五个静电场STS命题热点

河南 王安立

五个静电场STS命题热点

河南 王安立

电场是高中物理的重要内容，是与科技结合紧密的知识点，是高考命题的重点和热点。通过对近年高考STS热点问题的归类研究，可以归纳出与静电场知识相关的五个STS高考命题热点。

一、高压带电作业——静电屏蔽

【例1】如图1所示，电力工作人员在几百万伏的高压线上进行带电作业，电工全身穿戴带电作业用屏蔽服，屏蔽服是用导电金属材料与纺织纤维混纺交织成布后再做成的服装，下列说法正确的是 （ ）

图1

A．采用金属材料编织的衣服目的是使衣服不易拉破

B．采用金属材料编织的衣服目的利用静电屏蔽

C．电工穿上屏蔽服后，人体内场强为零

D．电工穿上屏蔽服后，人体内电势为零

【解析】电工全身穿戴带电作业用屏蔽服，使处于高压电场中的人体外表面各部位形成一个等电势屏蔽面，从而保护人体免受高压电场及电磁波的危害。采用金属材料编织的衣服目的是利用静电屏蔽，A项错误，B项正确。屏蔽服表面为等势面，人体与屏蔽服等电势，人体内场强为零。由于电势是相对量，大小与零电势的选择有关，不能说电工穿上屏蔽服后，人体内电势为零，C项正确，D项错误。

【答案】BC

【点评】本题源于教材《选修3—1》第28页“问题与练习4”。静电屏蔽问题要注意三点：静电平衡时，导体表面是等势面，导体是等势体，导体内部的场强处处为零；导体内部的场强处处为零，实质是外电场和导体上感应电荷产生的电场的合电场强度为零；产生静电屏蔽的导体壳可以是金属容器，也可以是金属网。电工穿上采用金属材料编织的衣服，可实现静电屏蔽。

二、静电喷涂——高压静电场

【例2】静电喷涂是利用高压静电电场使带负电的涂料微粒沿着电场相反的方向定向运动，并将涂料微粒吸附在工件表面的一种喷涂方法，其工作原理如图2所示。忽略运动中涂料微粒间的相互作用和微粒的重力。下列说法中正确的是 （ ）

图2

A．当静电喷涂机与被喷涂工件之间的距离增大时，在运动中的涂料微粒所受电场力增大

B．涂料微粒的运动轨迹仅由被喷涂工件与静电喷涂机之间所接的高压电源决定

C．在静电喷涂机水平向左移动的过程中，有两个带有相同电荷量的微粒先后经过被固定的工件右侧P点（相对工件的距离不变）处，先经过微粒的电势能较大

D．涂料微粒在向被涂工件运动的轨迹中，在直线轨迹上电势升高最快

【解析】由于静电喷涂机与被喷涂工件之间的电压一定，当静电喷涂机与被喷涂工件之间的距离增大时，它们之间的电场强度减小，在运动中的涂料微粒所受电场力减小，A项错误；涂料微粒的运动轨迹与初速度和受力有关，不是仅由被喷涂工件与静电喷涂机之间所接的高压电源决定，B项错误；先经过P点的微粒可能是运动的路程小，速度大，动能大。不考虑重力作用时，电势能与动能之和保持不变，所以先经过微粒的电势能较小，C项错误；涂料微粒在向被涂工件运动的轨迹中，直线的距离最小，结合U＝Ed可知，在直线轨迹上电势上升最快，D项正确。

【答案】D

【点评】静电喷涂，就是使雾化了的油漆微粒在直流高压电场中带上负电荷，再在静电场的作用下，定向飞向带正电荷的被喷涂表面，沉积成一层均匀牢固的涂膜的方法。静电喷涂不会或很少有漆雾飞散到空气中去，所以能改善工人的劳动环境；可以使喷漆工艺实现自动化，可大量节约漆料，生产效率高；涂层的光洁度、附着力，均得到较大提高。

三、离子陷阱——俘获并囚禁离子

【例3】离子陷阱是一种利用电场或磁场将离子俘获并囚禁在一定范围内的装置。如图3为最常见的“四极离子陷阱”的俯视示意图，a、b、c、d是四根平行杆，它们与带有直流电压和叠加的射频电压相连，相当于四个电极，相对的电极带等量同种电荷，相邻的电极带等量异种电荷。在纸面内四根杆的连线是一个正方形，A、C是ac上的任意两点，B、D是bd上的任意两点，A、C、B、D到正方形中心O的距离相等。则 （ ）

图3

A．D点的电场强度为零，电势最低

B．A、B、C、D四点电场强度大小相等

C．A点电势比B点电势高

D．正点电荷沿直线从A经O运动到C，电势能先减小后增大

【解析】根据点电荷电场的特点和电场的叠加原理可知，D点的电场强度方向向右，A项错误；根据电场叠加原理利用对称性可知A、B、C、D四点电场强度大小相等，方向不同，B项正确；根据沿电场线方向电势逐渐降低，画出电场线分析可知，φA＞φO，φB＜φO，φA＞φB，即A点电势比B点电势高，C项正确；正点电荷沿直线从A经O运动到C，电场力先做正功后做负功，电势能先减小后增大，D项正确。

【答案】BCD

【点评】此题考查电场叠加、电势和电势能。求解由多个点电荷产生电场的电场强度，可利用点电荷电场强度公式和电场叠加原理；分析电势高低可定性画出电场线，利用沿电场线方向电势逐渐降低判断；判断电势能变化可根据电场力做功与电势能变化关系判断，也可利用正电荷电势高处电势能大，负电荷电势高处电势能小判断。

四、聚焦电场——等势线与电场线

【例4】（2016·黑龙江省安庆市第一中学模拟）如图4所示，阴极射线示波管的聚焦电场是由电极A1、A2形成，实线为电场线，虚线为等势线，z轴为该电场的中心轴线，P、Q、R为一个从左侧进入聚焦电场的电子运动轨迹上的三点，则 （ ）

图4

A．电极A1的电势低于电极A2的电势

B．电场中Q点的电场强度大于R点的电场强度

C．电子在P点处的动能大于在Q点处的动能

D．电子从P至R的运动过程中，电场力对它一直做正功

【解析】沿电场线电势降低，因此电极A1的电势低于电极A2，故A项正确；电子从P至R的运动过程中，是由低电势向高电势运动时，电场力做正功，动能增加，电势能减小，C项错误，D项正确；据电场线的疏密程度可知，因此Q点电场线比R点电场线密，故Q点的电场强度大于R点的电场强度，B项正确。

【答案】ABD

【点评】电场线、等势线给出信息的问题，可根据沿电场线方向电势逐渐降低，电场强度的大小与电场线的疏密程度有关解答。对涉及带电粒子动能、电场力做功，可利用动能定理、电场力做功与电势能变化的关系。

五、静电分选器——复合场中运动的分解

【例5】如图5所示是某种静电分选器的原理示意图。两个竖直放置的平行金属板带有等量异种电荷，形成匀强电场。分选器漏斗的出口与两板上端处于同一高度，到两板距离相等。混合在一起的a、b两种颗粒从漏斗出口下落时，a种颗粒带上正电，b种颗粒带上负电。经分选电场后，a、b两种颗粒分别落到水平传送带A、B上。

图5

已知两板间距d＝0．1 m，板的长度l＝0．5 m，电场仅局限在平行板之间，各颗粒所带电荷量大小与其质量之比均为q/m＝1×10－5C/kg。设颗粒进入电场时的初速度为零，分选过程中颗粒大小及颗粒间的相互作用力不计。要求两种颗粒离开电场区域时，不接触到极板但有最大偏转量。重力加速度g取10 m/s2。

（1）左右两板各带何种电荷？两极板间的电压多大？

（2）若两带电平行板的下端距传送带A、B的高度H＝0．3 m，颗粒落至传送带时的速度大小是多少？

【解析】（1）由于a颗粒带正电，故电场方向向左，所以左板带负电荷，右板带正电荷。

在水平方向上做匀加速直线运动，加速度大小为

联立①②③④得

（2）在颗粒下落的整个过程中，根据动能定理得

【点评】此题中颗粒的运动，可通过分析水平方向和竖直方向的受力情况，把颗粒的运动分解为水平方向和竖直方向两个分运动研究，分别运用相关知识列方程解答。

（作者单位：河南省洛阳市第四十中学）