2020-2021学年高中物理-第1章-静电力与电场强度-5-静电的利用与防护学案-鲁科版必修3.doc

2020-2021学年高中物理 第1章 静电力与电场强度 5 静电的利用与防护学案 鲁科版必修3

2020-2021学年高中物理 第1章 静电力与电场强度 5 静电的利用与防护学案 鲁科版必修3

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- 12 -

第5节　静电的利用与防护
新 课 程 标 准
学 业 质 量 目 标
1.了解生产生活中对静电的利用。
2.了解生产生活中对静电的防护。
合格性
考试
1.通过分析生产生活中的静电现象,培养运用物理原理解释生活问题的能力。
2.能对利用和防护静电的一些行为发表自己的观点。
3.体会物理学发展对人类产生的影响,认识科学技术与社会的关系。
选择性
考试
能分析生产、生活中静电现象的产生原理,并且加以利用和遏制。
必备知识·自主学习
一、静电的利用

　在电脑上搜索出的材料,通过激光打印机瞬间打印出来,大大方便了我们的生活,激光打印机是利用了静电。那么生产、生活中还有哪些利用静电的实例呢?

提示:静电除尘、静电喷漆、静电喷药、静电育种等。
1.静电除尘、静电喷漆、激光打印都是静电的应用。
2.静电处理的种子抗病能力强、发芽率高;利用静电处理的水,既能杀菌,又能减少水垢;静电放电产生的臭氧是强氧化剂,有很强的杀菌作用。
二、静电的防护
1.基本方法:将静电荷导走或静电屏蔽。
2.实例分析:
(1)雷电这一静电现象常常会造成巨大的自然灾害,为了避免雷电的危害,通常使用避雷针。避雷针的尖端安装在建筑物的顶部,并通过金属线与埋在地下的金属板相连。遇到雷雨时,云层上的大量静电由避雷针直接导入地下,同时,避雷针的尖
端向空中放电,也中和了云层中的部分电荷,这样就避免了建筑物遭受雷击。
(2)在印染厂里,棉纱、毛线、化学纤维上的静电会吸引空气中的尘埃,使印染质量下降。人们常常采用湿度调节来解决这一问题。设法使车间里保持一定湿度,让电荷随时放出,便可以消除静电危害。
(3)油罐车车尾装有一条拖在地上的导电拖地带,以导走运输过程中油和油罐摩擦产生的静电,避免由此引起爆炸;加油站加油枪常有一个触摸式人体静电释放器,加油前用手触摸上面的金属球,可将人体的静电导走。
三、静电平衡与静电屏蔽
1.静电平衡: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,使导体内各点合场强等于0。
2.静电屏蔽:处于静电平衡状态的导体,内部电场强度处处为零,电荷只分布在导体的外表面,内部不受外部电场的影响。

(1)在生产、生活中,静电的应用十分广泛,但也有一定的危害。 (√)
(2)防止静电的唯一方法是尽快将静电导走。 (×)
(3)印刷车间防止静电的常用方法就是保持空气湿度。 (√)
(4)我们经常看到油罐车车尾有一根拖地铁链,其作用是将油罐车上的静电尽快导走。 (√)
(5)静电平衡状态下的导体内部合场强为零。 (√)
关键能力·合作学习
知识点一　静电的利用方式
1.静电除尘的工作原理:
(1)接高压电源负极的金属丝悬挂于接电源正极的金属筒中,当电压达到一定值时,金属丝与筒之间会形成很强的电场,使空气电离,大部分烟雾颗粒或粉尘在吸附电离后的负电荷后,在电场力的作用下向金属筒运动,并粘于金属筒上。
(2)当尘埃积累到一定程度时,下落至灰尘收集器,而通过除尘后的净化空气从出口排出。

2.静电喷漆的工作原理:将喷枪和待喷漆的工件分别接于高压直流电源的两极,从喷枪喷出的漆便带上了一种电荷,由于同种电荷相互排斥的作用,形成了大团的雾状漆。这些带电的细小漆珠在电场力的作用下非常准确地向带有另一种电荷的工件奔去,牢固地粘附在工件的表面,完成喷漆。
3.静电复印机的工作原理:
(1)复印机内有一重要部件——硒鼓,它是金属制成的圆筒,其上镀着一层硒。预先充电,使硒鼓带正电,当光照射到硒鼓时,静电层才导电。
(2)把准备复印的文件放在复印机玻璃板上,文件的影像会聚焦在硒鼓上。硒鼓上的正电荷因光的照射而被带走,没有光照射的地方则保留正电荷,在硒鼓上形成原文件影像的静电图样。
(3)将带负电的黑色着色粉撒在硒鼓上,色粉只吸附在带电区。当纸张压过带电圆筒时,色粉可粘在纸上,加热后,纸上便留下永久的影像,最后被送出来。

　在静电除尘、静电喷漆和静电复印等静电的应用实例中,其理论依据是什么?

提示:同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引,利用静电力控制带电粒子的运动或分布。

【典例】利用静电除尘可以大量减少排放烟气中的粉尘。如图是静电除尘装置的示意图,烟气从管口M进入,从管口N排出,当A、B两端接上高压后,在电场作用下管道内的空气分子被电离为电子和正离子,而粉尘在吸附了电子后最终附着在金属管壁上,从而达到减少排放烟气中粉尘的目的。根据上述原理,下列做法正确的是 (　　)

A.A端接高压负极,B端接高压正极
B.A端接高压正极,B端接高压负极
C.A端、B端都接高压正极
D.A端、B端都接高压负极
【解析】选A。管内接通静电高压时,管内存在强电场,它使空气电离而产生电子和阳离子,粉尘吸附了电子而带负电。带负电的粉尘最终附着在金属管壁上,根据同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,可知金属管B端应接高压电源的正极,金属丝A端接负极。故A正确,B、C、D错误。

　静电喷涂机原理如图所示。静电喷涂机接高压电源,工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动,微粒最后被吸到工件表面。关于静电喷涂机的涂料微粒,下列表述正确的是(　　)

A.微粒带正电
B.微粒带负电
C.微粒不受电场力作用
D.微粒仅受重力作用
【解析】选B。根据题意可知,涂料微粒在电场力的作用下运动至被喷涂工件处,被喷涂工件带正电,所以涂料微粒必带负电,故A、C、D错误,B正确。
　　　【加固训练】
　　1.下列现象中不属于静电技术应用的是 (　　)
A.煤矿“瓦斯”爆炸　　　　 B.静电喷涂
C.静电除尘 D.静电复印
【解析】选A。矿井瓦斯爆炸是一种热一链式反应(也叫链锁反应)。瓦斯爆炸就其本质来说,是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应,故A错误;喷枪喷出的油漆微粒带正电,因相互排斥而散开,形成雾状,被喷涂的物体带负电,对雾状油漆产生引力,把油漆吸到表面,属于静电应用,故B正确;静电除尘时除尘器中的空气被电离,烟雾颗粒吸附电子而带负电,颗粒向电源正极运动,属于静电应用,故C正确;静电复印是利用异种电荷相互吸引而使碳粉吸附在纸上,属于静电应用,故D正确;本题要求选不属于静电技术应用的,故选A。
2.(多选)习近平总书记在十九大报告中指出:“像对待生命一样对待生态环境”,国家对于高排放企业会持续加大治理力度。目前很多企业采用静电除尘器用于尘埃排放的处理,除尘机理示意图如图。尘埃在电场中通过某种机制带电,在电场力的作用下向集尘极迁移并沉积,以达到除尘目的。下列表述正确的是 (　　)

A.到达集尘极的尘埃带正电荷
B.电场方向由集尘极指向放电极
C.带电尘埃所受电场力的方向与电场方向相同
D.同一位置带电荷量越多的尘埃所受电场力越大
【解析】选B、D。尘埃在电场力作用下向集尘极迁移并沉积,说明尘埃带负电,A错误;由于集尘极与电源的正极连接,电场方向由集尘极指向放电极,B正确;负电荷在电场中受电场力的方向与电场方向相反,C错误;根据F=Eq可得,同一位置带电荷量越多的尘埃所受电场力越大,故D正确。
　知识点二　静电的防护措施
1.防止静电的危害应遵守的原则和采取的方法:
基本原则:控制静电的产生,把产生的静电迅速引走以避免静电的积累。控制可以减少因摩擦而产生的静电。
方法:接地放电、增加湿度、非导电材料的抗静电处理等。
2.静电的防止——放电:
(1)火花放电:
当电荷在物体上大量聚集时,在物体周围会产生电场,如果电场足够强,原来是绝缘体的空气被强电场击穿变为导体,这一现象称为空气的电离,强大的电流通过电离的空气时发声、发光、产生电火花并放出大量的热,这就是火花放电现象。
①云层与云层之间或云层与地面之间产生的闪电、雷鸣。
②在干燥的空气中脱掉化纤衣服时,会看到火花,并听到噼啪声。
③实验室中感应起电机两个导电杆之间产生电火花。
(2)接地放电:
用导线把带电体与大地连接起来,从而使带电体上的电荷导入大地。这是接地放电现象。
①油罐车尾部拖一铁链,把车上的电荷导入大地。
②飞机降落时,它与空气摩擦产生的静电通过导电橡胶轮胎导入大地。
③计算机房和大型电话交换机房的地板要用导电良好的材料制成,以减少静电的积累。

　运油车的尾部会有一条长长的铁链延伸到地面,这样做的原因是什么?

提示:将车体摩擦过程中产生的电荷及时导入大地。

【典例】在编织地毯时,地毯中加入少量金属丝的目的是 (　　)
A.增大地毯的强度和韧性
B.避免人走动时产生静电
C.将人走动时产生的静电导走
D.以上说法都不正确
【解析】选C。人在地毯上走动会产生静电是不可避免的,加入少量金属丝的目的是将人走动产生的静电及时导走,避免形成电荷的积累造成危害。故C正确,A、B、D错误。

1.关于避雷针,以下说法不正确的是 (　　)
A.避雷针避雷是中和云层的异种电荷
B.避雷针避雷是将云层中积聚的电荷导入大地
C.为了美观,通常把避雷针顶端设计成球形
D.避雷针安装在高大建筑物顶部,且必须接地
【解析】选C。避雷针避雷是中和云层中的异种电荷,及时消除云层与地面的电压,故A正确;避雷针避雷是将云层中积聚的电荷导入大地,或者将大地的负电荷与其中和,故B正确;表面积越小,越尖锐的物体,越容易放电,因此避雷针做成尖形的,更容易发挥作用,故C错误;避雷针要能发挥作用,与避雷针的形状、安装位置等都有关系,在建筑物的高处安装合格的避雷针,且必须接地,故D正确。
2.(多选)把带电体上产生的静电荷移走可以防止静电积累而造成的危害,下列措施中属于防范静电危害的是 (　　)
A.油罐车后面安装一条拖地铁链
B.飞机上安装接地电缆
C.印染车间保持适当的湿度
D.喷洒农药的飞机上安装静电喷嘴
【解析】选A、B、C。油罐车在运输过程中,不断地相互摩擦,从而产生大量的静电,通过后面装一条拖地的铁链,及时导走,这是防止静电危害,故A正确;飞机上安装接地电缆,目的是将摩擦产生的静电及时导走,这是防止静电危害,故B正确;印染车间保持适当的湿度是为了防止静电积累而引发事故,属于静电的防止,故C正确;喷洒农药的飞机上安装静电喷嘴属于静电的应用,可以让农药均匀喷洒,故D错误。
　　　【加固训练】
　　1.电视机的荧光屏表面经常有很多灰尘,这主要是因为 (　　)
A.荧光屏具有吸附灰尘的能力
B.房间内灰尘的自然堆积
C.电视机工作时,荧光屏表面温度过高
D.电视机工作时,荧光屏表面有静电
【解析】选D。电视机工作时,荧光屏的表面有静电,会吸引灰尘颗粒,故选项D正确。
2.高压电气设备的金属元件,表面要很光滑,这样做的目的是 (　　)
A.为了美观
B.为了减少与外界的接触面积
C.为了避免尖端放电
D.为了减小和外界的摩擦
【解析】选C。导体外表面,越尖锐的位置电荷的密度越大,越容易发生尖端放电,为避免尖端放电,高压设备表面很光滑。
　　　【拓展例题】考查内容:静电屏蔽的应用
　　【典例】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,试问:

(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:(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。
情境·模型·素养为教师备课、授课提供丰富教学资源

　取一根尖嘴玻璃管(尖嘴内径0.5～0.8 mm,管的另一端用橡皮管与自来水龙头相连。玻璃管尖嘴口朝上,并固定在铁支架上,如图所示。打开水龙头,使尖嘴喷射出高15～20 cm的喷泉,用带电的有机玻璃棒置于喷泉上方约30 cm处,你会观察到断续喷射的喷泉。

探究:出现这个现象的原因是什么?
【解析】有机玻璃棒上的正电荷使小水滴两端感应了异种电荷,上下相邻的小水滴因异种电荷的相互吸引而聚成大水滴,大水滴被水流顶了起来。由于大水滴太重,又会把喷泉的水流压下去待大水滴掉下去后,喷泉又会重新再喷射起来。只要带正电荷的有机玻璃棒不移开,间歇喷泉就可以一直持续下去。
答案:见解析。

　李华同学在西部游玩时,发现戈壁滩上常常出现远距离输电的铁塔,仔细观察发现高塔上除了用于输电的3条导线外,顶部还有2条导线。

探究:(1)顶部的两条导线有什么作用?
(2)在高压线上带电作业的电工应该采取怎样的防护措施?
【解析】(1)顶部的两条导线是为了防止输电线被雷击,起到静电屏蔽的作用。
(2)应穿上导电金属材料制成的防护服。
答案:见解析。
课堂检测·素养达标
1.小明跟他爸爸在加油站加油时,他看到加油机上有如图所示的图标,关于图标涉及的物理知识及其理解,下列说法正确的是 (　　)

A.制作这些图标的依据是利用静电屏蔽原理
B.工作人员工作时间穿绝缘性能良好的化纤服装应该没有关系的
C.塑料桶与油接触容易摩擦起电,存在安全隐患
D.戴棉手套加油不容易打滑较安全
【解析】选C。手机、化纤制品、塑料制品等在使用时会产生静电,这些图标都是为了减少静电的产生,不是静电屏蔽。故A错误;工作人员工作时间穿绝缘性能良好的化纤服装,会引起静电,故B错误;塑料桶与油容易摩擦起电,故会引起静电,从而引起油料燃烧,故C正确;化纤手套与接触物容易摩擦起电,故会引起静电,从而引起油料燃烧,而戴棉手套加油不容易产生静电,较安全,故D错误。
2.如图所示是一个用来研究静电除尘的实验装置,处于强电场中的空气分子会被电离为电子和正离子,当铝板与手摇起电机的正极相连,缝被针与手摇起电机的负极相连,在铝板和缝被针中间放置点燃的蚊香。转动手摇起电机,蚊香放出的烟尘会被电极吸附,停止转动手摇起电机,蚊香的烟尘又会袅袅上升。关于这个现象,下列说法中正确的是 (　　)

A.烟尘因为带正电而被吸附到缝被针上
B.同一烟尘颗粒在被吸附过程中离铝板越近速度越大
C.同一烟尘颗粒在被吸附过程中离铝板越近速度越小
D.同一烟尘颗粒在被吸附过程中如果带电量不变,离铝板越近则加速度越大
【解析】选B。电子在电场力的作用下,向正极移动时,碰到烟尘颗粒使它带负电。因此,带电尘粒在电场力的作用下,向铝板运动,被吸附到铝板上,故A错误;烟尘向铝板运动时,在电场力作用下做加速运动,所以离铝板越近速度越大,故B正确,C错误;针尖端的电场线密集,越靠近铝板电场越弱,同一颗粒离铝板越近则加速度越小,故D错误。
3.如图是模拟避雷针作用的实验装置,金属板M接高压电源的正极,金属板N接负极。金属板N上有两个等高的金属柱A、B,A为尖头,B为圆头。逐渐升高电源电压,当电压达到一定数值时,可看到放电现象。先产生放电现象的是 (　　)

A.A金属柱
B.B金属柱
C.A、B金属柱同时
D.可能是A金属柱,也可能是B金属柱
【解析】选A。如题图中所示,A为尖头、B为圆头。当金属板M、N接在高压电源上,因末端越尖越容易放电,故A金属柱容易放电。
4.(多选)下列措施中,属于利用静电的是 (　　)
A.利用静电把空气电离,除去烟气中的粉尘
B.利用静电吸附,将涂料微粒均匀地喷涂在接地金属物体上
C.利用静电放电产生的臭氧,进行杀菌
D.利用导电橡胶制造飞机轮胎,以便着陆时把机身的静电引入大地
【解析】选A、B、C。静电除尘、静电喷涂和静电杀菌都属于静电的应用,故A、B、C正确;利用导电橡胶制造飞机轮胎,可以将飞机飞行过程中因摩擦产生的静电导走,防止静电积累到一定程度引起爆炸,这是静电危害的防止,故D错误。
5.由于人们行走时鞋子和地板摩擦产生静电,带电的离子会在地板表面对空气中的灰尘产生吸引,对于电脑机房、电子厂房等单位会造成一定的影响。防静电地板又叫作耗散静电地板,当它接地或连接到任何较低电势点时,使电荷能够耗散,地板在施工中,地板下面要铺设铝箔,铝箔要连接到地下预埋导体。下列关于防静电地板的说法正确的是 (　　)

A.地板下面要铺设铝箔的作用是防潮
B.地板必须是绝缘体材料
C.地板必须是导电的,如地板中含有导电纤维
D.只要地板下面铺设铝箔,地板材料无所谓绝缘体或导体
【解析】选C。在该情境中,地板在施工中,地板下面要铺设铝箔,铝箔要连接到地下预埋导体就是要将地板上的静电导走,所以防静电地板必须是导电的,如地板中含有导电纤维,这样才能将静电由地板下面铺设的铝箔导走。故选项C正确,A、B、D错误。