2020_2021学年新教材高中物理第九章静电场及其应用4静电的防止与利用

静电的防止与利用
新
课程标准学业质
量目标
了解生产生活中关于静电的利用与防护。

合格性考
试
1.知道什么是静电平衡状态,能说出静电平衡状态下的导
体特点。

2.知道导体上电荷的分布特征,了解尖端放电、静电屏蔽现
象及其成因。

选择性考
试
1.会根据静电平衡条件求解感应电荷产生的场强。

2.观察演示实验并对实验现象分析,体会运用所学知识进
行分析推理的方法。

必备知识·自主学习
一、静电平衡状态下导体的电场和电荷分布
如图所示,当一个带电体靠近不带电导体时,由于导体内的自由电子受到静电力的作用,将向着与电场相反的方向定向移动,从而使导体两端出现等量异种电荷,这就是前面学习的静电感应现象。

(1)这种定向移动是无休止的吗?
(2)电荷的移动对导体内部的电场有影响吗?
提示:(1)不是。

(2)有。

1.静电感应现象:把导体放入电场中,导体内部的自由电荷在静电力作用下定向移动,从而使导体两端出现等量异种电荷的现象。

2.静电平衡状态:导体中(包括表面)自由电子不再发生定向移动,我们就认为导体达到了静电平衡状态。

3.静电平衡状态下导体的特点:
(1)处于静电平衡状态的导体,内部电场强度处处为零。

(2)表面处的电场强度不为零,方向跟导体表面垂直。

4.导体上电荷的分布:
(1)处于静电平衡状态的导体,内部没有净剩电荷,电荷只分布在导体的外表面。

(2)在导体表面,越尖锐的位置,电荷的密度(单位面积上的电荷量)越大,凹陷的位置几乎没有电荷。

二、尖端放电、静电屏蔽和静电吸附
飞机在云层与云层之间飞行或起飞、着陆时都有可能遭遇雷击(如图所示)。

但是当飞机遭遇雷击时,电流可以从雷电云到达飞机头部,纵向流过机身外壳,最后从机尾凌空打到地上或从
其中一机翼打过另一机翼,横向流过机身,但不管怎样,闪电都只会沿着飞机外壳流过,而不会进入机舱内对乘客造成伤害,你知道这是为什么吗?
提示:静电屏蔽。

1.空气的电离:导体尖端电荷密度很大,附近的电场很强,强电场作用下的带电粒子剧烈运动,使分子中的正负电荷分离的现象。

2.尖端放电:与导体尖端异号的粒子,由于被吸引,而与尖端上电荷中和,相当于导体从尖端失去电荷的现象。

尖端放电的应用与防止:
(1)应用:避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。

(2)防止:高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失。

3.静电屏蔽:金属壳(网)内电场强度保持为0,外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响,金属壳(网)的作用叫作静电屏蔽。

静电屏蔽的应用:电学仪器外面有金属壳、野外高压线上方还有两条导线与大地相连。

4.静电吸附:静电虽然会有危害,但也可以利用。

在电场中,带电粒子受到静电力的作用,向着电极运动,最后会被吸附在电极上。

这一原理在生产技术上被广泛应用。

应用实例:静电除尘、静电喷漆、静电复印等。

(1)处于静电平衡状态的导体,表面处的电场强度不为零,方向跟导体表面可能垂直,可能平行,也可能成任意夹角。

(×)
(2)因为外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的合电场强度为0,所以处于静电平衡的导体内部电场强度处处为0。

(√)
(3)避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地。

(×)
(4)用金属网把验电器罩起来,再使带电金属球靠近验电器,则验电器箔片能张开。

(×)
(5)飞机轮上装有拖地线,油罐车后面拖条铁链都是把静电导入大地。

(√)
关键能力·合作学习
知识点一静电平衡的特点和应用
1.静电平衡的实质:
(1)在达到静电平衡的过程中,外电场引起导体内自由电荷的定向移动使导体两侧出现感应电荷,感应电荷的电场和外电场方向相反,使合场强减小,随着感应电荷的继续增加,合场强逐渐减小,直至合场强为零,自由电荷的定向移动停止。

(2)静电平衡的状态:导体内部的合场强为零,即E合=0。

2.静电平衡状态的特点:
(1)处于静电平衡状态下的导体的特点。

①导体内部某处感应电荷产生的场强E′与周围原电场场强E大小相等,方向相反,两者相互抵消,导体内部处处合场强E合为零,但导体表面的电场强度不为零。

②电场线与导体表面垂直,如果不垂直,该点场强应有沿表面的切向分量,会使导体表面电荷发生移动,与静电平衡状态矛盾。

(2)静电平衡状态下的导体的电荷分布特点。

①净电荷都分布在导体的外表面,导体内部没有净电荷。

②感应电荷分布于导体两端,电性相反,电荷量相等,远同近异,如图甲所示。

③净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,如图乙所示。

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号电荷。

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?
提示:(1)自由电子受外加电场的静电力作用而移动,向着与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。

【典例】长为l的导体棒原来不带电,现将一带电荷量为+q的点电荷放在距棒左端R处,如图所示。

当棒达到静电平衡后,棒上的感应电荷在棒内中点P处产生的电场强度大小等于
__________,方向为____________。

【解析】导体棒在点电荷+q的电场中发生静电感应,左端出现负电荷,右端出现正电荷,棒中任意一点都受两个电场的影响,即外电场(+q在该点形成的电场E0)和附加电场(棒上感应电荷在该点形成的电场E′),达到静电平衡状态时E′=-E0。

题中所求的即为
E′,E′=-E0=-=-,负号代表E′和E0方向相反,即方向向左。

答案:向左
求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的场强的方法
(1)先求出外电场场强E外的大小和方向。

(2)由于导体处于静电平衡状态,则满足静电平衡条件E合=0。

(3)由E外+E感=0,求出感应电场E感的大小和方向。

(母题追问)在【典例】中,若把导体棒接地,则该导体棒上的感应电荷在中心P处产生的场强大小等于()
A.-
B.+
C.0
D.
【解析】选D。

静电平衡状态下导体内部场强为零,是由于q和导体上的感应电荷在导体内部叠加后形成的,因而导体棒上感应电荷在中心处产生的场强与q在中心处产生的场强大小相同、方向相反,故感应电荷在中心P处产生的场强大小为。

故选D。

【加固训练】
1.一金属球原来不带电,现沿球的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三点的场强大小分别为E a、E b、E c,三者相比()
A.E a最大
B.E b最大
C.E c最大
D.E a=E b=E c
【解析】选C。

处于静电平衡的导体内部场强处处为零,故a、b、c三点的场强都为零。

静电平衡的导体内部场强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
某点产生的电场的场强与MN在这一点形成的电场的场强等大反向。

比较a、b、c三点感应电场的场强,实质上是比较带电体MN在这三点的场强。

由于c点离MN最近,故MN在c点的场强最大,感应电荷在c点场强也最大,故正确答案为C项。

2.(多选)如图所示,A、B为两个验电器,其中验电器A不带电,验电器B的上面是一个几乎封闭的金属圆筒C,并且B的金属箔片是张开的,现手持一个带绝缘柄的金属小球D,使D接触C的内壁,再移出与A的金属小球接触,无论操作多少次,都不能使A带电,这个实验说明了()
A.C不带电
B.C的内部不带电
C.C的内部场强不为零
D.C的内部场强为零
【解析】选B、D。

与金属圆筒相连的验电器B的金属箔片是张开的,说明C是带电的,A错误;手持一个带绝缘柄的金属小球D,使D接触C的内壁,再移出与A的金属小球接触,无论操作多少次,都不能使A带电,说明了C达到静电平衡状态,金属圆筒C的内部不带电,内部电场强度处处为零,B、D正确,C错误。

知识点二尖端放电和静电屏蔽的应用
静电屏蔽的两种情况
类别导体外部电场不影响导体内部接地导体内部的电场不影响导体外部
图示
实现过程因场源电荷产生的电场与导体
球壳表面上感应电荷在空腔内
的合场强为零,达到静电平衡状
态,起到屏蔽外电场的作用
当空腔外部接地时,外表面的感应电荷因接地将传
给地球,外部电场消失,起到屏蔽内电场的作用
最终结
论
导体内空腔不受外界电荷影响接地导体空腔外部不受内部电荷影响
本质静电感应与静电平衡,所以作静电屏蔽的材料只能是导体,不能是绝缘体
提醒:金属材料的物体才能作静电屏蔽器,静电屏蔽的原理是静电平衡,只有金属导体才能处于静电平衡状态。

1.(1)电梯是什么材质的,能否被看成是金属容器?
(2)王明刚搬了新家,可每次进入电梯里手机总打不通,这是为什么?
提示:(1)电梯是用不锈钢板做成的,可以看成金属容器。

(2)电梯可以看成金属容器,起到了屏蔽作用。

2.在如图所示的实验中,验电器的金属箔片能张开吗?为什么?
提示:A中不会张开,金属网可以屏蔽外电场;B中会张开,因为金属网未接地,网内的带电体可以对外界产生影响;C中不会张开,因为金属网已接地,网内的带电体对网外无影响,网外的带电体对网内也无影响。

【典例】将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属球壳C内(不和球壳内壁接触),另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近,如图所示,则()
A.A往左偏离竖直方向,B往右偏离竖直方向
B.A的位置不变,B往右偏离竖直方向
C.A往左偏离竖直方向,B的位置不变
D.A和B的位置都不变
【解析】选B。

不接地的空腔导体可以屏蔽外界电场,接地的空腔导体可以屏蔽内部电场,该题中带正电的小球A放在不带电的空心球壳C内,通过静电感应,空心球外壳带正电,内壁带负电。

由于金属空心球壳C的外壳和带电小球B带异种电荷,所以B受C球壳的吸引往右偏离竖直方向。

而由于空心球壳C能屏蔽小球B所产生的外部电场,使小球A不受外电场的作用,所以A的位置不变,故选项B正确。

(2020·菏泽高二检测)如图所示,A为空心金属球,B为金属球,A、B原来不带电,将另一带正电荷的小球C从A球开口处放入A球中央,不接触A球,然后用手接触一下A球,再用手接触一下B球,再移走C球,则()
A.A球带负电荷,B球带正电荷
B.A球带负电荷,B球不带电
C.A、B两球都带负电荷
D.A、B两球都带正电荷
【解析】选B。

首先带正电荷的小球C从A球开口处放入A球中央。

根据静电感应现象可知,A 球内表面带负电荷,外表面带正电荷。

用手接触A相当于把A接地,则A表面的正电荷被斥向大地,大地中的负电荷将被吸引到A,于是在A的内部形成电场,使A球外表面不带电,此时A球对外起静电屏蔽作用,A球内的电场不影响外部。

用手接触B时,无电荷移动,B球不带电。

当带正电荷的C球从A球内移走后,A球内表面所带的负电荷移至外表面,所以此时A球带负电荷。

由上述可知,选项B正确。

【加固训练】
1.如图所示,导体球A与导体球壳B同心,原来都不带电,也不接地,设M、N两点的场强大小为
E M和E N,下列说法中正确的是()
A.若使A带电,则E M≠0,E N=0
B.若使B带电,则E M≠0,E N≠0
C.若使A,B两球分别带上等量异种电荷,则E M≠0,E N=0
D.若使A球带电,B球接地,则E M=0,E N=0
【解析】选C。

如果A带电,则会感应B内部带异种电荷,外部电性与A相同,那么E M≠0,E N≠0,故A错误;如果B带电,由于同种电荷的排斥,电荷只分布在外表面,E内=0,即E M=0,E N≠0,B错误;如果A、B带等量异种电荷,A与B的静电感应使B外表面恰好无电荷量,则E M≠0,E N=0,故C正确;如使A球带电,B球接地,是接地屏蔽,E M≠0,E N=0,D错误。

2.(多选)如图所示,P是一个带电体,N是一个不带电的金属空腔,在下列情况中,放在绝缘板上的小纸屑(图中S)不会被吸引的是()
【解析】选A、D。

小纸屑是绝缘体,当处于电场中时,虽不会像导体一样出现电荷的定向移动,但内部的极性分子也会在电场力的作用下转动,使异种电荷一端更靠近带电体,因而也会受到
带电体的吸引力。

A中由于静电屏蔽,P的电场影响不到导体N的内部,即N内部无电场,所以S 不会被吸引,A正确;B中N没有接地,P的电场会影响到N外部,即S处有电场,S会被吸引,B错误;C中P和S都处于导体N的外部,S处有电场,会被吸引,C错误;D中N被接地,内部电场不影响导体外部,即S处无电场,不会被吸引,D正确。

【拓展例题】考查内容:静电平衡的综合应用
【典例】(多选)如图所示,水平放置的金属板正上方有一固定的正点电荷Q,一表面绝缘的带电的小球(可视为质点且不影响Q的电场),从左端以初速度v0滑上金属板,沿光滑的上表面向右运动到右端,在该运动过程中()
A.小球做匀速直线运动
B.小球先做减速运动,后做加速运动
C.小球所受的电场力先增大后减小
D.电场力对小球所做的功为零
【解析】选A、C、D。

水平放置的金属板处于点电荷Q的电场中而达到静电平衡状态,其表面处电场线处处与表面垂直,故带电小球(表面绝缘,电量不变)在金属板表面运动时,电场力不做功,小球做匀速直线运动,E方向竖直向下,从左至右,先增大后减小,F库先增大后减小,所以选项A、C、D正确。

情境·模型·素养
电业工人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,保持体内处于安全状态。

探究:
(1)超高压输电线周围存在强电场,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?
【解析】(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,瞬时间负电荷向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。

答案:见解析
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,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,立即可以看到,不再有烟从玻璃管
中冒出来了。

过一会儿还可以看到管壁吸附了一层烟尘。

探究:请思考一下其中的原因。

【解析】蚊香的烟中含有一定的碳颗粒,当玻璃管中的导线和管外线圈间加上高电压后,玻璃管中的导线和管外线圈间的空气被电离,碳颗粒吸附一定的电子带上负电荷,然后碳颗粒将向正极移动,所以可以看到,不再有烟从玻璃管中冒出来了。

该方法与静电除尘是相同的。

答案:见解析
课堂检测·素养达标
1.(2020·东营高二检测)处于静电平衡中的导体,内部电场强度处处为零的原因是()
A.导体内部无任何电场
B.外电场不能进入导体内部
C.所有感应电荷在导体内部产生的合电场强度为零
D.外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为零
【解析】选D。

导体内部电场强度处处为零是感应电荷的电场与外电场叠加的结果,故D正确。

【加固训练】
(多选)如图所示,在真空中把一绝缘导体向带负电的小球P缓缓靠近(不相碰),下列说法中正确的是()。