第2章　第3節(jié)　靜電的利用與防護(hù)-高中物理 必修第3冊(cè)(配粵教版)

第三節(jié)靜電的利用與防護(hù)[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念知道點(diǎn)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度公式及勻強(qiáng)電場(chǎng)的特點(diǎn)，了解靜電的利用與防護(hù)，能解釋相關(guān)的自然現(xiàn)象科學(xué)思維能對(duì)靜電平衡狀態(tài)下電荷的分布規(guī)律進(jìn)行分析科學(xué)探究通過密立根油滴實(shí)驗(yàn)，會(huì)探究相關(guān)的靜電問題；通過靜電現(xiàn)象的利用和防護(hù)，增強(qiáng)安全，利用靜電的意識(shí)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任在實(shí)驗(yàn)中既能堅(jiān)持自己的觀點(diǎn)，又能糾正錯(cuò)誤，能對(duì)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)任感知識(shí)點(diǎn)一靜電的利用1．靜電噴涂(1)原理：靜電噴涂是一種利用靜電作用使霧化涂料微粒在高壓電場(chǎng)作用下帶上負(fù)電荷，并吸附于帶正電荷的被涂物的涂裝技術(shù)。(2)優(yōu)點(diǎn)：靜電噴涂具有顯著優(yōu)點(diǎn)，如涂層質(zhì)量高、涂料利用率高、對(duì)使用者操作技術(shù)要求低等。2．靜電除塵原理：靜電除塵是利用電荷相互作用的性質(zhì)，把帶有不同電性的粉塵從煙氣中分離出來，再分類處理的過程。3．靜電復(fù)印(1)原理：靜電復(fù)印是利用正、負(fù)電荷的吸引力進(jìn)行油墨轉(zhuǎn)移的印刷方式，又稱無壓印刷。(2)應(yīng)用：靜電復(fù)印技術(shù)已發(fā)展成一門成熟的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于激光打印機(jī)、噴墨打印機(jī)、模擬式復(fù)印機(jī)、數(shù)字式復(fù)印機(jī)、速印機(jī)、傳真機(jī)等。4．靜電植絨原理：靜電植絨是利用電荷之間同性相斥、異性相吸的性質(zhì)，通過使絨毛帶上負(fù)電荷，令絨毛被吸引到帶正電的被植體表面上。知識(shí)點(diǎn)二尖端放電1．空氣的電離：導(dǎo)體尖端電荷密度很大，附近的電場(chǎng)很強(qiáng)，強(qiáng)電場(chǎng)作用下的帶電粒子劇烈運(yùn)動(dòng)，使分子中的正負(fù)電荷分離的現(xiàn)象。2．尖端放電：與導(dǎo)體尖端帶異種電荷的粒子，由于被吸引，而與尖端上電荷中和，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。知識(shí)點(diǎn)三防止靜電危害1．靜電危害的分類：(1)靜電力造成的不良后果；(2)靜電火花引發(fā)的災(zāi)害。2．防止靜電產(chǎn)生的措施：(1)控制靜電的產(chǎn)生；(2)把產(chǎn)生的電荷盡快導(dǎo)走。提醒：靜電利用的原理：帶電粒子在靜電力作用下聚集到相應(yīng)帶電極板，從而達(dá)到除塵、噴涂、復(fù)印等目的。1：思考辨析(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)我們經(jīng)?？吹接凸捃囓囄灿幸桓鶎?dǎo)電拖地帶，其作用是將油罐車上的靜電盡快導(dǎo)走。 (√)(2)靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再定向移動(dòng)。 (√)2：填空一金屬球，原來不帶電，如圖所示，沿球直徑的延長(zhǎng)線放置一均勻帶電的細(xì)桿MN，a、b、c為該直徑上從左向右排列的三點(diǎn)，設(shè)靜電平衡時(shí)，金屬球上感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)在這三點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小分別為Ea、Eb、Ec，則其大小順序?yàn)镋c＞Eb＞Ea?？键c(diǎn)1靜電平衡與靜電屏蔽發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)，當(dāng)達(dá)到靜電平衡后導(dǎo)體內(nèi)部自由電子為什么不再發(fā)生定向移動(dòng)？提示：達(dá)到靜電平衡后導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度E＝0。1．靜電平衡(1)靜電平衡狀態(tài)：導(dǎo)體中(包括表面)沒有電荷定向移動(dòng)的狀態(tài)。(2)靜電平衡的條件：導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零，即E內(nèi)＝0。(3)靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特征：①導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零。②導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)垂直表面。如果不垂直，場(chǎng)強(qiáng)就有一個(gè)沿導(dǎo)體表面的分量，自由電子還要發(fā)生定向移動(dòng)，這就不平衡了。③導(dǎo)體為等勢(shì)體，表面為等勢(shì)面。導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零，在導(dǎo)體內(nèi)部移動(dòng)電荷時(shí)，電場(chǎng)力不做功，任意兩點(diǎn)間的電勢(shì)差為零，因此導(dǎo)體是等勢(shì)體。電荷在導(dǎo)體表面移動(dòng)時(shí)，電場(chǎng)力與位移垂直，也不做功，故表面是等勢(shì)面。(4)靜電平衡導(dǎo)體的電荷分布特點(diǎn)：①導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，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。2．靜電屏蔽由于靜電感應(yīng)，可使金屬網(wǎng)罩或金屬殼內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)為零，遮擋住了外界電場(chǎng)的影響，這種現(xiàn)象叫靜電屏蔽。金屬包皮或網(wǎng)罩只能屏蔽外來電場(chǎng)，不能擋住內(nèi)部電荷向外激發(fā)的電場(chǎng)。3．兩種靜電屏蔽現(xiàn)象(1)導(dǎo)體空腔內(nèi)不受外界影響，如圖甲所示。甲乙(2)接地導(dǎo)體空腔外部不受內(nèi)部電荷影響，如圖乙所示?！镜淅?】如圖所示，把原來不帶電的金屬殼B的外表面接地，將一帶正電的小球A從小孔中放入球殼內(nèi)，但不與B發(fā)生接觸，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)后，則()A．B的空腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度為零B．B不帶電C．B的外表面帶正電D．B的內(nèi)表面帶負(fù)電D[因?yàn)榻饘贇さ耐獗砻娼拥兀酝獗砻鏌o感應(yīng)電荷，只有內(nèi)表面有感應(yīng)電荷分布，且由于A帶正電，則B的內(nèi)表面帶負(fù)電，D正確，B、C錯(cuò)誤；B的空腔內(nèi)有帶正電的小球A產(chǎn)生的電場(chǎng)和金屬殼內(nèi)表面感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，由電場(chǎng)疊加可知，電場(chǎng)線的方向由A指向B，所以空腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度不為零，A錯(cuò)誤。]靜電屏蔽問題的兩點(diǎn)注意(1)空腔可以屏蔽外界電場(chǎng)，接地的空腔可以屏蔽內(nèi)部的電場(chǎng)作用，其本質(zhì)都是因?yàn)榧ぐl(fā)電場(chǎng)與感應(yīng)電場(chǎng)疊加的結(jié)果，分析中應(yīng)特別注意分清是哪一部分電場(chǎng)作用，還是合電場(chǎng)作用的結(jié)果。(2)靜電屏蔽的本質(zhì)是靜電感應(yīng)與靜電平衡。[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．如圖所示，兩個(gè)相同的空心金屬球M和N，M帶電荷量－Q，N不帶電(M、N相距很遠(yuǎn)，互不影響)，旁邊各放一個(gè)不帶電的金屬球P和R，當(dāng)將帶正電Q的小球分別放入M和N的空腔中時(shí)()A．P、R上均出現(xiàn)感應(yīng)電荷B．P、R上均沒有感應(yīng)電荷C．P上有感應(yīng)電荷而R上沒有感應(yīng)電荷D．P上沒有感應(yīng)電荷而R上有感應(yīng)電荷D[當(dāng)將帶正電Q的小球放入M的空腔中時(shí)，由于靜電感應(yīng)，M的內(nèi)表面帶負(fù)電，而外表面帶正電，其電荷量為Q，它與原來金屬球M外表面所帶的電荷－Q正好中和，使外表面不帶電。這實(shí)際上是M所帶電荷－Q被吸引至內(nèi)表面，所以金屬球M外部不存在電場(chǎng)，不能使P產(chǎn)生靜電感應(yīng)，P上沒有感應(yīng)電荷。當(dāng)將帶正電Q的小球放入原來不帶電的金屬球N的空腔中時(shí)，由于靜電感應(yīng)，使N的內(nèi)表面帶負(fù)電荷，外表面帶正電荷，N的外部有電場(chǎng)，使R產(chǎn)生靜電感應(yīng)，其左端帶負(fù)電，右端帶正電。故選項(xiàng)D正確。]考點(diǎn)2靜電的利用與防護(hù)金屬籠子接上50kV的高壓，但籠里的人為什么卻安然無恙？提示：由于金屬籠子的靜電屏蔽作用。1．靜電利用的基本原理異性電荷相吸引，使帶電的物質(zhì)微粒在電荷所產(chǎn)生的力的作用下，奔向并吸附到電極上。2．靜電危害產(chǎn)生的主要原因靜電危害起因于靜電力和靜電火花，靜電危害中最嚴(yán)重的是靜電放電引起可燃物的起火和爆炸。3．防止靜電危害的主要方法與途徑(1)盡量減少靜電的產(chǎn)生。常用的方法是增大空氣的濕度。(2)盡快把靜電導(dǎo)走，防止靜電積累。常用的最簡(jiǎn)單辦法是接地?！镜淅?】如圖所示，運(yùn)輸汽油等易燃易爆物品的車輛總有一條鐵鏈拖在地上，這樣做的目的是()A．發(fā)出聲音，引起路人注意B．減緩車速，保證行車安全C．把靜電引入大地，避免因放電引起爆炸D．與地面發(fā)生摩擦，在運(yùn)輸車上積累電荷思路點(diǎn)撥：(1)易燃物與電火花易發(fā)生危險(xiǎn)。(2)為避免危險(xiǎn)應(yīng)把靜電導(dǎo)走，不讓其產(chǎn)生電火花。C[汽車行駛時(shí)，油罐中的汽油隨車的振動(dòng)摩擦起電，如果不及時(shí)將這些靜電導(dǎo)走，一旦出現(xiàn)放電現(xiàn)象，就會(huì)發(fā)生爆炸事故。拖地鐵鏈?zhǔn)褂凸薇砻媾c大地相連，使油罐罐體中的電荷不斷地中和，避免因放電引起爆炸，C正確。]靜電利用和防護(hù)(1)靜電利用就是根據(jù)靜電場(chǎng)的特點(diǎn)加以應(yīng)用，對(duì)人類生產(chǎn)生活有益，更加便利。(2)靜電防護(hù)就是消除或減弱靜電作用，以消除危險(xiǎn)等。[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．(多選)下列說法正確的是()A．靜電除塵的原理是讓灰塵帶上電荷，然后在靜電力的作用下，奔向并吸附到帶有異種電荷的電極上B．靜電復(fù)印的原理是讓油墨帶上電荷，然后在靜電力的作用下，奔向并吸附到帶異種電荷的白紙上C．靜電噴涂的原理是讓油漆帶上電荷，然后在靜電力的作用下，奔向并吸附到吸引油漆的工件上D．靜電復(fù)印中的硒鼓上字跡的像實(shí)際是曝光的地方ABC[灰塵很容易吸附電子，靜電除塵的原理就是帶負(fù)電荷的灰塵在靜電力作用下被吸附到帶正電荷的圓筒上，A正確；靜電復(fù)印和靜電噴涂是分別使油墨和油漆帶電，在靜電力作用下吸附到帶異種電荷的預(yù)期部位；靜電復(fù)印曝光時(shí)，在光學(xué)系統(tǒng)作用下，將原稿圖像投射到感光片上，并使其形成靜電潛像，曝光時(shí)，感光片亮區(qū)光導(dǎo)體導(dǎo)通，表面電荷迅速消失(亮衰)，暗區(qū)光導(dǎo)體絕緣，表面電荷基本保持(不變)，B、C正確，D錯(cuò)誤。]1．(多選)一個(gè)不帶電的空心金屬球，在它的球內(nèi)放一個(gè)正電荷，如圖所示，其電場(chǎng)分布正確的是()ABCDCD[空心金屬球內(nèi)放一正電荷，由于靜電感應(yīng)使金屬球外表面帶正電，球殼上達(dá)到靜電平衡，內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零，當(dāng)金屬球外表面接地時(shí)，對(duì)內(nèi)電場(chǎng)具有屏蔽作用，故選項(xiàng)C、D正確。]2．下列做法中，屬于預(yù)防靜電危害的是()A．用靜電吸附粉塵B．用靜電噴涂油漆C．復(fù)印機(jī)對(duì)碳粉的靜電吸附D．運(yùn)輸汽油等易燃易爆物品的車輛拖條鐵鏈在地上D[用靜電吸附粉塵、用靜電噴涂油漆、復(fù)印機(jī)對(duì)碳粉的靜電吸附等是靜電的應(yīng)用；汽車行駛時(shí)，油罐中的汽油隨車的振動(dòng)摩擦起電，如果不及時(shí)地將這些靜電導(dǎo)走，一旦出現(xiàn)放電現(xiàn)象，就會(huì)發(fā)生爆炸事故。拖地鐵鏈?zhǔn)褂凸薇砻媾c大地相連，使油罐罐體中的電荷不斷地中和，不致造成放電產(chǎn)生火花引起油罐爆炸，這是預(yù)防靜電的危害，故D正確，A、B、C錯(cuò)誤。]3．以下各種物體中不是利用靜電屏蔽的是()A．避雷針B．超高壓帶電作業(yè)的工人要穿戴金屬織物的工作服C．電子設(shè)備外套金屬網(wǎng)罩D．野外高壓輸電線上方有兩條與大地相連的導(dǎo)線A[當(dāng)帶電云層靠近建筑物時(shí)，避雷針上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷會(huì)通過針尖放電，逐漸中和云中的電荷，使建筑物免遭雷擊，其原理為尖端放電，故A不屬于靜電屏蔽；超高壓帶電作業(yè)的工人要穿戴金屬織物的工作服可以起到屏蔽作用，故B屬于靜電屏蔽；電子設(shè)備外套金屬網(wǎng)罩可以起到靜電屏蔽的作用，故C屬于靜電屏蔽；高壓輸電線的上方還有兩條導(dǎo)線，這兩條導(dǎo)線的作用是它們與大地相連，形成稀疏的金屬“網(wǎng)”把高壓線屏蔽起來，免遭雷擊，故D屬于靜電屏蔽。故選A。]4．(新情境題，以“靜電除塵”為背景，考查靜電的利用)在玻璃管中心軸上安裝一根直導(dǎo)線，玻璃管外繞有線圈，直導(dǎo)線的一端和線圈的一端分別跟感應(yīng)圈的兩放電柱相連，開始時(shí)，感應(yīng)圈未接通電源，點(diǎn)燃蚊香，讓煙通過玻璃管冒出，當(dāng)感應(yīng)圈電源接通時(shí)，玻璃管中的導(dǎo)線和管外線圈間就會(huì)加上高電壓，立即可以看到，不再有煙從玻璃管中冒出來了。過一會(huì)兒還可以看到管壁吸附了一層煙塵。問題：請(qǐng)思考其中的原因。[解析]蚊香的煙中含有一定的碳顆粒，當(dāng)玻璃管中的導(dǎo)線和管外線圈間加上高電壓后，玻璃管中的導(dǎo)線和管外線圈間的空氣被電離，碳顆粒吸附一定的電子帶上負(fù)電荷，然后碳顆粒將向正極移動(dòng)，所以可以看到，不再有煙從玻璃管中冒出來了，該方法與靜電除塵是相同的。[答案]見解析回歸本節(jié)知識(shí)，自我完成以下問題：1．靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特征有哪些？提示：(1)導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零。(2)導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)垂直表面。(3)導(dǎo)體為等勢(shì)體，表面為等勢(shì)面。2．寫出幾種靜電的應(yīng)用？提示：靜電除塵、靜電噴霧、激光打印、避雷針等。雷火煉殿武當(dāng)山位于湖北省西北部，其主峰天柱峰屹立著一座光耀百里的金殿，全部為銅鑄鎏金。武當(dāng)山金殿雷雨交加時(shí)，金殿的屋頂常會(huì)出現(xiàn)盆大的火球，來回滾動(dòng)。雨過天晴時(shí)，大殿金光燦燦，像被重新煉洗過一般，這就是人們所說的“雷火煉殿”奇觀。武當(dāng)山重巒疊嶂，氣候多變，云層常帶大量電荷。金殿屹立峰巔，是一個(gè)龐大的優(yōu)良