2022-2023學(xué)年高二物理講義人教版必修第三冊9.4 的防止與應(yīng)用（教師版）

9.4靜電的防止與應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)1．理解靜電平衡狀態(tài)及特點(diǎn)。2．知道靜電平衡時(shí)導(dǎo)體上電荷的分布特點(diǎn)。3．了解生活中的靜電現(xiàn)象及應(yīng)用。重點(diǎn)：靜電平衡狀態(tài)。難點(diǎn)：電場中導(dǎo)體的特點(diǎn)。知識點(diǎn)一、靜電平衡狀態(tài)1．靜電感應(yīng)現(xiàn)象：處于電場中的導(dǎo)體，由于電場力的作用，電荷出現(xiàn)重新分布的現(xiàn)象。2．靜電平衡狀態(tài)：導(dǎo)體中（包括表面上）沒有電荷定向移動的狀態(tài)。如上圖所示，金屬導(dǎo)體中自由電子受到導(dǎo)體周圍電場的電場力作用后向左移動，在右側(cè)出現(xiàn)多余正電荷，導(dǎo)體兩側(cè)正、負(fù)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生與原電場反向的電場，因與原來的電場反向，疊加的結(jié)果是使原電場強(qiáng)度逐漸減弱，直至導(dǎo)體內(nèi)部各點(diǎn)的合電場強(qiáng)度等于零為止，此時(shí)F＝E內(nèi)q＝0，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再發(fā)生定向移動，處于一個(gè)平衡狀態(tài)，我們就說導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡狀態(tài)。3．靜電平衡狀態(tài)的特征（1）處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部的場強(qiáng)處處為零。（2）處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，外部表面附近任何一點(diǎn)的場強(qiáng)方向必跟該點(diǎn)的表面垂直。（3）處于靜電平衡狀態(tài)的整個(gè)導(dǎo)體是個(gè)等勢體，導(dǎo)體的表面為等勢面。（4）在導(dǎo)體表面，越尖銳的位置，電荷的密度越大，凹陷的位置幾乎沒有電荷。4．靜電平衡實(shí)質(zhì)（1）在達(dá)到靜電平衡的過程中，外電場引起導(dǎo)體內(nèi)自由電荷的定向移動使導(dǎo)體兩側(cè)出現(xiàn)感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷的電場和外電場方向相反，使合場強(qiáng)減小，隨著感應(yīng)電荷的繼續(xù)增加，合場強(qiáng)逐漸減小，直至合場強(qiáng)為零，自由電荷的定向移動停止。（2）靜電平衡的條件：導(dǎo)體內(nèi)部的合場強(qiáng)為零，即E合＝0。由于靜電感應(yīng)，在導(dǎo)體兩側(cè)出現(xiàn)等量異種感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部形成與電場E0反向的電場E′，在導(dǎo)體內(nèi)任一點(diǎn)E′=－E0，使得合電場強(qiáng)度E內(nèi)=0。【題1】如圖所示，接地的金屬板右側(cè)有固定的點(diǎn)電荷+Q，a、b兩點(diǎn)是金屬板右側(cè)表面上的兩點(diǎn)，其中a到+Q的距離較小，下列說法正確的是A．由于靜電感應(yīng)，金屬板右側(cè)表面帶負(fù)電，左側(cè)表面帶正電B．由于靜電感應(yīng)，金屬板右側(cè)表面帶負(fù)電，左側(cè)表面不帶電C．整個(gè)導(dǎo)體，包括表面上的a、b兩點(diǎn)，是一個(gè)等勢體，且電勢等于零D．a(chǎn)、b兩點(diǎn)的電場強(qiáng)度不為零，且a、b兩點(diǎn)場強(qiáng)方向相同【答案】BCD【解析】金屬板左側(cè)接地，金屬板與地球形成了一個(gè)導(dǎo)體，金屬板相當(dāng)于近端，而地球相當(dāng)于遠(yuǎn)端，根據(jù)感應(yīng)電荷“近異遠(yuǎn)同”的分布特點(diǎn)，A錯，B對；由處于靜電平衡狀態(tài)導(dǎo)體的特點(diǎn)可知，a、b兩點(diǎn)電勢相等，接地后電勢等于零，C對；金屬板是一個(gè)等勢體，電場線垂直于金屬板表面向左，所以a、b兩點(diǎn)的場強(qiáng)方向相同，D對。【題2】一個(gè)帶有絕緣底座的空心金屬球殼A上均勻帶有4×10－8C的正電荷，有絕緣柄的金屬小球B上帶有2×10－8C的負(fù)電荷，使B球與球殼A內(nèi)壁接觸。如圖，則A、B帶電荷量分別為A．QA＝1×10－8C，QB＝1×10－8CB．QA＝2×10－8C，QB＝0C．QA＝0，QB＝2×10－8CD．QA＝4×10－8C，QB＝－2×10－8C【答案】B【解析】由于A、B帶異種電荷，接觸以后，要先中和掉一部分電荷，中和以后可以把A、B看做一個(gè)整體，對于這個(gè)整體來說，由于靜電平衡它的內(nèi)壁和B球?qū)o凈電荷的分布。所以QA＝2×10－8C，QB＝0?！咎貏e提醒】（1）一個(gè)孤立的帶電體，在自身所帶電荷的電場中，處于靜電平衡狀態(tài)，具有靜電平衡的所有特點(diǎn)。（2）人與大地都是導(dǎo)體，在人摸（觸）導(dǎo)體的過程中，帶電體、人、大地組成一個(gè)新導(dǎo)體，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)?！绢}3】如圖，水平放置的金屬板正上方有一固定的正點(diǎn)電荷Q，一表面絕緣的帶電的小球（可視為質(zhì)點(diǎn)且不影響Q的電場），從左端以初速度v0滑上金屬板，沿光滑的上表面向右運(yùn)動到右端，在該運(yùn)動的過程中A．小球做勻速直線運(yùn)動B．小球做先減速，后加速的運(yùn)動C．小球的電勢能保持不變D．電場力對小球所做的功為零【答案】ACD【解析】水平放置的金屬板處于點(diǎn)電荷Q的電場中而達(dá)到靜電平衡狀態(tài)，是一個(gè)等勢體，其表面電場線處處與表面垂直，所以小球運(yùn)動時(shí)只在豎直方向上受力的作用，在水平方向上不受力的作用，故帶電小球（表面絕緣，電荷量不變）在導(dǎo)體表面滑動時(shí)，電場力不做功，故小球做勻速直線運(yùn)動，所以A、C、D選項(xiàng)正確。知識點(diǎn)二、導(dǎo)體上電荷的分布特點(diǎn)1．內(nèi)外表面分布不同，電荷都分布在外表面上，導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷。2．感應(yīng)電荷分布于導(dǎo)體兩端，電性相反，電量相等，遠(yuǎn)同近異，如圖甲所示。3．凈電荷在導(dǎo)體表面分布不均勻，導(dǎo)體表面尖銳處電荷分布密集，平滑處電荷分布稀疏，凹陷處幾乎沒有電荷，如圖乙所示。【特別提醒】（1）一個(gè)孤立的帶電體，在自身所帶電荷的電場中，處于靜電平衡狀態(tài)，具有靜電平衡的所有特點(diǎn)。（2）人與大地都是導(dǎo)體，在人摸（觸）導(dǎo)體的過程中，帶電體、人、大地組成一個(gè)新導(dǎo)體，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)。知識點(diǎn)三、尖端放電1．電離：在導(dǎo)體尖端強(qiáng)電場的作用下，使空氣分子中的正負(fù)電分離，這種現(xiàn)象叫做空氣的電離。2．尖端放電：由于導(dǎo)體尖端的電荷密度很大，其附近電場很強(qiáng)，使周圍中性空氣分子電離，變成帶電離子，這些帶電粒子在強(qiáng)電場加速下，會使更多的空氣分子電離，產(chǎn)生大量的帶電粒子，與導(dǎo)體尖端的電荷符號相反的粒子被吸引到尖端，跟尖端上的電荷中和，這相當(dāng)于尖端失去電荷，這個(gè)現(xiàn)象叫尖端放電。3．應(yīng)用和防止（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________________會減少電能的損失。知識點(diǎn)四、靜電屏蔽1．實(shí)質(zhì)：靜電屏蔽實(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)電荷的電場和外加電場矢量和為零，好像是金屬殼將外電場“擋”在外面，即所謂的屏蔽作用，其實(shí)是殼內(nèi)兩種電場并存，矢量和為零而已。2．靜電屏蔽的兩種情況（1）金屬殼內(nèi)部不受外部影響：如圖，把驗(yàn)電器靠近帶電體，箔片會張開，但如果把驗(yàn)電器置于金屬網(wǎng)罩內(nèi)，再靠近帶電體，箔片不再張開，說明網(wǎng)罩內(nèi)不受外電場的影響。（2）接地的封閉導(dǎo)體殼，內(nèi)部電場對外部沒有影響：如一封閉的導(dǎo)體殼內(nèi)部空間某點(diǎn)有一點(diǎn)電荷+q。由于靜電感應(yīng)，導(dǎo)體殼內(nèi)外表面感應(yīng)出等量的異種電荷。其電場線如圖甲所示，當(dāng)把導(dǎo)體殼接地后，+q在殼內(nèi)的電場對殼外空間就沒有影響了，如圖乙所示。當(dāng)把球殼接地后，殼外表面感應(yīng)的正電荷在靜電力作用下流入大地（實(shí)際是大地的電子在電場作用下通過接地的導(dǎo)線流到球殼面上與殼外表面的正電荷中和），使球殼外表面沒有電荷，殼外空間就沒有電場了，于是網(wǎng)罩內(nèi)帶電體對外界的影響就隨之消除。殼內(nèi)＋q的電場不會受到球殼外界電場的任何影響，這樣就出現(xiàn)圖乙所示的情況。這種情況，既能屏蔽外界電場對網(wǎng)罩內(nèi)部的影響，又能屏蔽網(wǎng)罩內(nèi)帶電體對網(wǎng)罩外部電場的影響。【特別提醒】（1）接地的空腔導(dǎo)體，腔外電場對腔內(nèi)空間不產(chǎn)生影響，腔內(nèi)電場對腔外空間也不產(chǎn)生影響，即內(nèi)外互不影響。（2）空腔導(dǎo)體不接地，腔外電場對腔內(nèi)空間不產(chǎn)生影響，腔內(nèi)電場對腔外空間產(chǎn)生影響?！绢}4】下圖中P是一個(gè)帶電體，N是一個(gè)不帶電的金屬空腔，在哪些情況下，放在絕緣板上的小紙屑（圖中S）不會被吸引【答案】AD【解析】小紙屑是絕緣體，當(dāng)處于電場中時(shí)，雖不會像導(dǎo)體一樣出現(xiàn)電荷的定向移動，但內(nèi)部的極性分子也會在電場力的作用下移動，使異種電荷一端更靠近施感電荷，因而也會受到施感電荷的吸引力。A中由于靜電屏蔽，P的電場影響不到導(dǎo)體N的內(nèi)部，即N內(nèi)部無電場，所以S不會被吸引，A正確。B中N沒有接地，P的電場會影響到N的外部，即S處有電場，S會被吸引。C中P和S都處于導(dǎo)體N的外部，S處有電場，會被吸引。D中N被接地，內(nèi)部電場不影響導(dǎo)體外部，即S處無電場，不會被吸引，D正確?！绢}5】如圖，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．采用金屬材料編織的衣服目的是使衣服不易拉破B．采用金屬材料編織的衣服目的是利用靜電屏蔽C．電工穿上屏蔽服后，體內(nèi)場強(qiáng)為零D．電工穿上屏蔽服后，體內(nèi)電勢為零【答案】BC【解析】屏蔽服的作用是在穿用后，使處于高壓電場中的人體外表面各部位形成一個(gè)等勢屏蔽面，從而防護(hù)人體免受高壓電場及電磁波的危害；等勢面說明電勢相等而不是等于0，而電場中的導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度為0，所以BC正確，AD錯誤。【題6】如圖，用起電機(jī)使金屬鳥籠帶電，站在金屬架上的鳥安然無恙，且不帶電，其原因是A．鳥的腳爪與金屬架絕緣B．鳥與籠電勢相同，無電勢差C．鳥籠內(nèi)部場強(qiáng)為零，電荷分布在籠的外表面D．起電機(jī)使籠帶電，籠的電勢不會很高【答案】BC【解析】由于金屬鳥籠的靜電屏蔽作用，使得鳥籠內(nèi)部場強(qiáng)為零，電荷分布在籠的外表面，C正確；處于靜電平衡狀態(tài)的鳥籠是一個(gè)等勢體，其上各點(diǎn)電勢都相等，故B正確；鳥的腳爪與金屬架不是絕緣的，A錯誤；起電機(jī)使鳥籠帶電，電勢可以達(dá)到很高，D錯誤。3．應(yīng)用和防止（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：為防止外界電場的干擾，有些電子設(shè)備的外面套有金屬殼，通訊電纜的外層包有一層金屬線來進(jìn)行靜電屏蔽。靜電屏蔽也可帶來不利的影響，如航天飛機(jī)、飛船返回地球大氣層時(shí)，由于飛船與大氣層的高速摩擦而產(chǎn)生高溫，在飛船的周圍形成一層等離子體，它對飛船產(chǎn)生靜電屏蔽作用，導(dǎo)致地面控制中心與飛船的通信聯(lián)系暫時(shí)中斷．對宇航員來說，這是一個(gè)危險(xiǎn)較大的時(shí)間段。高壓設(shè)備中導(dǎo)體的表面盡量光滑會減少電能的損失。【題7】靜電噴涂利用了電荷之間的相互作用，其噴涂原理如圖，則下列說法正確的是A．涂料微粒一定帶正電B．涂料微粒一定帶負(fù)電C．涂料微?？赡軒д?，也可能帶負(fù)電D．噴嘴與工件之間的電場為勻強(qiáng)電場【答案】A【解析】根據(jù)電荷間的相互作用特點(diǎn)結(jié)合題目中現(xiàn)象圖分析。靜電噴涂的原理就是讓帶電的涂料微粒在強(qiáng)電場的作用下被吸附到工件上，而達(dá)到噴涂的目的，噴嘴與工件之間的電場是非勻強(qiáng)電場，選項(xiàng)D錯誤；由題圖知，待噴涂工件帶負(fù)電，所以涂料微料應(yīng)帶正電，選項(xiàng)A正確，B、C錯誤?！绢}8】小強(qiáng)在加油站加油時(shí)，看到加油機(jī)上有如圖所示的圖標(biāo)，關(guān)于圖標(biāo)涉及的物理知識及其理解，下列說法正確的是A．制作這些圖標(biāo)的依據(jù)是靜電屏蔽原理B．工作人員工作時(shí)間須穿絕緣性能良好的化纖服裝C．化纖手套與接觸物容易摩擦起電存在安全隱患D．用絕緣的塑料梳子梳頭應(yīng)該沒有關(guān)系【答案】C【解析】這些圖標(biāo)是防止靜電的發(fā)生，A錯誤；化纖手套、化纖衣服與接觸物容易摩擦起電存在安全隱患，B錯，C對；用絕緣的塑料梳子梳頭，摩擦起電，存在安全隱患，D錯。【題9】如圖所示，B是帶有絕緣支架的空腔帶電金屬球殼，A是驗(yàn)電器，A、B相距較遠(yuǎn)，導(dǎo)線C的一端接驗(yàn)電器的金屬球。下列現(xiàn)象正確的是A．將C的另一端與B的外殼接觸，驗(yàn)電器的金屬箔張開B．將