1、第九章第九章 静电场及其应用静电场及其应用 学学 习习 目目 标标 1.通过静电感应和电场叠加原理通过静电感应和电场叠加原理,理解静电平衡状态的形成过程理解静电平衡状态的形成过程. 知道处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为知道处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为0,培养知识培养知识 迁移能力迁移能力. 2.结合生活现象结合生活现象,知道尖端放电现象、静电屏蔽现象及有关应用知道尖端放电现象、静电屏蔽现象及有关应用, 培养运用物理知识分析实际问题的能力培养运用物理知识分析实际问题的能力. 3.通过对静电复印、静电喷漆和静电除尘等技术应用中的静电通过对静电复印、静电喷漆和静电除尘等技术应用中
2、的静电 现象进行分析现象进行分析,了解静电在生产、生活中的应用了解静电在生产、生活中的应用.关注生产、生关注生产、生 活中的静电现象活中的静电现象,体会物理学与生产和生活的紧密联系体会物理学与生产和生活的紧密联系. 4 静电的防止与利用静电的防止与利用 知识点一知识点一 静电平衡静电平衡 答案答案:发生静电感应现象发生静电感应现象.导体内自由电子的定向移动不是导体内自由电子的定向移动不是 无休止的无休止的,当达到静电平衡后当达到静电平衡后,电子将不再定向移动电子将不再定向移动. 1.如图所示如图所示,带电体带电体C靠近不带电的导体靠近不带电的导体A、B会发生什么会发生什么 现象现象?导体内电荷
3、的定向移动是无休止的吗导体内电荷的定向移动是无休止的吗? 2.静电平衡状态静电平衡状态:导体中导体中(包括表面包括表面) 不再发生定不再发生定 向移动向移动. 自由电子自由电子 知识点二知识点二 尖端放电尖端放电 1.空气的电离空气的电离:静电平衡时静电平衡时,电荷只分布在导体的外面表电荷只分布在导体的外面表.在导在导 体外表面体外表面,越尖锐的位置越尖锐的位置,电荷的密度电荷的密度 ,周围的电场强度周围的电场强度 越大越大.在一定条件下在一定条件下,导体尖端周围的导体尖端周围的 足以使空气中足以使空气中 残留的带电粒子发生剧烈运动残留的带电粒子发生剧烈运动,并与空气分子碰撞从而使空并与空气分
4、子碰撞从而使空 气分子中的气分子中的 分离分离.这个现象叫作空气的电离这个现象叫作空气的电离. 2.尖端放电尖端放电:空气电离后空气电离后,那些所带电荷与导体尖端的电荷符那些所带电荷与导体尖端的电荷符 号号 的粒子的粒子,由于被吸引而奔向尖端由于被吸引而奔向尖端,与尖端上的电荷与尖端上的电荷 , 这相当于导体从尖端失去电荷这相当于导体从尖端失去电荷.这种现象叫作尖端放电这种现象叫作尖端放电. 越大越大 强电场强电场 正负电荷正负电荷 相反相反 中和中和 1.法拉第笼是一种用于演示静电屏蔽和高压带电作业原理的法拉第笼是一种用于演示静电屏蔽和高压带电作业原理的 设备设备.笼体与大地连通笼体与大地连
5、通.当带有当带有10万伏高压的放电杆尖端接近万伏高压的放电杆尖端接近 笼体时笼体时,出现放电火花出现放电火花,这时笼体内的表演者用手触摸笼壁接这时笼体内的表演者用手触摸笼壁接 近放电火花是否会触电近放电火花是否会触电?为什么为什么? 知识点三知识点三 静电屏蔽静电屏蔽 答案答案:不会不会.法拉第笼外壳是金属法拉第笼外壳是金属,能起屏蔽作用能起屏蔽作用,所以表演者所以表演者 在笼内是安全的在笼内是安全的. 2.静电屏蔽静电屏蔽:把一个电学仪器放在封闭的金属壳里把一个电学仪器放在封闭的金属壳里,即使壳即使壳 外有外有 ,但由于壳内电场强度保持为但由于壳内电场强度保持为 ,外电场对壳内的外电场对壳内
6、的 仪器不会产生影响仪器不会产生影响.金属壳的这种作用叫作静电屏蔽金属壳的这种作用叫作静电屏蔽. 3.请举例说明静电屏蔽的应用和静电的危害请举例说明静电屏蔽的应用和静电的危害. 答案答案:静电屏蔽的应用静电屏蔽的应用:野外高压输电线在三条输电线上方野外高压输电线在三条输电线上方 还有两条导线还有两条导线,它们与大地相连它们与大地相连,形成一个稀疏的金属形成一个稀疏的金属 “网”“网”,把高压线屏蔽起来把高压线屏蔽起来,使其免遭雷击使其免遭雷击. 静电的危害静电的危害:医院手术台上医院手术台上,静电火花有可能引起麻醉剂爆静电火花有可能引起麻醉剂爆 炸炸;煤矿里煤矿里,静电火花会引起瓦斯爆炸静电火
7、花会引起瓦斯爆炸. 电场电场 0 知识点四知识点四 静电吸附静电吸附 请举例说明静电吸附在生产技术上有哪些应用请举例说明静电吸附在生产技术上有哪些应用. 答案答案:静电除尘、静电喷漆、静电复印静电除尘、静电喷漆、静电复印. 小试身手小试身手 判断下列说法的正误并和同学交流判断下列说法的正误并和同学交流( (正确的打“正确的打“”, ,错误错误 的打“的打“”).”). 1.静电平衡状态下的导体内部电场强度处处为静电平衡状态下的导体内部电场强度处处为0.( ) 2.处于静电平衡状态的导体处于静电平衡状态的导体,导体内部无电场导体内部无电场.( ) 3.所有感应电荷在导体内部产生的合电场强度为所有
8、感应电荷在导体内部产生的合电场强度为0.( ) 4.用金属网把验电器罩起来用金属网把验电器罩起来,再使带电金属球靠近验电器再使带电金属球靠近验电器,则验则验 电器箔片能张开电器箔片能张开.( ) 5.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针通过导线导入大地.( ) 6.在印染厂中保持适当的湿度在印染厂中保持适当的湿度,是为了防止静电的危害是为了防止静电的危害.( ) 探究探究一一 静电平衡和尖端放电静电平衡和尖端放电 问题情境问题情境 如图所示如图所示,把一个不带电的金属导体把一个不带电的金属导体ABCD放到电场
9、强度为放到电场强度为 E0的水平向右的匀强电场中的水平向右的匀强电场中. 1.金属导体内的自由电子会如何运动金属导体内的自由电子会如何运动?导体两端的正负电导体两端的正负电 荷产生电场吗荷产生电场吗?若产生电场若产生电场,产生的电场方向是怎样的呢产生的电场方向是怎样的呢? 答案答案:导体中的自由电子在静电力的作用下向着电场强度导体中的自由电子在静电力的作用下向着电场强度 E0方向相反的方向发生定向移动方向相反的方向发生定向移动,使导体左端带负电使导体左端带负电,右右 端带等量的正电荷端带等量的正电荷,在导体内产生一个方向与电场强度在导体内产生一个方向与电场强度E0 方向相反的电场方向相反的电场
10、. 2.导体内部的电场会发生什么变化导体内部的电场会发生什么变化?导体内部的自由电子导体内部的自由电子 还会继续移动吗还会继续移动吗?最终会出现什么现象最终会出现什么现象? 答案答案:两个电场叠加两个电场叠加,使导体内部的电场减弱使导体内部的电场减弱.在叠加后的电在叠加后的电 场作用下场作用下,仍有自由电子发生定向运动仍有自由电子发生定向运动.当导体内部两个电当导体内部两个电 场叠加的电场强度场叠加的电场强度E=0 时时,导体内的自由电子不再发生定导体内的自由电子不再发生定 向运动向运动,导体达到静电平衡状态导体达到静电平衡状态. 3.将尖锐的金属棒安装在建筑物的顶端将尖锐的金属棒安装在建筑物
11、的顶端,用粗导线与埋在用粗导线与埋在 地下的金属板连接地下的金属板连接,保持与大地的良好接触保持与大地的良好接触,就成为避雷针就成为避雷针. 高大建筑物上为什么要安装避雷针高大建筑物上为什么要安装避雷针? 答案答案:使建筑物免遭雷击使建筑物免遭雷击.当带电的雷雨云接近建筑物时当带电的雷雨云接近建筑物时, 由于静电感应由于静电感应,金属棒出现与云层相反的电荷金属棒出现与云层相反的电荷.通过尖端放通过尖端放 电电,这些电荷不断向大气释放这些电荷不断向大气释放,中和空气中的电荷中和空气中的电荷,达到避免达到避免 雷击的目的雷击的目的. 过程建构过程建构 1.对静电平衡的理解对静电平衡的理解. (1)
12、静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果,达到静电平达到静电平 衡时衡时,自由电荷不再发生定向移动自由电荷不再发生定向移动,但仍在做无规则运动但仍在做无规则运动. (2)金属导体建立静电平衡的时间非常短暂金属导体建立静电平衡的时间非常短暂. (3)导体达到静电平衡后内部电场强度处处为导体达到静电平衡后内部电场强度处处为0,是指外电是指外电 场场E0与导体两端的感应电荷产生的附加电场与导体两端的感应电荷产生的附加电场E的矢量和的矢量和 为为0,E=-E0. 2.静电平衡状态下的导体的电荷分布特点静电平衡状态下的导体的电荷分布特点. (1)电荷都分布在导体的表面电荷
13、都分布在导体的表面,导体内部没有净电荷导体内部没有净电荷. (2)感应电荷分布于导体两端感应电荷分布于导体两端,电性相反电性相反,电荷量相等电荷量相等,远同近远同近 异异,如图甲所示如图甲所示. (3)净电荷在导体表面分布不均匀净电荷在导体表面分布不均匀,导体表面尖锐处电荷密导体表面尖锐处电荷密 集集,平滑处电荷稀疏平滑处电荷稀疏,凹陷处几乎没有电荷凹陷处几乎没有电荷,如图乙所示如图乙所示. 甲甲 乙乙 3.对尖端放电的理解对尖端放电的理解. (1)尖端放电的发生还与周围环境情况有关尖端放电的发生还与周围环境情况有关.环境温度越高、环境温度越高、 湿度越低越容易发生尖端放电湿度越低越容易发生尖
14、端放电. (2)尖端放电会导致高压设备上电能的损失尖端放电会导致高压设备上电能的损失,所以高压设备所以高压设备 中导体的表面应该尽量光滑中导体的表面应该尽量光滑. 【典例【典例1】如图所示】如图所示,一个方形的金属盒原来不带电一个方形的金属盒原来不带电,现将一个现将一个 电荷量为电荷量为+Q的点电荷放在金属盒左边附近的点电荷放在金属盒左边附近,达到静电平衡后达到静电平衡后, 盒上的感应电荷在盒子内部产生的电场分布情况正确的是盒上的感应电荷在盒子内部产生的电场分布情况正确的是 ( ) 学会审题学会审题 A B C D 解析解析:金属盒内部由于处于静电平衡状态金属盒内部由于处于静电平衡状态,因此内
15、部每点的因此内部每点的 合电场强度都为合电场强度都为0,即金属盒内的每一点即金属盒内的每一点,感应电荷产生的感应电荷产生的 电场的电场强度都与点电荷电场的电场强度都与点电荷+Q在那点产生的电场的电场在那点产生的电场的电场 强度大小相等、方向相反强度大小相等、方向相反,即感应电荷的电场线与点电荷即感应电荷的电场线与点电荷 +Q的电场线重合的电场线重合,但方向相反但方向相反,故选项故选项C正确正确. 答案答案:C 【变式】如图所示【变式】如图所示,把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在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正电荷形成的电场中,导体处于静电平衡时导体处于静电平衡时,下列说
16、法正确下列说法正确 的是的是 ( ) A.当开关当开关S断开时断开时,导体左端带正电导体左端带正电,右端带负电右端带负电 B.当开关当开关S闭合时闭合时,导体左端带负电导体左端带负电,右端带正电右端带正电 C.当开关当开关S断开时断开时,A、B两点电场强度相等两点电场强度相等,且都为且都为0 D.当开关当开关S闭合时闭合时,A、B两点电场强度不相等两点电场强度不相等 答案答案:C 探究探究二二 静电屏蔽和静电吸附静电屏蔽和静电吸附 问题情境问题情境 1.如图所示如图所示,使带电的金属球使带电的金属球C靠近验电器靠近验电器,但不接触但不接触,箔片是箔片是 否张开否张开?为什么为什么? 答案答案:
17、验电器箔片会张开验电器箔片会张开.由于静电感应由于静电感应,验电器的金属箔片验电器的金属箔片 会带上与金属球会带上与金属球C电性相同的电荷电性相同的电荷,所以验电器箔片会张开所以验电器箔片会张开. 2.如图所示如图所示,用金属网把验电器罩起来用金属网把验电器罩起来,再使带电金属球再使带电金属球 C靠近验电器靠近验电器,观察箔片是否张开观察箔片是否张开.这个现象说明什么这个现象说明什么? 答案答案:有金属网时有金属网时,验电器箔片不张开验电器箔片不张开.金属网可以起到金属网可以起到 静电屏蔽作用静电屏蔽作用. 过程建构过程建构 1.静电屏蔽的实质静电屏蔽的实质. 静电屏蔽的实质是利用了静电感应现
18、象静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象,金属壳内感应电金属壳内感应电 荷的电场和外加电场矢量和为荷的电场和外加电场矢量和为0,好像是金属壳将外电场好像是金属壳将外电场 “挡”在外面“挡”在外面,即所谓的屏蔽作用即所谓的屏蔽作用,其实是壳内两种电场其实是壳内两种电场 并存并存,矢量和为矢量和为0. 2.静电屏蔽的两种情况静电屏蔽的两种情况. 图示图示 实现实现 过程过程 因场源电荷产生的电场因场源电荷产生的电场E0与导体球与导体球 壳表面上感应电荷在空腔内的电场壳表面上感应电荷在空腔内的电场 E满足满足E0=-E,达到静电平衡状态达到静电平衡状态,从从 而起到屏蔽外电场的作用而起到屏蔽外电场的作用
19、 当空腔外部接地时当空腔外部接地时,外表面的外表面的 感应电荷因接地传给地球感应电荷因接地传给地球,外外 部电场消失部电场消失,起到屏蔽内电场起到屏蔽内电场 的作用的作用 最终最终 结论结论 导体内空腔不受外界电荷影响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接地导体空腔外部不受内部 电荷影响电荷影响 本质本质 静电感应与静电平衡静电感应与静电平衡,所以做静电屏蔽的材料只能是导体所以做静电屏蔽的材料只能是导体,不能是不能是 绝缘体绝缘体 3.静电吸附在生产技术上的应用静电吸附在生产技术上的应用. (1)静电除尘静电除尘:设法使空气中的尘埃带电设法使空气中的尘埃带电,在静电力作用下在静
20、电力作用下,尘尘 埃到达电极而被收集起来埃到达电极而被收集起来. (2)静电喷漆静电喷漆:接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电, 在静电力作用下在静电力作用下,这些微粒向着作为正极的工件运动这些微粒向着作为正极的工件运动,并沉积并沉积 在工件的表面在工件的表面,完成喷漆工作完成喷漆工作. (3)静电复印静电复印: 复印机的核心部件表面涂覆有机光导体复印机的核心部件表面涂覆有机光导体(OPC). 没有光照时没有光照时,OPC是绝缘体是绝缘体,受到光照时变成导体受到光照时变成导体. 【典例【典例2】某同学在学习了电学知识后对】某同学在学习了电学知识后对
21、电工穿的高压作业服进行了研究电工穿的高压作业服进行了研究,发现高发现高 压作业服是用铜丝编织的压作业服是用铜丝编织的.下列四位同学下列四位同学 的理由正确的是的理由正确的是( ) A.甲认为铜丝编织的衣服不易拉破甲认为铜丝编织的衣服不易拉破,所以用铜丝编织所以用铜丝编织 B.乙认为铜丝编织的衣服必须达到一定的厚度乙认为铜丝编织的衣服必须达到一定的厚度,才能对人才能对人 体起到保护作用体起到保护作用 C.丙认为电工被铜丝编织的衣服所包裹丙认为电工被铜丝编织的衣服所包裹,体内的电场强度体内的电场强度 不为不为0,但对人体无伤害但对人体无伤害 D.丁认为电工被铜丝编织的衣服所包裹丁认为电工被铜丝编织
22、的衣服所包裹,使体内电场强度使体内电场强度 保持为保持为0,对人体起保护作用对人体起保护作用 解析解析:高压作业服的作用是在穿用后高压作业服的作用是在穿用后,使处于高压电场中的人使处于高压电场中的人 体外表面各部位形成一个屏蔽面体外表面各部位形成一个屏蔽面,从而保护人体免受高压电从而保护人体免受高压电 场及电磁波的危害场及电磁波的危害.电工体内电场强度为电工体内电场强度为0,所以选项所以选项D正确正确. 答案答案:D 课堂评价课堂评价 答案答案:A 1.处于静电平衡的导体处于静电平衡的导体,其内部电场强度处处为其内部电场强度处处为0的原因是的原因是 ( ) A.外电场和所有感应电荷的电场在导体
23、内部叠加的结果为外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为0 B.外电场不能进入导体内部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所有感应电荷在导体内部产生的合电场强度为0 D.以上解释都不正确以上解释都不正确 答案答案:B 2.下列现象中下列现象中,不属于防止静电危害的是不属于防止静电危害的是 ( ) A.在很高的建筑物顶端装上避雷针在很高的建筑物顶端装上避雷针 B.在高大的烟囱中安装静电除尘器在高大的烟囱中安装静电除尘器 C.油罐车后面装一根拖在地上的铁链条油罐车后面装一根拖在地上的铁链条 D.存放易燃品的仓库的工人穿上导电橡胶做的防电靴存放易燃品的仓库的工
24、人穿上导电橡胶做的防电靴 3.如图所示如图所示,把原来不带电的金属壳把原来不带电的金属壳B的外表面接地的外表面接地,将一带将一带 正电的小球正电的小球A从小孔中放入金属壳内从小孔中放入金属壳内,但不与但不与B接触接触,达到静达到静 电平衡状态后电平衡状态后,则则( ) 答案答案:D A.B的空腔内电场强度为的空腔内电场强度为0 B.B不带电不带电 C.B的外表面带正电的外表面带正电 D.B的内表面带负电的内表面带负电 4.静电在各种产业和日常生活中有着重要的应用静电在各种产业和日常生活中有着重要的应用,如静如静 电除尘、静电复印等电除尘、静电复印等,所依据的基本原理几乎都是让带所依据的基本原理
25、几乎都是让带 电的物质微粒在电场作用下奔向并吸附到电极上电的物质微粒在电场作用下奔向并吸附到电极上.现有现有 三个粒子三个粒子A、B、C从从P点向下射入由正、负电极产生点向下射入由正、负电极产生 的电场中的电场中,它们的运动轨迹如图所示它们的运动轨迹如图所示,则则 ( ) 答案答案:B A.A带负电荷带负电荷,B带正电荷带正电荷,C不带电荷不带电荷 B.A带正电荷带正电荷,B不带电荷不带电荷,C带负电荷带负电荷 C.A带负电荷带负电荷,B不带电荷不带电荷,C带正电荷带正电荷 D.A带正电荷带正电荷,B带负电荷带负电荷,C不带电荷不带电荷 5.在手术时在手术时,为防止麻醉剂爆炸为防止麻醉剂爆炸,地砖要用导电材料制成地砖要用导电材料制成, 医生和护士要穿由导电材料制成的鞋子和外套医生和护士要穿由导电材料制成的鞋子和外套,一切设一切设 备要有良好的接地备要有良好的接地,这是为了这是为了 ( ) A.除菌消毒除菌消毒 B.防止漏电防止漏电 C.利用静电利用静电 D.消除静电消除静电 答案答案:D
