高二物理讲义 静电的防止与利用(人教版2019必修第三册)(含答案)

静电的防止与利用知识脉络：知识精讲：电场线1. 定义电场线是画在电场中的一条条有方向的曲线，曲线上每一点的切线方向表示该点的电场强度方向。

如图所示。

2. 特点电场线是由法拉第首先引入和使用的，是描述电场的重要工具。

（1）电场线从正电荷或无限远处出发，终止于无限远处或负电荷，不是闭合曲线。

（2）电场线在电场中不相交，不闭合。

若电场线在某点相交，则交点相对两条电场线有两个切线方向，该点的电场强度方向有两个，这是不可能的。

（3）在同一电场中，电场强度较大的地方电场线较密集，电场强度较小的地方电场线较稀疏，因此可以用电场线的疏密来表示电场强度的相对大小。

如图中，由于A点处的电场线比B点处的密，可知EA >EB。

（4）电场线是人为画出的，是为了形象描述电场而假想的一些线（实际并不存在）。

3. 几种常见电场的电场线分布特征（1）孤立的点电荷电场：a. 离点电荷越近，电场线越密，场强越大b. 以点电荷为球心作个球面，电场线处处与球面垂直，在此球面上场强大小处处相等，方向不同。

（2）匀强电场的电场线是平行等距的直线。

注意：常见电场线的记忆：“光芒四射”正电荷，“万箭穿心”负电荷，等量同号“蝶双飞”，等量异号“灯光耀眼”4. 两种等量点电荷的电场分析5. 电场线的应用核心知识二：静电平衡1. 静电平衡（1）定义：导体中没有电荷定向移动的状态。

（2）特点：①导体内部场强处处为零。

②电荷只分布在导体的外表面上。

③导体表面任一点的场强方向与该处的表面垂直。

2. 静电平衡的分析（1）自由电荷的移动：导体刚放入电场E0中的瞬间，导体中的自由电荷受电场力F的作用，产生定向运动（如图甲），同时在导体中产生一个与E0方向相反的附加电场E′（如图乙）。

这两个电场叠加，使导体内部电场E减弱。

（2）电场叠加：当E0＝E′时，导体内合场强为零，即E=0（如图丙），自由电荷受合力也为零，这时导体中无电荷定向移动，即达到了静电平衡状态。

第4节静电的防止与利用教学设计【提问】自然界到处都有静电。

生活中的穿衣、脱衣、运动等过程都可能产生静电。

在加油站给车加油前，为什么要触摸一下静电释放器？→静电有其有利的一面，也有有害的一面。

为做好静电的防止和利用，我们需要先学习静电平衡。

【提问】将导体放置在电场中，导体内的自由电荷在电场力的作用下将怎样运动？【提问】自由电荷的定向移动会使得导体内部的电荷分布发生怎样的变化？又会带来什么影响？【提问】随着自由电荷的不断定向移动，这种影响会怎样变化？最终会达到一个什么样的状态？【提问】此时导体内部的合场强是多少？→静电平衡：导体中无电荷定向移动的状态，叫静电平衡状态。

【讲述】静电平衡的特点：1.金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的。

【提问】处于静电平衡状态下的导体中的电荷是怎样分布的呢？【播放视频】法拉第圆筒。

【提问】这说明了什么？【播放视频】不规则带电体。

【提问】这说明了什么？→单位面积的电荷量称为电荷密度。

【讲述】静电平衡时导体上的电荷分布如图所示。

导体上越尖锐的地方电荷的密度越大，周围的场强也越大。

【提问】导体上越尖锐的地方电荷的密度越大，周围的场强也越大。

这种特点可以加以应用吗？【讲述】导体周围的强电场使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动。

【讲述】带电粒子与气体分子碰撞使气体分子中的正负电荷分离。

→强电场使空气分子中正负电荷分离的现象叫做空气的电离。

【提问】新产生的带电粒子对空气的电离现象有何影响？【提问】电离产生的带电粒子在电场的作用下向哪个方向运动？【提问】空气的电离容易在导体的什么部位发生？→导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异种离子与尖端的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷。

这种现象叫作尖端放电。

【提问】尖端放电在生活中有哪些实际应用或现象呢？【播放视频】模拟避雷针。

【提问】避雷针是怎样工作的？【讲述】在高压设备上，尖端放电会使高压设备上电能损失，故高压设备导体的表面都是非常光滑。

第4节静电的防止与利用课程内容要求核心素养提炼1．通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体的特征．2．通过实验了解静电平衡时带电导体上电荷的分布特点．3．了解尖端放电和静电屏蔽现象，关注生活、生产中的静电现象．1．物理观念：静电平衡、尖端放电、静电屏蔽．2．科学意识与责任：知道静电现象在生活、生产和科技方面的应用．一、静电平衡1．静电感应现象：把不带电的导体放入电场，导体内部的自由电子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．静电平衡状态的特征(1)处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0．(2)导体内的自由电子不再发生定向移动．[判断](1)放入电场中的导体两侧出现异种电荷是静电感应导致的．(√)(2)处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为0．(√)(3)带电导体尖端电荷的密度大，周围的电场强度也大．(√)二、尖端放电和静电屏蔽1．导体上电荷的分布(1)导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面．(2)在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积的电荷量)越大，凹陷的位置几乎没有电荷．2．尖端放电和静电屏蔽尖端放电静电屏蔽原理导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异种带电粒子与尖端的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷当金属外壳达到静电平衡时，壳内没有电场，因而金属的外壳会对其内部起保护作用，使它内部不受外部电场的影响应用或防止应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施防止：高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失应用：电学仪器外面有金属壳；野外高压输电线上方还有两条导线与大地相连三、静电吸附1．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．2．静电现象在生产和技术中的应用有静电除尘、静电喷漆、静电复印．[思考]把手机放在不锈钢杯子中并用盖子盖住，手机还能接通吗？如果放在塑料饭盒中呢？试一试并解释其中的原因．提示手机放在塑料饭盒中能够接通，放在不锈钢杯子中不能接通．这是因为不锈钢杯子能够形成静电屏蔽，手机无法接收到外界的电磁信号，所以不能接通．探究点一对静电平衡的理解如图是某导体放入电场达到静电平衡的三个步骤，请你对这三个步骤进行说明．提示图甲：导体放入电场，导体中的自由电子在静电力作用下发生定向移动，导体两端产生感应电荷．图乙：感应电荷产生电场E ′，导体内部为叠加场，叠加后的合场强E 合＝E －E ′．图丙：随着E ′逐渐增强，导体内叠加场的合场强变为0，自由电子不再定向移动，导体达到静电平衡．1．金属导体的特征：由做热运动的正离子和在它们之间做无规则热运动的自由电子组成．2．静电感应现象：把导体放入电场，导体内的自由电荷在静电力的作用下发生定向移动，而使导体两端出现等量异号电荷的现象．3．静电平衡状态：导体在电场中发生静电感应现象，感应电荷的电场与原电场叠加，使导体内部各点的合场强等于0，导体内的自由电子不再发生定向移动的状态．4．静电平衡的实质：金属导体放到电场强度为E的电场中，金属中的自由电荷在静电力作用下定向移动，导致导体一侧聚集负电荷，而另一侧聚集正电荷，感应电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场E′，导致合场强减小．当感应电荷继续增加，合场强逐渐减小，合场强为0时，自由电荷的定向移动停止．一金属球，原来不带电，如图所示，沿球直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN，a、b、c为该直径上从左向右排列的三点，设静电平衡时，金属球上感应电荷产生的电场在这三点的电场强度大小分别为E a、E b、E c，则()A．E a最大B．E b最大C．E c最大D．E a＝E b＝E cC[静电平衡后，金属球内的合场强处处为0，金属球上感应电荷产生的附加电场与带电的细杆MN产生的电场的场强大小相等，方向相反，相互抵消．c点离带电的细杆MN最近，带电的细杆MN在c点处产生的电场的场强最大，则金属球上感应电荷在c点处产生的电场的场强最大，即E c最大．][题后总结]感应电荷产生的电场强度大小只能通过外电场的电场强度确定．[训练1]如图所示，在原来不带电的金属杆ab附近P处，放置一个正点电荷，达到静电平衡状态后()A．a端的电势比b端的高B．b端的电势比d点的低C．a端的电势不一定比d点的低D．杆内c处场强的方向由c指向bB[首先画出电场线(如图所示)，沿电场线方向电势降低，b端的电势比d点的低，选项B正确；金属杆ab达到静电平衡状态后是一个等势体，a端的电势等于b端的电势，选项A、C错误；达到静电平衡状态后导体内部场强为0，选项D错误．]探究点二静电屏蔽的两种情况如图所示，A 是带正电的小球，B 是金属网，C 是原来不带电的验电器．探究以下问题：(1)图甲中，金属网不接地，验电器的金属箔是否张开？(2)图乙中，金属网接地，验电器的金属箔是否张开？提示(1)金属网不接地，则通过静电感应达到静电平衡后，金属网外部有电场，验电器金属箔会张开．(2)金属网接地后，金属网外部没有电场，则验电器的金属箔不会张开．静电外屏蔽静电内屏蔽定义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产生的电场在空腔内的合场强为0，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大地，外部电场消失，起到屏蔽内电场的作用最新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，用于静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的空心金属球壳C内(不和球壁接触)，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，下列说法正确的是()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[易错提醒]静电屏蔽问题一定要看清球壳是否接地．B[带正电的小球A放在不带电的空心金属球壳C内，通过静电感应，空心球外壳带正电，内壁带负电．因此，空心金属球壳C外表面和带电小球B带异种电荷，所以B受C 的吸引往右偏离竖直方向．由于空心球壳C能屏蔽小球B产生的外部电场，因此A球不受B球电场的影响而保持竖直位置不变，故选项B正确．][训练2](多选)图中P是一个带电体，N是一个不带电的金属空腔，在下列情况下放在绝缘板上的小纸屑(图中S)不会被吸引的有()AD[金属空腔不接地可屏蔽外部电场，接地可屏蔽内部电场，选项A、D正确．]。

9.4 静电的防止与利用考点精讲考点1：对静电平衡的理解1．静电平衡的过程（1）电荷分布的变化情况：金属导体放到电场强度为E0的电场中，金属中的自由电荷在电场力作用下定向移动导致导体一侧聚集负电荷，而另一侧聚集正电荷。

（2）合电场强度的变化情况：感应电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场，导致合电场强度减小。

当感应电荷继续增加，合电场强度逐渐减小，合电场强度为零时，自由电荷的定向移动停止。

2．对静电平衡的三点理解（1）静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果，达到静电平衡时，自由电荷不再发生定向移动。

（2）金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的。

（3）导体达到静电平衡后内部电场强度处处为零是指外电场E与导体两端的感应电荷产生的附加电场E′的合电场强度为零，E′＝－E。

3．处于静电平衡时的导体上的电荷分布特点（1）净电荷只分布在导体表面，内部没有净电荷。

（2）感应电荷分布于导体两端，电性相反，电量相等，近异远同，如图甲所示。

（3）净电荷在导体表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集，如图乙所示。

甲乙处于静电平衡的导体周围的电场分布情况静电平衡的导体尖端电荷集中，电荷电场线密集。

【例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(r≪l)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 处的电场强度的大小为多少？方向如何？【变式训练】上例中，若将点电荷B 移走，其他条件不变，则球壳上的感应电荷在O 处的电场强度大小为多少？方向如何？【技巧与方法】处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的场强的求解方法 1 运用E ＝k Qr2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】【变式1】(2020-2021学年平遥县第二中学校高二阶段练习)(多选)如图所示，一水平放置的金属板正上方有一固定的正点电荷Q ，一表面绝缘的带正电小球(可视为质点且不影响Q 的电场)从左端以v 滑上金属板的上表面，向右运动到右端，在此过程中( )A ．小球受到的电场力方向始终竖直向下B ．小球先减速运动，后加速运动C ．小球受到的电场力做正功D ．小球做匀速直线运动【变式2】(多选)如图所示的静电实验(虚线框为金属网)能使左边验电器的金属箔张开的是( )A B C D【变式3】(多选)如图所示，把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正电荷形成的电场中．导体处于静电平衡时，下列说法正确的是( )A．A、B两点场强相等，且都为零B．A、B两点场强不相等C．感应电荷产生的附加电场E A<E BD．当电键S闭合时，电子从大地沿导线向导体移动考点2：对静电屏蔽的理解1．静电屏蔽的实质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。

合格性考试讲义必修三第九章静电场及其应用第四节静电的防止与利用一、静电平衡1．静电感应现象：放入电场中的导体，由于静电感应，在导体的两侧出现感应电荷的现象。

2．静电平衡状态：导体内的自由电荷不再发生定向移动的状态。

3．导体内部电场强度特点：内部电场强度处处为0。

二、尖端放电1.净电荷在导体表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集，如图乙所示。

静电平衡的导体尖端电荷集中，电荷电场线密集。

甲乙2．电离：导体尖端的电荷密度很大，附近的电场强度很大，空气中的带电粒子剧烈运动，从而使空气分子被撞“散”而使空气分子中的正、负电荷分离的现象。

3．尖端放电：导体尖端的强电场使附近的空气电离，电离后的异种离子与尖端的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象。

4．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，减少电能的损失。

三、静电屏蔽1．静电屏蔽：静电平衡时，导体壳内空腔里的电场处处为零，外电场对壳内不会产生影响。

2．静电屏蔽的应用(1)把电学仪器放在封闭的金属壳里。

(2)野外三条输电线上方架设两条导线，与大地相连，把输电线屏蔽起来。

四、静电吸附1．静电除尘：设法使空气中的尘埃带电，在静电力作用下，尘埃到达电极被收集起来。

2．静电喷漆：接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电，在静电力作用下，这些微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆工作。

3．静电复印的工作过程：(1)充电：通过电源使有机光导体鼓带上正电。

(2)曝光：利用光学系统将原稿上字迹的像成在有机光导体鼓上，有字迹的地方保留正电荷。

(3)显影：带负电的墨粉被吸附在字迹成像处，显示出墨粉组成的字迹。

(4)转印：带正电的转印电极使白纸带上正电，带正电的白纸与有机光导体鼓表面墨粉组成的字迹接触，将带负电的墨粉吸附在白纸上。

(5)放电：使有机光导体放电，除去表面的残余电荷。