第4節(jié)靜電的防止與利用學習目標1.知道什么是靜電平衡狀態(tài)，理解處于靜電平衡狀態(tài)的導體的特性。2.知道什么是靜電屏蔽及其有關應用。3.了解靜電吸附原理及其應用。知識點一靜電平衡尖端放電如圖所示，不帶電的金屬導體放到電場中，導體內(nèi)的自由電子將發(fā)生定向移動，使導體兩端出現(xiàn)等量異種電荷。請思考下列問題：(1)自由電子定向移動的原因是什么？定向移動的方向如何？(2)自由電子能否一直定向移動？為什么？提示(1)自由電子受外加電場的靜電力作用而定向移動，向著與電場相反的方向定向移動。(2)不能。感應電荷產(chǎn)生的電場與外加電場反向，阻礙電子的定向移動，當這兩個電場大小相等時，電子的定向移動終止。1.靜電平衡(1)靜電平衡：導體內(nèi)的自由電子不再發(fā)生定向移動的狀態(tài)。(2)處于靜電平衡狀態(tài)的導體，其內(nèi)部的電場強度處處為0。(3)導體上電荷的分布①靜電平衡時，導體內(nèi)部沒有凈剩電荷，電荷只分布在導體的外表面。②在導體外表面，越尖銳的位置，電荷的密度(單位面積的電荷量)越大。2.尖端放電(1)空氣的電離：在一定條件下，導體尖端周圍的強電場使空氣中殘留的帶電粒子發(fā)生劇烈運動，并與空氣分子碰撞從而使空氣分子中的正負電荷分離的現(xiàn)象。(2)尖端放電：所帶電荷與導體尖端的電荷符號相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，與尖端上的電荷中和，這相當于導體從尖端失去電荷。(3)尖端放電的應用與防止①應用：避雷針是利用尖端放電避免雷擊的一種設施。②防止：高壓設備中導體的表面應該盡量光滑，減少電能的損失。【思考】(1)驗電器的金屬桿上端固定一個金屬球而不是做成針尖狀，原因是什么？(2)避雷針的頂端設計成針尖的形狀而不設計成球形的原因又是什么？提示(1)傳到驗電器上的電荷會向尖端聚集，而驗電器的金屬桿上端固定一個金屬球，不會使金屬小球上聚集很多電荷，這是為了防止尖端放電。(2)避雷針利用尖端放電的原理來避雷，必須做成針狀，不能做成球形，帶電云層靠近建筑物時，避雷針上產(chǎn)生的感應電荷會通過針尖放電，中和云層中的電荷。1.對靜電平衡的三點理解(1)靜電平衡是自由電荷發(fā)生定向移動的結果，達到靜電平衡時，自由電荷不再發(fā)生定向移動。(2)金屬導體建立靜電平衡的時間是非常短暫的。(3)導體達到靜電平衡后內(nèi)部電場強度處處為零是指外電場E與導體兩端的感應電荷產(chǎn)生的附加電場E′的合電場強度為零，E′＝－E。2.處于靜電平衡時的導體上的電荷分布特點(1)凈電荷只分布在導體表面，內(nèi)部沒有凈電荷。(2)感應電荷分布于導體兩端，電性相反，電荷量相等，近異遠同，如圖甲所示。(3)凈電荷在導體表面分布不均勻，導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。3.處于靜電平衡的導體周圍的電場分布情況電場線與導體表面垂直。靜電平衡的導體尖端電荷集中，電荷電場線密集。4.感應電荷電場強度的求解思路(1)先求解外電場在該處電場強度的大小和方向。(2)再利用導體內(nèi)部合電場強度處處為零和電場的疊加原理，求解感應電荷在該處的電場強度，此電場強度與外電場的電場強度大小相等，方向相反。角度1對靜電平衡的理解例1如圖所示，把一個架在絕緣支架上的枕形導體放在正點電荷形成的電場中，導體處于靜電平衡狀態(tài)。下列說法正確的是()A.導體內(nèi)部A點的電場強度大于B點的電場強度B.感應電荷在A、B兩點產(chǎn)生的附加電場強度EA＝EBC.感應電荷在A、B兩點產(chǎn)生的附加電場強度EA<EBD.當開關S閉合時，電子從大地沿導線向?qū)w移動答案D解析枕形導體在正點電荷附近，出現(xiàn)靜電感應現(xiàn)象，導致電荷重新分布，因此在枕形導體內(nèi)部出現(xiàn)感應電荷的電場與點電荷的電場疊加，靜電平衡時，導體內(nèi)部電場強度處處為零，A錯誤；導體內(nèi)部的電場強度處處為零，所以感應電荷產(chǎn)生的附加電場強度的大小與點電荷產(chǎn)生的電場強度的大小相等，方向相反，故EA>EB，B、C錯誤；當開關S閉合時，電子從大地沿導線向?qū)w移動，D正確。角度2處于靜電平衡的導體的電荷分布例2一個帶絕緣底座的空心金屬球A帶有4×10－8C的正電荷，上端開有適當小孔，絕緣柄的金屬小球B帶有2×10－8C的負電荷，使B球和A球內(nèi)壁接觸，如圖所示，則A、B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)壁接觸后成為一個新的導體，處于靜電平衡狀態(tài)，內(nèi)部的電荷量為零，帶電導體的電荷只能分布于導體的外表面，故QB＝0，QA＝4×10－8C－2×10－8C＝2×10－8C，B正確。訓練1(2023·河北衡水中學月考)矩形金屬導體處于正點電荷Q產(chǎn)生的電場中，靜電平衡時感應電荷產(chǎn)生的電場在導體內(nèi)的電場線分布情況正確的是()答案A解析導體處于靜電平衡狀態(tài)時，導體內(nèi)部電場強度處處為0，感應電荷在導體內(nèi)部某處產(chǎn)生的電場與場源電荷Q在此處產(chǎn)生的電場電場強度大小相等，方向相反，故A正確，B、C、D錯誤。知識點二靜電屏蔽在如圖所示的實驗中，驗電器的金屬箔片能張開嗎？為什么？提示A中不會張開，金屬網(wǎng)可以屏蔽外電場；B中會張開，因為金屬網(wǎng)未接地，網(wǎng)內(nèi)的帶電體可以對外界產(chǎn)生影響；C中不會張開，因為金屬網(wǎng)已接地，網(wǎng)內(nèi)的帶電體對網(wǎng)外無影響，網(wǎng)外的帶電體對網(wǎng)內(nèi)也無影響。1.靜電屏蔽靜電平衡時，空腔導體內(nèi)表面沒有電荷，導體殼壁內(nèi)的電場強度為0。外電場對殼內(nèi)的儀器不會產(chǎn)生影響，金屬殼的這種作用叫作靜電屏蔽。2.靜電屏蔽的應用：電學儀器外面有金屬殼、野外高壓線上方還有兩條導線與大地相連?！舅伎肌砍邏簬щ娮鳂I(yè)的工人穿戴的工作服(圖)，為什么要用包含金屬絲的織物制成？提示通過靜電屏蔽保證工人帶電作業(yè)時的安全。1.靜電屏蔽的實質(zhì)靜電屏蔽的實質(zhì)是利用了靜電感應現(xiàn)象，使金屬殼內(nèi)感應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，其實是殼內(nèi)兩種電場并存，矢量和為零。2.靜電屏蔽的兩種情況類別導體外部電場不影響導體內(nèi)部接地導體內(nèi)部的電場不影響導體外部圖示實現(xiàn)過程因場源電荷產(chǎn)生的電場與導體球殼表面上感應電荷在空腔內(nèi)的合電場強度為零，達到靜電平衡狀態(tài)，起到屏蔽外電場的作用當空腔外部接地時，外表面的感應電荷因接地將導入大地，外部電場消失，起到屏蔽內(nèi)電場的作用最終結論導體內(nèi)空腔不受外界電荷影響接地導體空腔外部不受內(nèi)部電荷影響本質(zhì)靜電感應與靜電平衡，所以做靜電屏蔽的材料只能是導體，不能是絕緣體例3如圖所示，放在絕緣臺上的金屬網(wǎng)罩B內(nèi)放有一個不帶電的驗電器C，若把一帶有正電荷的絕緣體A移近金屬罩B，則()A.金屬罩B的內(nèi)表面帶正電荷B.金屬罩B的右側(cè)外表面帶正電荷C.驗電器C的金屬箔片將張開D.金屬罩B左、右兩側(cè)電荷電性相同答案B解析金屬罩B處于靜電平衡狀態(tài)，電荷分布在其外表面上，A錯誤；由于靜電感應，使金屬罩B在左側(cè)外表面感應出負電荷，所以金屬罩B的右側(cè)外表面感應出正電荷，B正確，D錯誤；由于靜電屏蔽，金屬網(wǎng)罩內(nèi)電場強度為零，故驗電器C上無感應電荷，驗電器C的金屬箔片不會張開，C錯誤。訓練2將懸掛在細線上的帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球C內(nèi)(不和球壁接觸)，另有一個懸掛在細線上的帶負電的小球B向C靠近，如圖所示，下列說法正確的有()A.A往左偏離豎直方向，B向右偏離豎直方向B.A的位置不變，B往右偏離豎直方向C.A向左偏離豎直方向，B的位置不變D.A和B的位置都不變答案B解析帶正電的小球A放在不帶電的空心球C內(nèi)，通過靜電感應，空心球外殼帶正電，內(nèi)壁帶負電，因此，金屬空心球C的外表面和帶電小球B帶異種電荷，所以B受C球的吸引往右偏離豎直方向，而由于空心球C能屏蔽小球B所產(chǎn)生的外部電場，因此A球不受B球電場的影響，而保持豎直位置不變，選項B正確。知識點三靜電吸附油罐車尾部都裝有導電拖地帶，你知道這是為什么嗎？提示油罐車在運輸過程中，油與桶壁的摩擦、車身與空氣的摩擦都會產(chǎn)生靜電，導電拖地帶的作用是及時地把靜電導走，防止產(chǎn)生電火花而發(fā)生爆發(fā)。1.靜電吸附在電場中，帶電粒子受到靜電力的作用，向著電極運動，最后被吸附在電極上的現(xiàn)象。2.靜電除塵當空氣中的塵埃帶電時，在靜電力作用下，塵埃到達電極而被收集起來的過程。3.靜電噴漆接負高壓的涂料霧化器噴出的油漆微粒帶負電，在靜電力作用下，向作為正極的工件運動，并沉積在工件表面。4.靜電復印復印機應用了靜電吸附，復印機的有機光導體鼓表面涂覆有機光導體(OPC)，沒有光照時，OPC是絕緣體，受到光照時變成導體。1.靜電的應用利用靜電的性質(zhì)應用舉例利用靜電能吸引較小物體靜電復印、靜電噴漆、靜電噴霧、激光打印、靜電除塵利用高壓產(chǎn)生的電場靜電保鮮、靜電滅菌、農(nóng)作物種子處理利用放電產(chǎn)生物臭氧防止紫外線、氮合成氨2.靜電的防止防止靜電危害的基本辦法是盡快把產(chǎn)生的靜電導走，避免越積越多。防止靜電的途徑主要有：(1)避免產(chǎn)生靜電，例如，在可能情況下選用不易產(chǎn)生靜電的材料。(2)避免靜電的積累，產(chǎn)生的靜電要設法導走，例如，增加空氣濕度、接地等。例4(多選)如圖所示為靜電除塵示意圖，在M、N兩點間加高壓電源時，金屬管內(nèi)的空氣被電離，電離出的電子在靜電力的作用下運動，遇到煙氣中的煤粉，使煤粉帶負電荷，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.電場強度EB>EA D.電場強度EB<EA答案AC解析電子附著在煤粉上，使煤粉帶上負電荷，煤粉若能吸附在管壁上，說明管壁帶正電荷，因此可知N接電源正極，A正確，B錯誤；金屬棒與金屬管可看成圓柱電極與圓環(huán)電極，電場線分布情況如圖所示。由圖可知金屬棒附近的B點處電場線較密，而靠近金屬管壁的A點處電場線較疏，故B處的電場強度比A處的電場強度大，即EB>EA，C正確，D錯誤。訓練3(多選)如圖是某款家用空氣凈化器及其原理示意圖，污濁空氣通過過濾網(wǎng)后塵埃帶電。圖中充電極b、d接電源負極，集塵極a、c、e接電源正極(接地)。下列說法正確的是()A.通過過濾網(wǎng)后空氣中的塵埃帶負電B.塵埃在被吸附到集塵極e的過程中動能增大C.c、d兩個電極之間的電場方向豎直向上D.塵埃被吸附到集塵極a的過程中所受電場力做負功答案AB解析塵埃通過過濾網(wǎng)后被正極吸引，所以塵埃帶負電，故A正確；塵埃在被吸附到集塵極e的過程中電場力做正功，動能增大，故B正確；因為充電極b、d接電源負極，集塵極a、c、e接電源正極，所以c、d兩個電極之間的電場方向豎直向下，故C錯誤；塵埃被吸附到集塵極a的過程中所受電場力做正功，故D錯誤。隨堂對點自測1.(靜電平衡)如圖所示，一個帶負電的金屬球放在絕緣的支架上，處于靜電平衡狀態(tài)，金屬球內(nèi)部的電場強度大小為E1，若減少金屬球的帶電荷量，再次處于靜電平衡狀態(tài)后，金屬球內(nèi)部的電場強度大小為E2，則()A.E2＜E1 B.E2＞E1C.E2＝E1 D.無法確定答案C解析處于靜電平衡狀態(tài)的導體內(nèi)部的電場強度處處為零，選項C正確。2.(尖端放電)下列說法不正確的是()A.避雷針避雷的原理是尖端放電能將云層中的電荷中和B.為了美觀，通常把避雷針頂端設計成球形C.驗電器的金屬桿上端固定一個金屬球而不是做成針尖狀，這是為了防止尖端放電D.為了避免因尖端放電而損失電能，高壓輸電導線表面要盡量光滑答案B解析避雷針利用尖端放電的原理來避雷，必須做成針狀，不能做成球形，帶電云層靠近建筑物時，避雷針上產(chǎn)生的感應電荷會通過針尖放電，中和云層中的電荷，A正確，B錯誤；驗電器的金屬桿上端固定一個金屬球而不是做成針尖狀，這是為了防止尖端放電，C正確；高壓輸電導線表面要盡量光滑，這樣可以避免因尖端放電而損失電能，D正確。3.(靜電屏蔽)(多選)如圖所示，絕緣金屬球殼的空腔內(nèi)有一帶電小球，現(xiàn)在球殼左側(cè)放一帶電小球A，下列說法正確的是()A.A球不影響球殼內(nèi)的電場B.由于靜電屏蔽，球殼內(nèi)沒有電場C.球殼內(nèi)外表面均沒有電荷D.由于球殼接地，空腔內(nèi)的電場對外部也沒有影響答案AD解析由于金屬球殼接地，對內(nèi)外電場都有屏蔽作用，故A、D正確；球殼外表面沒有電荷，因為空腔內(nèi)有帶電體，所以空腔內(nèi)有電場，球殼內(nèi)表面有感應電荷，故B、C錯誤。4.(靜電吸附)如圖所示，為靜電除塵器除塵機理的示意圖。塵埃在電場中通過某種機制帶電，在電場力的作用下向集塵極遷移并沉積，以達到除塵目的，下列表述正確的是()A.到達集塵極的塵埃帶正電B.電場方向由放電極指向集塵極C.帶電塵埃所受電場力的方向與電場方向相同D.同一位置帶電荷量越多的塵埃所受電場力越大答案D解析集塵極接電源的正極，塵埃在電場力作用下向集塵極遷移并沉積，說明塵埃帶負電，A錯誤；由于集塵極與電源的正極連接，電場方向由集塵極指向放電極，B錯誤；負電荷在電場中受電場力的方向與電場方向相反，C錯誤；根據(jù)F＝qE可得，同一位置帶電荷量越多的塵埃所受電場力越大，D正確。對點題組練題組一靜電平衡1.如圖所示，空心金屬球殼上所帶電荷量為＋Q，關于O、M兩點電場強度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)中的導體內(nèi)部電場強度處處為零。故C正確。2.(多選)如圖所示，在絕緣板上放有一個不帶電的金箔驗電器A和一個帶正電荷的空腔導體B。下列實驗方法中能使驗電器箔片張開的是()A.用取電棒C(帶絕緣柄的導體棒)先跟B的內(nèi)壁接觸一下后再跟A接觸B.用取電棒C先跟B的外壁接觸一下后再跟A接觸C.用絕緣導線把驗電器A跟取電棒C的導體部分相連，再把取電棒C與B的內(nèi)壁接觸D.使驗電器A靠近B答案BCD解析A項中取電棒先和B的內(nèi)壁接觸后，由于B的內(nèi)壁本身沒有電荷，所以再接觸A時驗電器箔片不張開；B項中可以使C球帶電，從而使A帶電；C項中實際上是將驗電器A和B連成了一個導體，A在外面故帶電；D項是感應起電，所以B、C、D項正確。題組二尖端放電3.(多選)下列應用與防護屬于尖端放電現(xiàn)象的是()A.一般高壓設備中導體的表面盡量光滑B.一般馬路表面建造的很平滑C.夜間高壓線周圍會出現(xiàn)一層綠色光暈D.一般高樓大廈頂部裝有避雷針答案CD解析導體表面光滑不屬于尖端放電；馬路表面建造的很平滑與靜電無關，C、D屬于尖端放電現(xiàn)象，故C、D正確。4.如圖是模擬避雷針作用的實驗裝置，金屬板M接高壓電源的正極，金屬板N接負極。金屬板N上有兩個等高的金屬柱A、B，A為尖頭，B為圓頭。逐漸升高電源電壓，當電壓達到一定數(shù)值時，可看到放電現(xiàn)象。先產(chǎn)生放電現(xiàn)象的是()避雷針模擬實驗A.A金屬柱B.B金屬柱C.A、B金屬柱同時D.可能是A金屬柱，也可能是B金屬柱答案A解析根據(jù)導體表面電荷分布與尖銳程度有關可知，A金屬柱尖端電荷密集，容易發(fā)生尖端放電現(xiàn)象，故選項A正確。題組三靜電屏蔽5.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接觸，達到靜電平衡后，則()A.B的空腔內(nèi)電場強度為零B.B不帶電C.B的外表面帶正電D.B的內(nèi)表面帶負電答案D解析因為金屬殼的外表面接地，所以外表面沒有感應電荷，只有內(nèi)表面有感應電荷分布，且由于A帶正電，B的內(nèi)表面帶負電，D正確，B、C錯誤；B的空腔內(nèi)帶正電的小球A與金屬殼內(nèi)表面感應電荷之間產(chǎn)生電場，所以空腔內(nèi)電場強度不為零，A錯誤。6.如圖所示，A為空心金屬球，B為金屬球，A、B原來不帶電，將另一帶正電荷的小球C從A球開口處放入A球中央，不接觸A球，然后用手接觸一下A球，再用手接觸一下B球，再移走C球，則()A.A球帶負電荷，B球帶正電荷B.A球帶負電荷，B球不帶電C.A、B兩球都帶負電荷D.A、B兩球都帶正電荷答案B解析首先帶正電荷的小球C從A球開口處放入A球中央，根據(jù)靜電感應現(xiàn)象可知，A球內(nèi)表面帶負電荷，外表面帶正電荷。用手接觸A球相當于把A球接地，由大地傳導過來的電子與A球外表面正電荷中和，使A球外表面不帶電，此時A球?qū)?nèi)起靜電屏蔽作用，A球內(nèi)的電場不影響外部。用手接觸B時，無電荷移動，B球不帶電。當帶正電荷的C球從A球內(nèi)移走后，A球內(nèi)表面所帶的負電荷移至外表面，所以此時A球帶負電荷。由上述可知，選項B正確。題組四靜電吸附7.關于靜電的利用和防止，以下說法正確的是()A.印染廠應保持環(huán)境干燥，避免靜電積累帶來的潛在危害B.油罐車行駛途中車尾有一條鐵鏈拖在地上，避免產(chǎn)生電火花引起爆炸C.飛機起落架的輪胎用絕緣橡膠制成，可防止靜電積聚D.手術室的醫(yī)生和護士都要穿絕緣性能良好的化纖制品，可防止麻醉藥燃燒答案B解析印染廠的車間，有大量靜電產(chǎn)生，因此要保持潮濕，這樣才能及時將靜電導走，故A錯誤；油罐車在運動的過程中，由于油罐里面的油在晃動，會摩擦產(chǎn)生靜電，后面拖一條鐵鏈就可以及時地把產(chǎn)生的靜電導走，避免產(chǎn)生電火花引起爆炸，故B正確；飛機上的著地輪裝有搭地線或用導電橡膠做輪胎，是為了及時地把飛機在飛行過程中由于摩擦而產(chǎn)生的電荷通過導體轉(zhuǎn)移給大地，以免發(fā)生放電現(xiàn)象，保證飛機和乘客的安全，故C錯誤；絕緣性能良好的化纖制品的衣服不能及時把靜電導入大地，容易造成手術事故，故D錯誤。8.(多選)靜電的應用有多種，如靜電除塵、靜電噴涂、靜電植絨、靜電復印等，它們依據(jù)的原理都是讓帶電的物質(zhì)粒子在電場力作用下奔向并吸附到電極上，靜電噴涂的原理如圖所示，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電場B.涂料微粒一定帶正電C.涂料微粒一定帶負電D.涂料微粒可以帶正電，也可以帶負電答案AC解析靜電噴涂的原理就是讓帶電的涂料微粒在強電場的作用下被吸附到工件上，而達到噴涂的目的，A正確；由題圖知，待噴漆工件帶正電，所以涂料微粒應帶負電，C正確。綜合提升練9.處于強電場中的空氣分子會被電離為電子和正離子，利用此原理可以進行靜電除塵。如圖所示是一個用來研究靜電除塵的實驗裝置，鋁板與手搖起電機的正極相連，縫被針與手搖起電機的負極相連，在鋁板和縫被針中間放置點燃的蚊香。轉(zhuǎn)動手搖起電機，蚊香放出的煙霧會被電極吸附，停止轉(zhuǎn)動手搖起電機，蚊香的