9.4靜電的防止與應用學習目標1．理解靜電平衡狀態及特點。2．知道靜電平衡時導體上電荷的分布特點。3．了解生活中的靜電現象及應用。重點：靜電平衡狀態。難點：電場中導體的特點。知識點一、靜電平衡狀態1．靜電感應現象：處于電場中的導體，由于電場力的作用，電荷出現重新分布的現象。2．靜電平衡狀態：導體中（包括表面上）沒有電荷定向移動的狀態。如上圖所示，金屬導體中自由電子受到導體周圍電場的電場力作用后向左移動，在右側出現多余正電荷，導體兩側正、負電荷在導體內部產生與原電場反向的電場，因與原來的電場反向，疊加的結果是使原電場強度逐漸減弱，直至導體內部各點的合電場強度等于零為止，此時F＝E內q＝0，導體內的自由電子不再發生定向移動，處于一個平衡狀態，我們就說導體達到靜電平衡狀態。3．靜電平衡狀態的特征（1）處于靜電平衡狀態的導體，內部的場強處處為零。（2）處于靜電平衡狀態的導體，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）處于靜電平衡狀態的整個導體是個等勢體，導體的表面為等勢面。（4）在導體表面，越尖銳的位置，電荷的密度越大，凹陷的位置幾乎沒有電荷。4．靜電平衡實質（1）在達到靜電平衡的過程中，外電場引起導體內自由電荷的定向移動使導體兩側出現感應電荷，感應電荷的電場和外電場方向相反，使合場強減小，隨著感應電荷的繼續增加，合場強逐漸減小，直至合場強為零，自由電荷的定向移動停止。（2）靜電平衡的條件：導體內部的合場強為零，即E合＝0。由于靜電感應，在導體兩側出現等量異種感應電荷，感應電荷在導體內部形成與電場E0反向的電場E′，在導體內任一點E′=－E0，使得合電場強度E內=0。【題1】如圖所示，接地的金屬板右側有固定的點電荷+Q，a、b兩點是金屬板右側表面上的兩點，其中a到+Q的距離較小，下列說法正確的是A．由于靜電感應，金屬板右側表面帶負電，左側表面帶正電B．由于靜電感應，金屬板右側表面帶負電，左側表面不帶電C．整個導體，包括表面上的a、b兩點，是一個等勢體，且電勢等于零D．a、b兩點的電場強度不為零，且a、b兩點場強方向相同【答案】BCD【解析】金屬板左側接地，金屬板與地球形成了一個導體，金屬板相當于近端，而地球相當于遠端，根據感應電荷“近異遠同”的分布特點，A錯，B對；由處于靜電平衡狀態導體的特點可知，a、b兩點電勢相等，接地后電勢等于零，C對；金屬板是一個等勢體，電場線垂直于金屬板表面向左，所以a、b兩點的場強方向相同，D對。【題2】一個帶有絕緣底座的空心金屬球殼A上均勻帶有4×10－8C的正電荷，有絕緣柄的金屬小球B上帶有2×10－8C的負電荷，使B球與球殼A內壁接觸。如圖，則A、B帶電荷量分別為A．QA＝1×10－8C，QB＝1×10－8CB．QA＝2×10－8C，QB＝0C．QA＝0，QB＝2×10－8CD．QA＝4×10－8C，QB＝－2×10－8C【答案】B【解析】由于A、B帶異種電荷，接觸以后，要先中和掉一部分電荷，中和以后可以把A、B看做一個整體，對于這個整體來說，由于靜電平衡它的內壁和B球將無凈電荷的分布。所以QA＝2×10－8C，QB＝0。【特別提醒】（1）一個孤立的帶電體，在自身所帶電荷的電場中，處于靜電平衡狀態，具有靜電平衡的所有特點。（2）人與大地都是導體，在人摸（觸）導體的過程中，帶電體、人、大地組成一個新導體，達到靜電平衡狀態。【題3】如圖，水平放置的金屬板正上方有一固定的正點電荷Q，一表面絕緣的帶電的小球（可視為質點且不影響Q的電場），從左端以初速度v0滑上金屬板，沿光滑的上表面向右運動到右端，在該運動的過程中A．小球做勻速直線運動B．小球做先減速，后加速的運動C．小球的電勢能保持不變D．電場力對小球所做的功為零【答案】ACD【解析】水平放置的金屬板處于點電荷Q的電場中而達到靜電平衡狀態，是一個等勢體，其表面電場線處處與表面垂直，所以小球運動時只在豎直方向上受力的作用，在水平方向上不受力的作用，故帶電小球（表面絕緣，電荷量不變）在導體表面滑動時，電場力不做功，故小球做勻速直線運動，所以A、C、D選項正確。知識點二、導體上電荷的分布特點1．內外表面分布不同，電荷都分布在外表面上，導體內部沒有凈電荷。2．感應電荷分布于導體兩端，電性相反，電量相等，遠同近異，如圖甲所示。3．凈電荷在導體表面分布不均勻，導體表面尖銳處電荷分布密集，平滑處電荷分布稀疏，凹陷處幾乎沒有電荷，如圖乙所示。【特別提醒】（1）一個孤立的帶電體，在自身所帶電荷的電場中，處于靜電平衡狀態，具有靜電平衡的所有特點。（2）人與大地都是導體，在人摸（觸）導體的過程中，帶電體、人、大地組成一個新導體，達到靜電平衡狀態。知識點三、尖端放電1．電離：在導體尖端強電場的作用下，使空氣分子中的正負電分離，這種現象叫做空氣的電離。2．尖端放電：由于導體尖端的電荷密度很大，其附近電場很強，使周圍中性空氣分子電離，變成帶電離子，這些帶電粒子在強電場加速下，會使更多的空氣分子電離，產生大量的帶電粒子，與導體尖端的電荷符號相反的粒子被吸引到尖端，跟尖端上的電荷中和，這相當于尖端失去電荷，這個現象叫尖端放電。3．應用和防止（1）應用：__________是利用尖端放電避免雷擊的一種設施。（2）防止：高壓設備中導體的________________會減少電能的損失。知識點四、靜電屏蔽1．實質：靜電屏蔽實質是利用了靜電感應現象，使金屬殼內的感應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，其實是殼內兩種電場并存，矢量和為零而已。2．靜電屏蔽的兩種情況（1）金屬殼內部不受外部影響：如圖，把驗電器靠近帶電體，箔片會張開，但如果把驗電器置于金屬網罩內，再靠近帶電體，箔片不再張開，說明網罩內不受外電場的影響。（2）接地的封閉導體殼，內部電場對外部沒有影響：如一封閉的導體殼內部空間某點有一點電荷+q。由于靜電感應，導體殼內外表面感應出等量的異種電荷。其電場線如圖甲所示，當把導體殼接地后，+q在殼內的電場對殼外空間就沒有影響了，如圖乙所示。當把球殼接地后，殼外表面感應的正電荷在靜電力作用下流入大地（實際是大地的電子在電場作用下通過接地的導線流到球殼面上與殼外表面的正電荷中和），使球殼外表面沒有電荷，殼外空間就沒有電場了，于是網罩內帶電體對外界的影響就隨之消除。殼內＋q的電場不會受到球殼外界電場的任何影響，這樣就出現圖乙所示的情況。這種情況，既能屏蔽外界電場對網罩內部的影響，又能屏蔽網罩內帶電體對網罩外部電場的影響。【特別提醒】（1）接地的空腔導體，腔外電場對腔內空間不產生影響，腔內電場對腔外空間也不產生影響，即內外互不影響。（2）空腔導體不接地，腔外電場對腔內空間不產生影響，腔內電場對腔外空間產生影響。【題4】下圖中P是一個帶電體，N是一個不帶電的金屬空腔，在哪些情況下，放在絕緣板上的小紙屑（圖中S）不會被吸引【答案】AD【解析】小紙屑是絕緣體，當處于電場中時，雖不會像導體一樣出現電荷的定向移動，但內部的極性分子也會在電場力的作用下移動，使異種電荷一端更靠近施感電荷，因而也會受到施感電荷的吸引力。A中由于靜電屏蔽，P的電場影響不到導體N的內部，即N內部無電場，所以S不會被吸引，A正確。B中N沒有接地，P的電場會影響到N的外部，即S處有電場，S會被吸引。C中P和S都處于導體N的外部，S處有電場，會被吸引。D中N被接地，內部電場不影響導體外部，即S處無電場，不會被吸引，D正確。【題5】如圖，電力工作人員在幾百萬伏的高壓線上進行帶電作業，電工全身穿戴帶電作業用的屏蔽服，屏蔽服是用導電金屬材料與紡織纖維混紡交織成布后再做成的服裝，下列說法正確的是A．采用金屬材料編織的衣服目的是使衣服不易拉破B．采用金屬材料編織的衣服目的是利用靜電屏蔽C．電工穿上屏蔽服后，體內場強為零D．電工穿上屏蔽服后，體內電勢為零【答案】BC【解析】屏蔽服的作用是在穿用后，使處于高壓電場中的人體外表面各部位形成一個等勢屏蔽面，從而防護人體免受高壓電場及電磁波的危害；等勢面說明電勢相等而不是等于0，而電場中的導體內的電場強度為0，所以BC正確，AD錯誤。【題6】如圖，用起電機使金屬鳥籠帶電，站在金屬架上的鳥安然無恙，且不帶電，其原因是A．鳥的腳爪與金屬架絕緣B．鳥與籠電勢相同，無電勢差C．鳥籠內部場強為零，電荷分布在籠的外表面D．起電機使籠帶電，籠的電勢不會很高【答案】BC【解析】由于金屬鳥籠的靜電屏蔽作用，使得鳥籠內部場強為零，電荷分布在籠的外表面，C正確；處于靜電平衡狀態的鳥籠是一個等勢體，其上各點電勢都相等，故B正確；鳥的腳爪與金屬架不是絕緣的，A錯誤；起電機使鳥籠帶電，電勢可以達到很高，D錯誤。3．應用和防止（1）應用：避雷針是利用尖端放電避免雷擊的一種設施。（2）防止：為防止外界電場的干擾，有些電子設備的外面套有金屬殼，通訊電纜的外層包有一層金屬線來進行靜電屏蔽。靜電屏蔽也可帶來不利的影響，如航天飛機、飛船返回地球大氣層時，由于飛船與大氣層的高速摩擦而產生高溫，在飛船的周圍形成一層等離子體，它對飛船產生靜電屏蔽作用，導致地面控制中心與飛船的通信聯系暫時中斷．對宇航員來說，這是一個危險較大的時間段。高壓設備中導體的表面盡量光滑會減少電能的損失。【題7】靜電噴涂利用了電荷之間的相互作用，其噴涂原理如圖，則下列說法正確的是A．涂料微粒一定帶正電B．涂料微粒一定帶負電C．涂料微粒可能帶正電，也可能帶負電D．噴嘴與工件之間的電場為勻強電場【答案】A【解析】根據電荷間的相互作用特點結合題目中現象圖分析。靜電噴涂的原理就是讓帶電的涂料微粒在強電場的作用下被吸附到工件上，而達到噴涂的目的，噴嘴與工件之間的電場是非勻強電場，選項D錯誤；由題圖知，待噴涂工件帶負電，所以涂料微料應帶正電，選項A正確，B、C錯誤。【題8】小強在加油站加油時，看到加油機上有如圖所示的圖標，關于圖標涉及的物理知識及其理解，下列說法正確的是A．制作這些圖標的依據是靜電屏蔽原理B．工作人員工作時間須穿絕緣性能良好的化纖服裝C．化纖手套與接觸物容易摩擦起電存在安全隱患D．用絕緣的塑料梳子梳頭應該沒有關系【答案】C【解析】這些圖標是防止靜電的發生，A錯誤；化纖手套、化纖衣服與接觸物容易摩擦起電存在安全隱患，B錯，C對；用絕緣的塑料梳子梳頭，摩擦起電，存在安全隱患，D錯。【題9】如圖所示，B是帶有絕緣支架的空腔帶電金屬球殼，A是驗電器，A、B相距較遠，導線C的一端接驗電器的金屬球。下列現象正確的是A．將C的另一端與B的外殼接觸，驗電器的金屬箔張開B．將