(　 　)
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
1
2
3
√
4
解析:B球与A球接触后成为一个新的导体,而所带电荷只能分布于导体的外表面,因此QB=0,QA=4×10-8 C-2×10-8 C=2×10-8 C,选项B正确。
1
2
3
4
1
2
4.如图所示,空心导体上方有一靠得很近的带有正电荷的带电体。若一个重力可忽略不计的负电荷以速度v水平飞入空心导体腔内,则该电荷的运动情况是(　 　)
A.匀速直线运动
B.变速直线运动
C.向上偏转的曲线运动
D.向下偏转的曲线运动
√
4
3
1
2
3
解析:空心导体上方有一靠得很近的带有正电荷的带电体,达到静电平衡后,空心导体内部电场强度处处为零,重力可忽略不计的负电荷进入后不受任何力的作用,可知该电荷做匀速直线运动,选项A正确,B、C、D错误。
4
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