9.4靜電的防止與利用（學(xué)生版）高一物理講義（人教2019）

9.4靜電的防止與利用【物理核心素養(yǎng)】物理觀念：通過對靜電場中導(dǎo)體的自由電荷運動情況的討論，感受靜電平衡概念的建立過程。科學(xué)思維：掌握歸納、演繹推理的方法，訓(xùn)練學(xué)生的推理能力，親身感受知識的建立過程。科學(xué)探究：通過對靜電場中導(dǎo)體的自由電荷運動情況的討論，了解靜電平衡的概念，知道處于靜電平衡的導(dǎo)體的特征?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：經(jīng)歷觀察、實驗、探究等學(xué)習(xí)活動，培養(yǎng)尊重客觀事實、實事求是的科學(xué)態(tài)度?！窘虒W(xué)重難點】1、掌握靜電平衡的概念、理解靜電平衡的特征。2、應(yīng)用靜電平衡知識，認(rèn)識尖端放電現(xiàn)象和靜電屏蔽現(xiàn)象。知識點一、靜電平衡1．把導(dǎo)體放入電場，導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷在電場力作用下定向移動，而使導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量異種電荷的現(xiàn)象．2．靜電平衡狀態(tài)：導(dǎo)體在電場中發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象，感應(yīng)電荷的電場與原電場疊加，使導(dǎo)體內(nèi)部各點的合電場等于零，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再發(fā)生移動的狀態(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的場強方向必跟該點的表面垂直．（3）處于靜電平衡狀態(tài)的整個導(dǎo)體是個等勢體，導(dǎo)體的表面為等勢面．【經(jīng)典例題1】如圖所示，長為l的金屬桿原來不帶電，在距其右端d處放一個電荷量為＋2q的點電荷。（1）金屬桿中點處的電場強度為多少？（2）金屬桿上的感應(yīng)電荷在桿中點處產(chǎn)生的電場強度的大小和方向？【變式訓(xùn)練1】矩形金屬導(dǎo)體處于正點電荷Q產(chǎn)生的電場中，靜電平衡時感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場在導(dǎo)體內(nèi)的電場線形狀正確的是（）A． B．C． D．知識點二、尖端放電1．靜電平衡時導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈剩電荷，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，周圍的電場強度越大。容易使周圍空氣電離。在一定條件下，導(dǎo)體尖端周圍的強電場足以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(fù)電荷分離。這個現(xiàn)象叫作空氣的電離。中性的分子電離后變成帶負(fù)電的自由電子和失去電子而帶正電的離子。這些帶電粒子在強電場的作用下加速，撞擊空氣中的分子，使它們進(jìn)一步電離，產(chǎn)生更多的帶電粒子。那些所帶電荷與導(dǎo)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(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷。這種現(xiàn)象叫作尖端放電。3．避雷針“避雷”的原理：雷雨云接近建筑物時，由于靜電感應(yīng)，金屬棒出現(xiàn)與云層相反的電荷。通過尖端放電，使得空氣中的帶電粒子與空氣中的異號電荷中和，避免建筑物遭受雷擊.【經(jīng)典例題2】如圖所示，是閃電擊中廣州塔的畫面，廣州塔的尖頂是一避雷針，雷雨天氣時，底端帶負(fù)電的云層經(jīng)過避雷針上方時，避雷針尖端放電形成瞬間強電流，烏云所帶的負(fù)電荷經(jīng)避雷針導(dǎo)入大地，在此過程中，下列說法正確的是（）A．云層靠近避雷針時，針尖感應(yīng)出負(fù)電荷B．越靠近避雷針尖端，電勢越低C．云層上負(fù)電荷流向避雷針的過程中，可能在做勻變速曲線運動D．云層上負(fù)電荷流向避雷針的過程中，其電勢能減小【變式訓(xùn)練2】（多選）高大的建筑物上安裝避雷針，陰雨天氣時云層中的大量電荷可以通過避雷針直接引入大地，從而達(dá)到保護(hù)建筑物的目的。如圖所示，虛線是某次避雷針即將放電時，帶負(fù)電的云層和避雷針之間三條等勢線的分布示意圖；實線是空氣中某個帶電粒子由點到點的運動軌跡，不計該帶電粒子的重力，則（）A．避雷針尖端帶負(fù)電 B．在點的電勢能大于在點的電勢能C．放電時避雷針中有向上的電流 D．越靠近避雷針尖端，其加速度越小知識點三、靜電屏蔽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(yīng)現(xiàn)象，使金屬殼內(nèi)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導(dǎo)體外部電場不影響導(dǎo)體內(nèi)部接地導(dǎo)體內(nèi)部的電場不影響導(dǎo)體外部圖示實現(xiàn)過程因場源電荷產(chǎn)生的電場與導(dǎo)體球殼表面上感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場在空腔內(nèi)的合場強為零，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)，起到屏蔽外電場的作用當(dāng)空腔外部接地時，外表面的感應(yīng)電荷因接地將傳給地球，外部電場消失，起到屏蔽內(nèi)電場的作用最終結(jié)論導(dǎo)體內(nèi)空腔不受外界電荷影響接地導(dǎo)體空腔外部不受內(nèi)部電荷影響本質(zhì)靜電感應(yīng)與靜電平衡，所以做靜電屏蔽的材料只能是導(dǎo)體，不能是絕緣體【經(jīng)典例題3】如圖所示，放在絕緣臺上的金屬罩B內(nèi)放有一個不帶電的驗電器C，如把一帶有正電荷的絕緣體A移近金屬罩B，則（）A．金屬罩B內(nèi)的場強不為零B．在B的右側(cè)內(nèi)表面帶正電荷C．若將B接地，驗電器的金屬箔片將張開D．B和C電勢處處相等【變式訓(xùn)練3】遵義市科技館有一個法拉第籠（FaradayCage），它是一個由金屬制成的球形狀籠子，其籠體與大地連通。當(dāng)高壓電源通過限流電阻將10萬伏直流高壓輸送給放電桿，放電桿尖端距籠體10厘米時，出現(xiàn)放電火花。周日15：00限時體驗時，體驗者進(jìn)入籠體后關(guān)閉籠門，操作員接通電源，用放電桿進(jìn)行放電演示。關(guān)于法拉第籠下列說法正確的是（）A．法拉第籠上的感應(yīng)電荷均勻分布在籠體外表面上B．同一帶電粒子在法拉第籠外的電勢能大于在法拉第籠內(nèi)部的電勢能C．法拉第籠上的感應(yīng)電荷在籠內(nèi)產(chǎn)生的電場強度為零D．法拉第籠內(nèi)部任意兩點間的電勢差為零知識點四、靜電吸附靜電除塵原理：靜電除塵器由板狀收集器A和線狀電離器B組成。A接到幾千伏高壓電源的正極，B接到高壓電源的負(fù)極，它們之間有很強的電場，而且距B越近，電場強度越大。B附近的空氣中的氣體分子更容易被電離，成為正離子和電子。正離子被吸到B上，得到電子，又成為分子。電子在向著正極A運動的過程中，遇到煙氣中的粉塵，使粉塵帶負(fù)電。粉塵被吸附到正極A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。【經(jīng)典例題4】如圖所示是滾筒式靜電分選器，由料斗A，導(dǎo)板B，導(dǎo)體滾筒C，刮板D，料槽E、F和放電針G等部件組成。C和G分別接于直流高壓電源的正、負(fù)極，并令C接地。電源電壓很高，足以使放電針G附近的空氣發(fā)生電離而產(chǎn)生大量離子。現(xiàn)有導(dǎo)電性能不同的兩種物質(zhì)粉粒a、b的混合物從料斗A下落。沿導(dǎo)板B到達(dá)轉(zhuǎn)動著的滾筒C，粉粒a具有良好的導(dǎo)電性，粉粒b具有良好的絕緣性。（1）刮板D的作用是什么？（2）粉粒a會落人哪個料槽，粉粒b會落人哪個料槽？為什么？【變式訓(xùn)練4】靜電除塵器結(jié)構(gòu)如圖所示，由板狀收集器A和線狀電離器B組成，A、B間接有高壓電源，使通過除塵器的塵埃帶電。下列選項正確的是（）A．收集器A吸附大量塵埃的原因是塵埃帶上了正電B．收集器A吸附大量塵埃的原因是塵埃帶上了負(fù)電C．收集器A和電離器B之間形成的是勻強電場D．靜電除塵過程是機械能向電場能轉(zhuǎn)化的過程題組A基礎(chǔ)過關(guān)練1．帶負(fù)電的空心金屬球殼置于絕緣支架上，將4個原來不帶電的金屬小球按圖示位置放置，A球用絕緣輕繩豎直懸掛，B球接地，C球用導(dǎo)線與球殼內(nèi)部相連，D球與球殼內(nèi)部接觸．設(shè)大地及無窮遠(yuǎn)處電勢為零，當(dāng)達(dá)到靜電平衡時，下列說法正確的是A．由于靜電感應(yīng)，A球帶正電，B．B球接地帶負(fù)電，但電勢為零C．C球不帶電，但電勢與球殼電勢相等D．D球帶不帶電，但電勢小于零2．關(guān)于汽車中的物理知識，下述說法正確的是（）A．打雷時，呆在汽車?yán)镆却粼谀疚堇镂ｋUB．后擋風(fēng)玻璃上有一根根電熱絲，通電后可快速清除霜霧C．某些小汽車頂上有一根露在外面的小天線是用來避免雷擊的D．汽車上坡要換高速擋，其目的是增大速度，得到較小的牽引力3．如圖所示，一有線電視信號線內(nèi)有一層銅質(zhì)金屬網(wǎng)，其主要作用是（

）A．加固作用不易折斷信號線B．用于信號的傳輸C．為防止外界電場干擾D．銅芯與金屬網(wǎng)分別接在電路的兩極，便于構(gòu)通回路4．下列現(xiàn)象中，屬于靜電屏蔽的是（）A．高壓輸電線線塔上除了下面的三根粗的輸電線外，上方還有兩根細(xì)的導(dǎo)線B．油罐車車尾下方拖著一根落地的軟鐵條C．高壓設(shè)備中導(dǎo)體表面應(yīng)該盡量光滑D．涂料霧化器噴出的油漆微粒在電場力作用下飛向工件表面，形成漆膜5．（多選）下列說法正確的是（）A．打雷時，人呆在木屋里要比呆在汽車?yán)锇踩獴．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其內(nèi)部的電場強度處處為零C．燃?xì)庠铧c火器的放電電極做成針形是為了利用尖端放電現(xiàn)象D．超高壓帶電作業(yè)的工人穿絕緣服比穿含金屬絲的工作服安全6．（多選）如圖是某種靜電礦料分選器原理圖，帶正、負(fù)電礦粉經(jīng)漏斗落入水平勻強電場后，分落在收集板中央的兩側(cè)，下列關(guān)于帶負(fù)電礦粉分離的過程表述正確的是（）A．落在左側(cè) B．動能變小 C．電勢能變小 D．電場力對礦粉做正功題組B能力提升練7．下列四幅圖描述的場景依次為雷電擊中避雷針（圖甲）、高壓輸電線上方還有兩條與大地相連的導(dǎo)線（圖乙）、燃?xì)庠钪械尼樇鉅铧c火器（圖丙）、工人穿戴著含金屬絲制成的工作服進(jìn)行超高壓帶電作業(yè)（圖?。?，關(guān)于這四幅圖所涉及的物理知識，下列說法正確的是（

）A．圖甲中避雷針的工作原理主要是靜電屏蔽B．圖丙中的點火器是利用摩擦起電的原理進(jìn)行點火的C．圖丙中的點火器的工作原理和圖丁中工作服內(nèi)摻入的金屬絲的工作原理是相同的D．圖乙中與大地相連的兩條導(dǎo)線所起的作用和圖丁中工作服內(nèi)的金屬絲所起的作用是相同的8．如圖靜電除塵器除塵原理的示意圖。塵埃在電場中通過某種機制帶電，在靜電力的作用下向集塵極遷移并沉積，以達(dá)到除塵的目的，下列表述正確的是（）A．到達(dá)集塵極的塵埃帶可能帶正電，也可能帶負(fù)電B．電場方向由集塵極指向放電極帶電C．到達(dá)集塵極的帶電塵埃所受靜電力的方向與電場方向相同D．帶電塵埃在電場中勻加速運動9．富蘭克林為研究雷電現(xiàn)象，設(shè)計了如圖所示的裝置，避雷針線路與接地線分開，并在分開處裝上帽形的金屬鐘A與B，兩鐘之間以絲線懸掛一個金屬小球C，A鐘下方用細(xì)導(dǎo)線連接兩個很輕的金屬小球形成驗電器D，避雷針上空附近的云不帶電時，三個金屬小球均靜止下垂。若帶負(fù)電的云層接近避雷針頂端時，下列說法正確的是（）A．避雷針頂端帶負(fù)電B．接地線上有正電荷流入大地C．驗電器D上的兩個金屬小球帶負(fù)電且間距增大D．金屬小球C會先擺向A，撞到A后被A吸住不再分開10．如圖，在直角坐標(biāo)系中固定一不帶電的金屬導(dǎo)體球，球心O′坐標(biāo)為（2L，0），a、b是同一個圓上的兩個點，圓心在坐標(biāo)原點O，Ob連線與球相切與d點?，F(xiàn)在O處固定一點電荷，帶電量為+Q。當(dāng)金屬球處于靜電平衡狀態(tài)時，下列說法正確的是（）A．金屬球左側(cè)表面帶正電B．d點電場線與金屬球相切C．圖中各點電勢關(guān)系為D．導(dǎo)體球上的感應(yīng)電荷在O′處的場強大小11．（多選）如圖所示A為絕緣空心金屬球殼，原來不帶電。將一個帶正電的小球B從小孔放入金屬球空腔內(nèi)，但不與球殼接觸。達(dá)到靜電平衡后，以下說法正確的是（）A．球殼內(nèi)側(cè)帶負(fù)電，外側(cè)帶正電 B．球殼外側(cè)電勢高，內(nèi)側(cè)電勢低C．金屬球內(nèi)空腔處電場強度為零 D．金屬球殼內(nèi)電場強度為零12．（多選）在一次科學(xué)晚會上，一位老師表演了一個“魔術(shù)”：如圖所示，一個沒有底的空塑料瓶上固定著一根鐵鋸條和一塊易拉罐（金屬）片，把它們分別跟靜電起電機的兩極相連。在塑料瓶里放一盤點燃的蚊香，很快就看見整個透明塑料瓶里煙霧繚繞。則下列說法正確的是（）A．鋸條和金屬片之間為勻強電場B．鋸條附近的電場強度最大C．若鋸條接電源負(fù)極，金屬片接正極，當(dāng)搖動起電機時，煙霧會向金屬片移動D．當(dāng)把起電機一搖，頓時塑料瓶清澈透明，當(dāng)起電機停止搖動一段時間后，又會是煙霧繚繞13．（多選）如圖，一個不帶電的表面絕緣的導(dǎo)體P正在向帶正電的小球Q緩慢靠近，但不接觸，也沒有發(fā)生放電現(xiàn)象，則下列說法中正確的是（）A．導(dǎo)體內(nèi)場強不變B．B端的感應(yīng)電荷為負(fù)電荷C．導(dǎo)體上的感應(yīng)電荷在C點產(chǎn)生的場強始終小于在B點產(chǎn)生的場強D．C、B兩點的電勢始終相同14．以煤作燃料的電站，每天排出的煙氣帶走大量的煤粉，不僅浪費燃料，而且嚴(yán)重污染環(huán)境，利用靜電除塵可以除去煙氣中的煤粉。如圖所示是靜電除塵器的原理示意圖，除塵器由金屬管A和懸在管中的金屬絲B組成，在A、B上各引電極a、b接直流高壓電源。假定煤粉只會吸附電子，而且距金屬絲B越近場強越大。（1）試判斷所接高壓電源的極性；（2）試定性說明靜電除塵器的工作原理；（3）設(shè)金屬管A的內(nèi)徑r＝3m，長為L＝50m，該除塵器吸附煤粉的能力D＝3.5×10－4kg/（s·m2），求其工作一天能回收煤粉多少噸？（最后結(jié)果取三位有效數(shù)字）題組C培優(yōu)拔尖練15．如圖所示，P是一個帶電體，S代表放在絕緣板上的一些小紙屑，而N是一個不帶電的空金屬球。那么，各圖中的紙屑S不會被其帶電體P吸引的是（）A． B．C． D．16．如圖所示，將懸掛在細(xì)線上的帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球C內(nèi)不與C的內(nèi)壁接觸，在C附近另外有一個懸掛在細(xì)線上的帶負(fù)電的小球B，則（）A．A，B兩球均不偏離豎直方向B．A球不偏離豎直方向，B球向右偏離豎直方向C．A球向左偏離豎直方向，B球不偏離豎直方向D．A球向左偏離豎直方向，B球向右偏離豎直方向17．（多選）如圖所示，金屬殼放在絕緣墊上，能起到屏蔽點電荷電場作用的是（）A． B．C． D．18．（多選）如圖所示，半徑為R的金屬球表面均勻分布著正電荷，以球心O為原點建立x軸，沿x軸上各點的電場強度大小和電勢分別用E和φ表示。選取無窮遠(yuǎn)處電勢為零，則下列關(guān)于x軸上各點電場強度大小E和電勢φ隨位置x變化的關(guān)系圖像中，可能正確的是（）A． B．C． D．19．如圖所示，在桌上放兩摞書，把一塊潔凈的玻璃板墊起來，使玻璃板離開桌面，在寬的紙條上畫出各種舞姿的人