資源簡介

(共47張PPT)
人民教育出版社2019高中物理必修第三冊第九章　
4.靜電的防止與利用
1 靜電平衡
3 靜電屏蔽
課程內容
2 尖端放電
4 靜電吸附
▲干燥冬天，用手接觸金屬時會有觸電的針刺感
▲靜電火花引起汽油爆炸
新聞資料
想一想 問題：生活中有哪些和靜電有關的現象呢？
▲自然界的雷電
也是一種劇烈的
放電現象
想一想
問題：這些放電現象，有什么共同點嗎？
人手靠近金屬門把手，或者雷雨云靠近大地。此時的人體、雷雨云都是帶電體，金屬、大地都是導體。
復習回顧：靜電感應現象
- +
+
C
A
B
能否用金屬的微觀結構模型來解釋靜電感應現象呢？
？
思考
金屬的微觀結構模型
我們把這些現象發生的情境抽象為：帶電體靠近導體，此時會發生靜電感應現象。
問題：把一個不帶電的金屬導體ABCD放到電場強度為E0的電場中，根據金屬的微觀結構模型，自由電子怎樣移動呢？
E0
A C
B D
一、靜電平衡
探究解惑 注重過程提高能力
A
B
C
D
-
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A
B
C
D
+++
一、靜電平衡
▲電場力的作用下，自由電子發生定向移動。
▲自由電子的定向移動導致電子在AB端集聚，CD端正電荷“暴露”出來。
▲ AB端感應出負電荷、CD端感應出正電荷。
問題：自由電子定向移動會導致怎樣的情況發生呢？
E0
E0
E0
A
B
C
D
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-
+
+
-
-
+
+
一、靜電平衡
問題：導體內自由電子的定向移動會一直進行下去嗎？兩端的感應電荷會無限制增加嗎？
▲導體兩側感應出的正、負電荷會在導體內部產生一個感應電場E’。
E’
E0
E0
E0
▲感應電場與外電場疊加抵消，在疊加后電場作用下，仍有自由電子發生定向移動，直到導體內部各點的電場強度E=0。
▲導體內自由電子不再發生定向移動，達到靜電平衡狀態。
1、靜電平衡狀態：導體內自由電子不再發生定向移動的狀態，稱之為靜電平衡狀態。
2、靜電平衡狀態下導體的特點：
內部電場強度處處為0。
一、靜電平衡
我們如何從理論上進一步論證這一特點呢？
？
思考
1、靜電平衡狀態：導體內自由電子不再發生定向移動的狀態，稱之為靜電平衡狀態。
2、靜電平衡狀態下導體的特點：
內部電場強度處處為0。
一、靜電平衡
1、靜電平衡狀態：導體內自由電子不再發生定向移動的狀態，稱之為靜電平衡狀態。
2、靜電平衡狀態下導體的特點：
內部電場強度處處為0。
電荷只分布在導體的外表面。
在導體外表面，越尖銳的位置電荷的密度越大，凹陷的位置幾乎沒有電荷。
一、靜電平衡
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E
導體處于靜電平衡狀態時，其表面電場線能否如圖所示？
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E
思考與討論
不可能。如果電場方向與導體表面不垂直，那么就會有沿表面切線方向的場強分量，自由電荷沿切線方向的電場力就不為零，自由電荷就會定向移動，說明導體就沒有達到靜電平衡，所以，靜電平衡時，導體表面附近的電場線一定與表面垂直。
問題：感應起電時，導體達到靜電平衡狀態，此時電荷分布在導體外表面，不發生定向移動，怎么會產生放電現象呢？
探究二、尖端放電
實驗觀察：感應起電機的放電現象
二、尖端放電
這是一臺感應起電機，
手搖搖柄，兩個金屬小球會連續取得并積累正、負電荷
▲剛開始搖動手柄時，兩個小球間沒有放電火花。
▲繼續搖動手柄到一定程度時，兩個小球間有放電火花產生。
當金屬小球電荷積累到一定程度時，才會發生放電現象。
二、尖端放電
實驗觀察：感應起電機的放電現象
問題：小球外表面電荷積累越多，電荷密度越大，則小球外部的電場強度越大。這樣的一個強電場會造成什么結果呢？
二、尖端放電
問題：小球外表面電荷積累越多，電荷密度越大，則小球外部的電場強度越大。這樣的一個強電場會造成什么結果呢？
1、空氣的電離
二、尖端放電
▲導體周圍的強電場使空氣中殘留的帶電粒子發生劇烈運動
▲帶電粒子與氣體分子碰撞使氣體分子中的正負電荷分離
▲新產生的帶電粒子在強電場的作用下使空氣進一步電離
2、放電現象
問題：小球外表面電荷積累越多，電荷密度越大，則小球外部的電場強度越大。這樣的一個強電場會造成什么結果呢？
二、尖端放電
▲電離產生的帶電粒子在電場的作用下，向著與自己電荷符號相反的一端運動
▲電離產生的帶電粒子與導體上的電荷中和，大量帶電粒子的運動，使空氣中有了電流，發出光和熱并產生聲音，這就是我們看到放電火花
應用：避免靜電火花的危害
▲油罐車的接地鐵鏈
▲加油站的靜電釋放器
想一想 我們如何避免產生靜電火花呢？
我們可以采用接地的辦法，把積累的電荷導入大地。
思考：如何防止雷電的危害呢？
大地
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二、尖端放電
當帶電云層靠近地面上的建筑物時，
建筑物會感應與云層下端相反電性的電荷。
當電荷積聚到一定程度時，
就會產生劇烈的放電現象，即雷電。
我們無法讓雷雨云接地，
那能不能想辦法產生一些與帶電雷雨云電性相反的電荷進行中和呢？
問題與思考：生活中許多建筑物頂端都安裝了避雷針，能夠有效地防止雷擊的危害。它的原理是什么呢？
二、尖端放電
避雷針的形狀特點。
一些尖銳的金屬棒。
實驗觀察：
二、尖端放電
感應起電機的
一個電極與金屬
針尖相連，針尖
前方放置一支蠟燭。
實驗觀察：
二、尖端放電
實驗現象
二、尖端放電
▲燭焰被針尖“吹開”
在導體外表面，越尖銳的位置，
電荷的密度越大，周圍電場強度越大。
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二、尖端放電
尖端周圍電場很強
3、尖端放電
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尖端周圍電場很強
空氣電離
尖端上的電荷被中和
3、尖端放電
二、尖端放電
等效于
尖端釋放電荷
想一想
問題：根據剛才的分析，同學們能夠解釋這個實驗現象了嗎？
▲燭焰被針尖“吹開”
原來針尖此時發生了尖端放電，
燭焰是被帶電粒子運動形成的
風“吹開”的。
由此可見，尖端放電持續溫和，
能夠不斷向空氣中釋放電荷，
有效避免了大量電荷的積聚。
大地
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4、應用：避雷針
二、尖端放電
于是我們就可以利用這個性質，
將尖銳的金屬棒安裝在建筑物的頂端，用粗導線與埋在地下的金屬板連接，保持與大地的良好接觸，這就構成了避雷針。當帶電的雷雨云接近建筑物時，由于靜電感應，金屬棒感應出與云層相反的電荷。通過尖端放電，這些電荷不斷向大氣釋放，中和空氣中的電荷，達到避免雷擊的目的。
這便是避雷針的原理。
問題與思考：什么保護了他們？
探究三、靜電屏蔽
▲超高壓帶電作業的工人在高壓線上檢修
▲用金屬絲線制成的防護服
高壓線周圍的電場很強，人體也是導體，靠近高壓線易電擊，
非常危險。那么這些高壓帶電作業的工人們怎么全身而退的呢？
實驗觀察
三、靜電屏蔽
一個帶電金屬球靠近驗電器
實驗現象
三、靜電屏蔽
當用金屬網罩把驗電器罩起來時，驗電器箔片始終閉合。這是為什么呢？
？
思考
+
-
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+
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-
三、靜電屏蔽
理論分析
同學們大致畫出網罩外部的電場線、導體上感應電荷的分布及感應電場的方向。
？
做一做
三、靜電屏蔽
理論分析
同學們大致畫出網罩外部的電場線、導體上感應電荷的分布及感應電場的方向。
？
做一做
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金屬導體殼壁W
空腔C
E=0
1、靜電屏蔽現象：
處于靜電平衡狀態的導體，內部空間電場強度處處為0。
可以利用金屬殼或金屬網封閉某一區域使該區域不再受外在電場的影響。這一現象稱為靜電屏蔽。
三、靜電屏蔽
▲屏蔽服
▲屏蔽線
▲高壓線屏蔽
三、靜電屏蔽
2、應用：屏蔽服、屏蔽線、高壓線屏蔽
工作服就像一個金屬網罩
傳遞信號的導線套上金屬外衣
在輸電線的上方還有兩條導線，
它們與大地相連，形成的一個稀疏的金屬“網”
探究四、靜電吸附
實驗觀察
問題：同學們，你還能舉出一些靜電現象的應用實例嗎？
這有一個透明圓筒，在它中心
軸上安裝了一根直導線，
圓筒兩側放置金屬板。
將直導線和金屬板分別與
起電機的兩極相連。
我們先往透明圓筒中通入油煙。
搖動起電機，
同學們注意觀察實驗現象。
四、靜電吸附
實驗觀察
四、靜電吸附
實驗現象
▲搖動起電機前
▲搖動起電機后
圓筒中的油煙很快消失，仔細觀察，
可以看到透明筒壁變得模糊
四、靜電吸附
直導線B和金屬板A分別與起電機的負極、正極相連，
搖動起電機，直導線B與金屬板A之間會有很強的電場，
且距離直導線B越近，電場強度越大。
B附近的氣體分子更容易被電離，成為正離子和電子.
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小油滴
小油滴
裝置的示意圖
四、靜電吸附
▲電子在向著正極A運動的過程中，遇到油煙中的小油滴，會使油滴帶負電
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小油滴
小油滴
四、靜電吸附
▲帶負電的小油滴在靜電力的作用下，向著正極A運動，最后被吸附到正極A上
靜電吸附的原理：帶電粒子在電場中受到靜電力作用向著電極運動，最后被吸附在電極上。
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四、靜電吸附
應用1：靜電除塵
我們利用類似的裝置，在兩極上加高壓，便可以用來除去煙塵。這便是靜電除塵。
應用2：靜電噴漆
接負高壓的涂料霧化器
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工件
四、靜電吸附
▲用接負高壓的涂料霧化器噴出的油漆微粒帶負電，在靜電力的作用下，油漆微粒向著作為正極的工件運動，并沉積在工件的表面，這就是靜電噴漆。
應用3：靜電復印
四、靜電吸附
▲利用有機光導體的光敏特性，讓電荷排列組合成相應的文字圖樣，利用靜電吸附吸上墨粉，再將墨粉圖樣轉印到紙上。
總結：靜電的防止與利用
靜電平衡
尖端放電
靜電屏蔽
靜電吸附
應用
知識基礎
1.長為L的導體棒原來不帶電，現將一電荷量為+q的點電荷放在與棒的左端距離為R的地方，如圖所示。達到靜電平衡后，棒上的感應電荷在棒內中點O處產生的場強有多大？方向如何？
R
L
O
+q
達到靜電平衡后導體內部處處場強為零

E感方向與E源方向相反，即指向點電荷+q
例題
探究、怎樣求解感應電荷的電場強度？
思考：
為什么表演者的指尖會放出閃電，而其他部位不會放出閃電？
表演者穿的衣服為什么這么特別？有什么特殊之處？

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