五個(gè)靜電場STS命題熱點(diǎn)

河南 王安立

五個(gè)靜電場STS命題熱點(diǎn)

河南 王安立

電場是高中物理的重要內(nèi)容，是與科技結(jié)合緊密的知識點(diǎn)，是高考命題的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。通過對近年高考STS熱點(diǎn)問題的歸類研究，可以歸納出與靜電場知識相關(guān)的五個(gè)STS高考命題熱點(diǎn)。

一、高壓帶電作業(yè)——靜電屏蔽

【例1】如圖1所示，電力工作人員在幾百萬伏的高壓線上進(jìn)行帶電作業(yè)，電工全身穿戴帶電作業(yè)用屏蔽服，屏蔽服是用導(dǎo)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 （ ）

圖1

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利用靜電屏蔽

C．電工穿上屏蔽服后，人體內(nèi)場強(qiáng)為零

D．電工穿上屏蔽服后，人體內(nèi)電勢為零

【解析】電工全身穿戴帶電作業(yè)用屏蔽服，使處于高壓電場中的人體外表面各部位形成一個(gè)等電勢屏蔽面，從而保護(hù)人體免受高壓電場及電磁波的危害。采用金屬材料編織的衣服目的是利用靜電屏蔽，A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確。屏蔽服表面為等勢面，人體與屏蔽服等電勢，人體內(nèi)場強(qiáng)為零。由于電勢是相對量，大小與零電勢的選擇有關(guān)，不能說電工穿上屏蔽服后，人體內(nèi)電勢為零，C項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

【答案】BC

【點(diǎn)評】本題源于教材《選修3—1》第28頁“問題與練習(xí)4”。靜電屏蔽問題要注意三點(diǎn)：靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體表面是等勢面，導(dǎo)體是等勢體，導(dǎo)體內(nèi)部的場強(qiáng)處處為零；導(dǎo)體內(nèi)部的場強(qiáng)處處為零，實(shí)質(zhì)是外電場和導(dǎo)體上感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場的合電場強(qiáng)度為零；產(chǎn)生靜電屏蔽的導(dǎo)體殼可以是金屬容器，也可以是金屬網(wǎng)。電工穿上采用金屬材料編織的衣服，可實(shí)現(xiàn)靜電屏蔽。

二、靜電噴涂——高壓靜電場

【例2】靜電噴涂是利用高壓靜電電場使帶負(fù)電的涂料微粒沿著電場相反的方向定向運(yùn)動(dòng)，并將涂料微粒吸附在工件表面的一種噴涂方法，其工作原理如圖2所示。忽略運(yùn)動(dòng)中涂料微粒間的相互作用和微粒的重力。下列說法中正確的是 （ ）

圖2

A．當(dāng)靜電噴涂機(jī)與被噴涂工件之間的距離增大時(shí)，在運(yùn)動(dòng)中的涂料微粒所受電場力增大

B．涂料微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡僅由被噴涂工件與靜電噴涂機(jī)之間所接的高壓電源決定

C．在靜電噴涂機(jī)水平向左移動(dòng)的過程中，有兩個(gè)帶有相同電荷量的微粒先后經(jīng)過被固定的工件右側(cè)P點(diǎn)（相對工件的距離不變）處，先經(jīng)過微粒的電勢能較大

D．涂料微粒在向被涂工件運(yùn)動(dòng)的軌跡中，在直線軌跡上電勢升高最快

【解析】由于靜電噴涂機(jī)與被噴涂工件之間的電壓一定，當(dāng)靜電噴涂機(jī)與被噴涂工件之間的距離增大時(shí)，它們之間的電場強(qiáng)度減小，在運(yùn)動(dòng)中的涂料微粒所受電場力減小，A項(xiàng)錯(cuò)誤；涂料微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡與初速度和受力有關(guān)，不是僅由被噴涂工件與靜電噴涂機(jī)之間所接的高壓電源決定，B項(xiàng)錯(cuò)誤；先經(jīng)過P點(diǎn)的微?？赡苁沁\(yùn)動(dòng)的路程小，速度大，動(dòng)能大。不考慮重力作用時(shí)，電勢能與動(dòng)能之和保持不變，所以先經(jīng)過微粒的電勢能較小，C項(xiàng)錯(cuò)誤；涂料微粒在向被涂工件運(yùn)動(dòng)的軌跡中，直線的距離最小，結(jié)合U＝Ed可知，在直線軌跡上電勢上升最快，D項(xiàng)正確。

【答案】D

【點(diǎn)評】靜電噴涂，就是使霧化了的油漆微粒在直流高壓電場中帶上負(fù)電荷，再在靜電場的作用下，定向飛向帶正電荷的被噴涂表面，沉積成一層均勻牢固的涂膜的方法。靜電噴涂不會(huì)或很少有漆霧飛散到空氣中去，所以能改善工人的勞動(dòng)環(huán)境；可以使噴漆工藝實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可大量節(jié)約漆料，生產(chǎn)效率高；涂層的光潔度、附著力，均得到較大提高。

三、離子陷阱——俘獲并囚禁離子

【例3】離子陷阱是一種利用電場或磁場將離子俘獲并囚禁在一定范圍內(nèi)的裝置。如圖3為最常見的“四極離子陷阱”的俯視示意圖，a、b、c、d是四根平行桿，它們與帶有直流電壓和疊加的射頻電壓相連，相當(dāng)于四個(gè)電極，相對的電極帶等量同種電荷，相鄰的電極帶等量異種電荷。在紙面內(nèi)四根桿的連線是一個(gè)正方形，A、C是ac上的任意兩點(diǎn)，B、D是bd上的任意兩點(diǎn)，A、C、B、D到正方形中心O的距離相等。則 （ ）

圖3

A．D點(diǎn)的電場強(qiáng)度為零，電勢最低

B．A、B、C、D四點(diǎn)電場強(qiáng)度大小相等

C．A點(diǎn)電勢比B點(diǎn)電勢高

D．正點(diǎn)電荷沿直線從A經(jīng)O運(yùn)動(dòng)到C，電勢能先減小后增大

【解析】根據(jù)點(diǎn)電荷電場的特點(diǎn)和電場的疊加原理可知，D點(diǎn)的電場強(qiáng)度方向向右，A項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)電場疊加原理利用對稱性可知A、B、C、D四點(diǎn)電場強(qiáng)度大小相等，方向不同，B項(xiàng)正確；根據(jù)沿電場線方向電勢逐漸降低，畫出電場線分析可知，φA＞φO，φB＜φO，φA＞φB，即A點(diǎn)電勢比B點(diǎn)電勢高，C項(xiàng)正確；正點(diǎn)電荷沿直線從A經(jīng)O運(yùn)動(dòng)到C，電場力先做正功后做負(fù)功，電勢能先減小后增大，D項(xiàng)正確。

【答案】BCD

【點(diǎn)評】此題考查電場疊加、電勢和電勢能。求解由多個(gè)點(diǎn)電荷產(chǎn)生電場的電場強(qiáng)度，可利用點(diǎn)電荷電場強(qiáng)度公式和電場疊加原理；分析電勢高低可定性畫出電場線，利用沿電場線方向電勢逐漸降低判斷；判斷電勢能變化可根據(jù)電場力做功與電勢能變化關(guān)系判斷，也可利用正電荷電勢高處電勢能大，負(fù)電荷電勢高處電勢能小判斷。

四、聚焦電場——等勢線與電場線

【例4】（2016·黑龍江省安慶市第一中學(xué)模擬）如圖4所示，陰極射線示波管的聚焦電場是由電極A1、A2形成，實(shí)線為電場線，虛線為等勢線，z軸為該電場的中心軸線，P、Q、R為一個(gè)從左側(cè)進(jìn)入聚焦電場的電子運(yùn)動(dòng)軌跡上的三點(diǎn)，則 （ ）

圖4

A．電極A1的電勢低于電極A2的電勢

B．電場中Q點(diǎn)的電場強(qiáng)度大于R點(diǎn)的電場強(qiáng)度

C．電子在P點(diǎn)處的動(dòng)能大于在Q點(diǎn)處的動(dòng)能

D．電子從P至R的運(yùn)動(dòng)過程中，電場力對它一直做正功

【解析】沿電場線電勢降低，因此電極A1的電勢低于電極A2，故A項(xiàng)正確；電子從P至R的運(yùn)動(dòng)過程中，是由低電勢向高電勢運(yùn)動(dòng)時(shí)，電場力做正功，動(dòng)能增加，電勢能減小，C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確；據(jù)電場線的疏密程度可知，因此Q點(diǎn)電場線比R點(diǎn)電場線密，故Q點(diǎn)的電場強(qiáng)度大于R點(diǎn)的電場強(qiáng)度，B項(xiàng)正確。

【答案】ABD

【點(diǎn)評】電場線、等勢線給出信息的問題，可根據(jù)沿電場線方向電勢逐漸降低，電場強(qiáng)度的大小與電場線的疏密程度有關(guān)解答。對涉及帶電粒子動(dòng)能、電場力做功，可利用動(dòng)能定理、電場力做功與電勢能變化的關(guān)系。

五、靜電分選器——復(fù)合場中運(yùn)動(dòng)的分解

【例5】如圖5所示是某種靜電分選器的原理示意圖。兩個(gè)豎直放置的平行金屬板帶有等量異種電荷，形成勻強(qiáng)電場。分選器漏斗的出口與兩板上端處于同一高度，到兩板距離相等?；旌显谝黄鸬腶、b兩種顆粒從漏斗出口下落時(shí)，a種顆粒帶上正電，b種顆粒帶上負(fù)電。經(jīng)分選電場后，a、b兩種顆粒分別落到水平傳送帶A、B上。

圖5

已知兩板間距d＝0．1 m，板的長度l＝0．5 m，電場僅局限在平行板之間，各顆粒所帶電荷量大小與其質(zhì)量之比均為q/m＝1×10－5C/kg。設(shè)顆粒進(jìn)入電場時(shí)的初速度為零，分選過程中顆粒大小及顆粒間的相互作用力不計(jì)。要求兩種顆粒離開電場區(qū)域時(shí)，不接觸到極板但有最大偏轉(zhuǎn)量。重力加速度g取10 m/s2。

（1）左右兩板各帶何種電荷？兩極板間的電壓多大？

（2）若兩帶電平行板的下端距傳送帶A、B的高度H＝0．3 m，顆粒落至傳送帶時(shí)的速度大小是多少？

【解析】（1）由于a顆粒帶正電，故電場方向向左，所以左板帶負(fù)電荷，右板帶正電荷。

在水平方向上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度大小為

聯(lián)立①②③④得

（2）在顆粒下落的整個(gè)過程中，根據(jù)動(dòng)能定理得

【點(diǎn)評】此題中顆粒的運(yùn)動(dòng)，可通過分析水平方向和豎直方向的受力情況，把顆粒的運(yùn)動(dòng)分解為水平方向和豎直方向兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)研究，分別運(yùn)用相關(guān)知識列方程解答。

（作者單位：河南省洛陽市第四十中學(xué)）