靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)與練習(xí)題冊(cè)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.觀察靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)分布特點(diǎn)，理解靜電屏蔽的物理本質(zhì)。2.掌握利用驗(yàn)電器、法拉第籠等器材驗(yàn)證靜電屏蔽現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)方法。3.分析“外部電場(chǎng)不影響導(dǎo)體內(nèi)部”“內(nèi)部帶電不影響導(dǎo)體外部”兩種靜電屏蔽場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)靜電屏蔽的適用條件。二、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部的自由電荷不再發(fā)生定向移動(dòng)，此時(shí)導(dǎo)體具有以下核心特性：導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為零：外部電場(chǎng)會(huì)使導(dǎo)體中的自由電荷重新分布（靜電感應(yīng)），感應(yīng)電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)與原電場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)部抵消，最終內(nèi)部合電場(chǎng)為零。導(dǎo)體是等勢(shì)體：靜電平衡時(shí)導(dǎo)體表面及內(nèi)部電勢(shì)處處相等，電荷僅分布在導(dǎo)體的外表面（若導(dǎo)體內(nèi)部有空腔且空腔內(nèi)無(wú)帶電體，則空腔內(nèi)表面也無(wú)電荷）。靜電屏蔽的兩種場(chǎng)景：場(chǎng)景1：屏蔽外部電場(chǎng)對(duì)內(nèi)部的影響：若導(dǎo)體空腔（如法拉第籠）外部存在帶電體，空腔內(nèi)部（包括導(dǎo)體內(nèi)部）的電場(chǎng)強(qiáng)度始終為零，內(nèi)部物體不受外部電場(chǎng)干擾。場(chǎng)景2：屏蔽內(nèi)部電場(chǎng)對(duì)外部的影響：若導(dǎo)體空腔內(nèi)部有帶電體，感應(yīng)電荷會(huì)在導(dǎo)體外表面重新分布，但只要導(dǎo)體接地（或本身為閉合導(dǎo)體殼），外部空間的電場(chǎng)僅由外表面電荷決定，且可通過(guò)接地消除外表面電荷的影響，使外部不受內(nèi)部電場(chǎng)干擾。三、實(shí)驗(yàn)器材靜電感應(yīng)起電機(jī)（或高壓直流電源）金屬網(wǎng)籠（法拉第籠，建議網(wǎng)孔直徑小于1cm以保證屏蔽效果）指針式驗(yàn)電器（或箔片驗(yàn)電器）絕緣金屬球（帶絕緣柄）絕緣支架（固定金屬籠、驗(yàn)電器等）導(dǎo)線（帶鱷魚(yú)夾，用于接地或連接導(dǎo)體）帶電體（如摩擦起電的橡膠棒、玻璃棒）接地裝置（導(dǎo)線連接金屬籠與大地）四、實(shí)驗(yàn)步驟（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備1.檢查器材：確保靜電起電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常（皮帶無(wú)打滑、電刷接觸良好），驗(yàn)電器指針/箔片能自由偏轉(zhuǎn)，金屬籠無(wú)破損、網(wǎng)孔均勻。2.環(huán)境準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)在干燥環(huán)境中進(jìn)行（濕度≤60%），避免靜電泄漏；遠(yuǎn)離大型金屬物體，減少環(huán)境電場(chǎng)干擾。（二）實(shí)驗(yàn)1：外部電場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體內(nèi)部的影響（驗(yàn)證場(chǎng)景1）1.外部電場(chǎng)的建立：?jiǎn)?dòng)靜電起電機(jī)，使起電機(jī)的放電球（或帶電棒）帶電，在金屬籠外部產(chǎn)生較強(qiáng)電場(chǎng)（可通過(guò)驗(yàn)電器靠近起電機(jī)時(shí)指針偏轉(zhuǎn)驗(yàn)證）。2.內(nèi)部電場(chǎng)的檢測(cè)：將驗(yàn)電器放入金屬籠內(nèi)部（確保驗(yàn)電器與籠壁無(wú)接觸），觀察驗(yàn)電器指針（或箔片）是否偏轉(zhuǎn)。現(xiàn)象：驗(yàn)電器指針無(wú)明顯偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明金屬籠內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為零。3.破壞屏蔽的對(duì)比：將金屬籠的頂蓋打開(kāi)（或在籠壁開(kāi)一個(gè)大孔，使籠不閉合），重復(fù)步驟2，觀察驗(yàn)電器指針是否偏轉(zhuǎn)。現(xiàn)象：驗(yàn)電器指針明顯偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明閉合的導(dǎo)體殼（或網(wǎng)籠）是靜電屏蔽的必要條件。（三）實(shí)驗(yàn)2：內(nèi)部帶電對(duì)導(dǎo)體外部的影響（驗(yàn)證場(chǎng)景2）1.內(nèi)部帶電體的放置：將帶電的絕緣金屬球（用帶電棒接觸后）放入金屬籠內(nèi)部（確保金屬球與籠壁無(wú)接觸），此時(shí)金屬籠外表面會(huì)因靜電感應(yīng)帶電。2.外部電場(chǎng)的檢測(cè)：用驗(yàn)電器靠近金屬籠外部，觀察指針偏轉(zhuǎn)（記錄偏轉(zhuǎn)角度）。3.接地消除外部影響：用導(dǎo)線將金屬籠與大地（或?qū)嶒?yàn)室接地裝置）連接（接地），再次用驗(yàn)電器靠近金屬籠外部，觀察指針偏轉(zhuǎn)變化?，F(xiàn)象：接地前，驗(yàn)電器指針偏轉(zhuǎn)（外部受內(nèi)部電場(chǎng)影響）；接地后，指針偏轉(zhuǎn)消失（外部不受內(nèi)部電場(chǎng)影響），說(shuō)明接地的閉合導(dǎo)體殼可屏蔽內(nèi)部電場(chǎng)對(duì)外部的干擾。（四）實(shí)驗(yàn)3：驗(yàn)證靜電平衡時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零1.用導(dǎo)線將驗(yàn)電器的金屬球與金屬籠內(nèi)部的某點(diǎn)（如籠壁內(nèi)側(cè)）連接，確保驗(yàn)電器與籠內(nèi)部導(dǎo)通。2.使金屬籠外部帶電（用起電機(jī)或帶電棒靠近），觀察驗(yàn)電器指針是否偏轉(zhuǎn)?，F(xiàn)象：指針無(wú)偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明金屬籠內(nèi)部（包括連接點(diǎn)）電勢(shì)與驗(yàn)電器金屬球電勢(shì)相等，且內(nèi)部電場(chǎng)為零（若有電場(chǎng)，電荷會(huì)移動(dòng)使驗(yàn)電器偏轉(zhuǎn)）。五、注意事項(xiàng)1.安全操作：靜電起電機(jī)工作時(shí)電壓較高，嚴(yán)禁用手直接接觸放電球或帶電導(dǎo)體；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，需用導(dǎo)線將起電機(jī)放電球與大地連接，消除殘留電荷。2.絕緣要求：金屬球、驗(yàn)電器、金屬籠的支撐物需保持良好絕緣（如使用塑料支架），避免電荷泄漏影響實(shí)驗(yàn)效果。3.環(huán)境控制：潮濕環(huán)境會(huì)增強(qiáng)空氣導(dǎo)電性，導(dǎo)致靜電快速泄漏，實(shí)驗(yàn)前可通過(guò)烘干器材、使用除濕器改善環(huán)境。4.器材保護(hù)：驗(yàn)電器的金屬箔片（或指針）較脆弱，操作時(shí)避免劇烈晃動(dòng)或碰撞；金屬籠網(wǎng)絲若變形，需輕輕校正以保證屏蔽效果。六、練習(xí)題冊(cè)（一）選擇題1.關(guān)于靜電屏蔽，下列說(shuō)法正確的是（）A.只有金屬導(dǎo)體才能實(shí)現(xiàn)靜電屏蔽B.只要導(dǎo)體殼閉合，就能完全屏蔽外部電場(chǎng)C.接地的導(dǎo)體殼可同時(shí)屏蔽內(nèi)部和外部電場(chǎng)的相互影響D.導(dǎo)體殼內(nèi)部的帶電體一定會(huì)使外部空間產(chǎn)生電場(chǎng)2.實(shí)驗(yàn)中，將驗(yàn)電器放入不接地的閉合金屬籠內(nèi)，當(dāng)籠外有帶電體時(shí)，驗(yàn)電器指針不偏轉(zhuǎn)，原因是（）A.金屬籠將外部電場(chǎng)反射回去了B.金屬籠內(nèi)部的自由電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)抵消了外部電場(chǎng)C.金屬籠內(nèi)部不存在電場(chǎng)D.驗(yàn)電器被金屬籠隔絕，無(wú)法感應(yīng)電荷（二）簡(jiǎn)答題1.分析“法拉第籠”在雷雨天保護(hù)內(nèi)部人員的原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中“外部電場(chǎng)不影響內(nèi)部”的現(xiàn)象說(shuō)明。2.實(shí)驗(yàn)中，若金屬籠未接地，內(nèi)部帶電體為何仍能使籠外驗(yàn)電器偏轉(zhuǎn)？接地后為何偏轉(zhuǎn)消失？請(qǐng)從電荷分布的角度解釋。（三）實(shí)驗(yàn)分析題某同學(xué)在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，將驗(yàn)電器放入未閉合的金屬籠內(nèi)（籠頂與籠身有縫隙），當(dāng)籠外帶電時(shí)，驗(yàn)電器指針仍有輕微偏轉(zhuǎn)。請(qǐng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理，分析該現(xiàn)象的原因，并提出改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的方法。參考答案（部分）選擇題1：C；選擇題2：C簡(jiǎn)答題1：雷雨天，云層帶電形成強(qiáng)外部電場(chǎng)，法