五個靜電場STS命題熱點

河南 王安立

五個靜電場STS命題熱點

河南 王安立

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

一、高壓帶電作業——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行帶電作業，電工全身穿戴帶電作業用屏蔽服，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 （ ）

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，人體內場強為零

D．電工穿上屏蔽服后，人體內電勢為零

【解析】電工全身穿戴帶電作業用屏蔽服，使處于高壓電場中的人體外表面各部位形成一個等電勢屏蔽面，從而保護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項錯誤，B項正確。屏蔽服表面為等勢面，人體與屏蔽服等電勢，人體內場強為零。由于電勢是相對量，大小與零電勢的選擇有關，不能說電工穿上屏蔽服后，人體內電勢為零，C項正確，D項錯誤。

【答案】BC

【點評】本題源于教材《選修3—1》第28頁“問題與練習4”。靜電屏蔽問題要注意三點：靜電平衡時，導體表面是等勢面，導體是等勢體，導體內部的場強處處為零；導體內部的場強處處為零，實質是外電場和導體上感應電荷產生的電場的合電場強度為零；產生靜電屏蔽的導體殼可以是金屬容器，也可以是金屬網。電工穿上采用金屬材料編織的衣服，可實現靜電屏蔽。

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電的涂料微粒沿著電場相反的方向定向運動，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。忽略運動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．當靜電噴涂機與被噴涂工件之間的距離增大時，在運動中的涂料微粒所受電場力增大

B．涂料微粒的運動軌跡僅由被噴涂工件與靜電噴涂機之間所接的高壓電源決定

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

D．涂料微粒在向被涂工件運動的軌跡中，在直線軌跡上電勢升高最快

【解析】由于靜電噴涂機與被噴涂工件之間的電壓一定，當靜電噴涂機與被噴涂工件之間的距離增大時，它們之間的電場強度減小，在運動中的涂料微粒所受電場力減小，A項錯誤；涂料微粒的運動軌跡與初速度和受力有關，不是僅由被噴涂工件與靜電噴涂機之間所接的高壓電源決定，B項錯誤；先經過P點的微粒可能是運動的路程小，速度大，動能大。不考慮重力作用時，電勢能與動能之和保持不變，所以先經過微粒的電勢能較小，C項錯誤；涂料微粒在向被涂工件運動的軌跡中，直線的距離最小，結合U＝Ed可知，在直線軌跡上電勢上升最快，D項正確。

【答案】D

【點評】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。靜電噴涂不會或很少有漆霧飛散到空氣中去，所以能改善工人的勞動環境；可以使噴漆工藝實現自動化，可大量節約漆料，生產效率高；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，相當于四個電極，相對的電極帶等量同種電荷，相鄰的電極帶等量異種電荷。在紙面內四根桿的連線是一個正方形，A、C是ac上的任意兩點，B、D是bd上的任意兩點，A、C、B、D到正方形中心O的距離相等。則 （ ）

圖3

A．D點的電場強度為零，電勢最低

B．A、B、C、D四點電場強度大小相等

C．A點電勢比B點電勢高

D．正點電荷沿直線從A經O運動到C，電勢能先減小后增大

【解析】根據點電荷電場的特點和電場的疊加原理可知，D點的電場強度方向向右，A項錯誤；根據電場疊加原理利用對稱性可知A、B、C、D四點電場強度大小相等，方向不同，B項正確；根據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點電勢比B點電勢高，C項正確；正點電荷沿直線從A經O運動到C，電場力先做正功后做負功，電勢能先減小后增大，D項正確。

【答案】BCD

【點評】此題考查電場疊加、電勢和電勢能。求解由多個點電荷產生電場的電場強度，可利用點電荷電場強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電場力做功與電勢能變化關系判斷，也可利用正電荷電勢高處電勢能大，負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為一個從左側進入聚焦電場的電子運動軌跡上的三點，則 （ ）

圖4

A．電極A1的電勢低于電極A2的電勢

B．電場中Q點的電場強度大于R點的電場強度

C．電子在P點處的動能大于在Q點處的動能

D．電子從P至R的運動過程中，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項正確；電子從P至R的運動過程中，是由低電勢向高電勢運動時，電場力做正功，動能增加，電勢能減小，C項錯誤，D項正確；據電場線的疏密程度可知，因此Q點電場線比R點電場線密，故Q點的電場強度大于R點的電場強度，B項正確。

【答案】ABD

【點評】電場線、等勢線給出信息的問題，可根據沿電場線方向電勢逐漸降低，電場強度的大小與電場線的疏密程度有關解答。對涉及帶電粒子動能、電場力做功，可利用動能定理、電場力做功與電勢能變化的關系。

五、靜電分選器——復合場中運動的分解

【例5】如圖5所示是某種靜電分選器的原理示意圖。兩個豎直放置的平行金屬板帶有等量異種電荷，形成勻強電場。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。混合在一起的a、b兩種顆粒從漏斗出口下落時，a種顆粒帶上正電，b種顆粒帶上負電。經分選電場后，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量之比均為q/m＝1×10－5C/kg。設顆粒進入電場時的初速度為零，分選過程中顆粒大小及顆粒間的相互作用力不計。要求兩種顆粒離開電場區域時，不接觸到極板但有最大偏轉量。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，所以左板帶負電荷，右板帶正電荷。

在水平方向上做勻加速直線運動，加速度大小為

聯立①②③④得

（2）在顆粒下落的整個過程中，根據動能定理得

【點評】此題中顆粒的運動，可通過分析水平方向和豎直方向的受力情況，把顆粒的運動分解為水平方向和豎直方向兩個分運動研究，分別運用相關知識列方程解答。

（作者單位：河南省洛陽市第四十中學）