第4节静电的防止与利用

第第 4 4 节节静电的防止与利用静电的防止与利用 物理观念 1.知道什么是静电平衡状 核心 素养 态，能说出静电平衡状态会根据静电 下的导体特点。 2.知道导体上电荷的分布 平衡条件求 解感应电荷 科学思维科学探究 1.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。 2.查阅并搜集资料， 了解静电屏 特征，了解尖端放电、静产生的场强。 蔽和静电吸附在技术和生活中 电屏蔽现象及其成因。的应用。 知识点一静电平衡状态、导体上电荷的分布 [观图助学] (1) (2)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？ 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，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。 [思考判断] (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。(√) 知识点二尖端放电、静电屏蔽和静电吸附 [观图助学] (1)避雷针的作用是什么(如图甲所示)? (2)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(如图乙所示)。 但是当飞机遭遇雷击时，电流可以从雷电云达到飞机头部，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，而不会进入机内对乘客造成伤害，你知道 这是为什么吗？ 甲乙 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、静电植绒等。 [思考判断] (1)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。(×) (2)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。(×) (3)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。(√) 静电感应的因果关系 当小球通过导线分别与带电空腔连接时，如图所示，不管怎样连接，连接后小球 和带电空腔都会成为一个整体，小球成了这个整体的外部，故小球都会带电。 一般的电子打火装置、 避雷针、 工业烟囱除尘的装置利用的都是尖端放电的原理。 静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象， 使金属壳内感应电荷的电场和外加电场 矢量和为零，好像是金属壳将外电场“挡”在外面，即所谓的屏蔽作用，其实是 壳内两种电场并存，矢量和为零。 核心要点 [观察探究] 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？ 答案(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。 [探究归纳] 1.静电平衡实质 (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。 对静电平衡的理解 (2)静电平衡的条件：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。 (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。 [试题案例] [例 1] 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＝－ kq l （R＋2）2 ＝－ 4kq ，负号代表 E′ 2 （2R＋l） 和 E0方向相反，即方向向左。 答案 4kq 向左 （2R＋l）2 方法凝炼 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。 [针对训练 1] 在真空中有两个点电荷 A 和 B，电荷量分别为－Q 和＋2Q，相距为 2l，如果在两个点电荷连线的中点 O 有一个半径为 r(rl)的空心金属球，且球心位于 O 点，如图所示，则球壳上的感应电荷在 O 处 的场强的大小为多少？方向如何？ 解析根据电场的叠加和静电平衡，球心 O 处的合场强为 0，即感应电荷的电场 Q 强度与 A、B 两点电荷在 O 处所产生的合场强等大、反向，即E