探究生活中靜電屏蔽的現(xiàn)象

商森釵

摘 要：通過現(xiàn)實生活中常見的避雷網(wǎng)、高壓線、屏蔽服等來研究其原理，探究靜電屏蔽在生活中的實用價值。讓學(xué)生在主動探究中親身經(jīng)歷、用心感悟，實現(xiàn)認(rèn)知飛躍，形成物理獨(dú)特的知識素養(yǎng)和人格魅力。

關(guān)鍵詞：靜電屏蔽;避雷網(wǎng);高壓線;屏蔽服

生活中處處存在物理現(xiàn)象，物理和生活息息相關(guān)，有些現(xiàn)象司空見慣，但你未必能道出它的所以然。牛頓之所以能從司空見慣的現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)科學(xué)真理，就是因為他善于理論聯(lián)系實際。

物理教學(xué)不能浮于課本知識，更重要的是讓學(xué)生能夠?qū)W有所思，學(xué)以致用。教學(xué)中教師要鼓勵學(xué)生能從生活中提煉科學(xué)本質(zhì)，又能用科學(xué)知識解釋生活現(xiàn)象，實現(xiàn)對所學(xué)知識的螺旋升華。必修3-1第一章《靜電場》的第七節(jié)《靜電現(xiàn)象的應(yīng)用》就是一個很好的探究課題。“導(dǎo)體殼的這種性質(zhì)在技術(shù)上很有實用價值”，在我們生活中存在嗎？具體的是哪些實用價值？怎么解釋這個“很”字？我緊緊抓住學(xué)生的求知需求，喚醒學(xué)生學(xué)習(xí)物理的強(qiáng)烈情感，鼓勵學(xué)生主動參與探究。

一、知識儲備

當(dāng)金屬導(dǎo)體處于外電場時，自由電子在電場力的作用下定向移動，導(dǎo)致金屬導(dǎo)體表面感應(yīng)出異種電荷，這異種電荷產(chǎn)生感應(yīng)電場，這感應(yīng)電場與外電場方向相反。當(dāng)感應(yīng)電場小于外電場時，金屬內(nèi)的自由電子繼續(xù)定向移動，金屬導(dǎo)體表面感應(yīng)出更多的異種電荷，當(dāng)感應(yīng)電場與外電場大小相等時，即金屬導(dǎo)體內(nèi)部的合電場為零時，自由電子不再定向移動，也就是說導(dǎo)體處于靜電平衡了。如金屬導(dǎo)體是空腔導(dǎo)體，即使有外電場，導(dǎo)體內(nèi)部合場強(qiáng)也是為零，金屬殼的作用叫作靜電屏蔽。

二、實驗探究

實驗1：金屬籠接高壓電，觀察小鳥的活動情況。

實驗結(jié)果：小鳥在金屬籠內(nèi)受到高壓電的作用下安然無恙。

實驗2：金屬籠內(nèi)站有一人并把手放在籠壁上，然后向金屬籠施加上萬伏的電壓并放電，觀察人的反應(yīng)情況。

實驗結(jié)果：36V是人的安全電壓，現(xiàn)在金屬籠外加上萬伏高壓，而籠內(nèi)的人卻談笑風(fēng)生。這是因為強(qiáng)大電流通過金屬籠壁導(dǎo)入了大地，對人體并不產(chǎn)生影響，所以金屬籠內(nèi)的人是安全的。

這兩個實驗由于受學(xué)校實驗室里器材的限制，同時又出于安全考慮，我們無法親自展開實驗。但通過觀看視頻，我們知道物體在靜電屏蔽下是很安全的。

三、生活應(yīng)用

1.避雷網(wǎng)

避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)是常見的避雷方法。避雷針是指在房子的頂端安裝一個或幾個尖銳的金屬棒。避雷帶是指在房屋最可能受雷擊的地方鋪設(shè)導(dǎo)線，導(dǎo)線一般是用直徑不小于8 cm的鍍錫圓鋼，將圓鋼焊接在事先預(yù)留好的支架上，支架高度一般在10 cm～15 cm。當(dāng)屋頂面積很大時，在周邊做一圈避雷帶的基礎(chǔ)上，中間再把它們互相連接成網(wǎng)格狀，這樣就成了避雷網(wǎng)。當(dāng)雷電發(fā)生時，能讓雷電電流從避雷網(wǎng)流入大地，避免巨大的電流對建筑物造成破壞，從而起到避雷的作用。

建筑物頂上通常有許多突出物，比如金屬天溝、金屬煙囪、金屬爬梯、金屬透氣管等，都必須與避雷網(wǎng)焊接成一體，所有避雷方法中避雷網(wǎng)效果最佳。

我們學(xué)校地理位置比較偏僻，依山而建，地理位置相對較高。周圍空曠又無高大建筑，而一般夏日雷電較多，為了師生的安全必須做好避雷工作。通過觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)校的教學(xué)樓、實驗樓、學(xué)生宿舍樓屋頂都安裝了一圈鋼筋條，屋頂都被鋼材相連，組成了一個個避雷網(wǎng)，達(dá)到有效的避雷效果。

建筑的避雷網(wǎng)最明顯的是北京的“鳥巢”，鳥巢的外圍都被鋼筋包裹著，這個金屬框架就是一個“籠式避雷網(wǎng)”。雷電來臨的一瞬間，通過外圍的鋼筋把巨大的電流引入地下。

不管用哪種方式避雷都必須做好接地工作，在建筑物的墻角處一般都有接地標(biāo)志。防雷接地裝置的材料類型有很多，為了提高防雷裝置的效果和保證環(huán)境不被污染等，在防雷工程設(shè)計及施工過程中，要根據(jù)環(huán)境的不同而采用不同的防雷裝置材料。一般每幢房子下埋有4根地線，每根地線都埋于地下3米深處。

2.高壓線

我們學(xué)校的四周都架有高壓線，然而對我們師生毫無損傷，這是什么原理呢？

靜電屏蔽不一定要用密閉的金屬容器罩起來，稀疏的金屬網(wǎng)也能起到靜電屏蔽作用。比如高壓輸電線的最上方有兩條導(dǎo)線，它們與大地相連，形成一個稀疏的金屬網(wǎng)，把高壓線屏蔽起來，避免遭雷擊。

3.屏蔽服

工人待在斗臂車?yán)镌诟邏壕€上帶電作業(yè)，為什么不會發(fā)生觸電事故呢？

他們穿的服裝叫屏蔽服，是絕緣的。屏蔽服內(nèi)織入了金屬絲或?qū)щ娎w維，褲子、上衣、手套、帽子、鞋及其相應(yīng)的連接頭和連接線組成了一套完整的屏蔽服裝。穿著時必須將所有部分的多股金屬連接線按照規(guī)定次序和屏蔽服相連，形成一個密不透風(fēng)的“保護(hù)網(wǎng)”，屏蔽住全身部位。當(dāng)人爬到高壓線路上時，人體外表面各部位形成一個等電位屏蔽面，從而防護(hù)人體免受高壓電場及電磁波的危害，因此帶電作業(yè)不會出現(xiàn)觸電事故。

工作人員使用的工具一定得使用絕緣工具，比如絕緣繩、絕緣吊桿、防護(hù)工具等。

四、其他應(yīng)用

隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，靜電屏蔽在各個方面的應(yīng)用越來越廣，所發(fā)揮的效用也越來越大。例如電子儀器設(shè)備外面的金屬罩、通訊光纜外面包的鉛皮、有線電視信號線外面包著的一層金屬絲等，都是用來防止外界電場干擾的屏蔽措施。

現(xiàn)代心理學(xué)認(rèn)為，學(xué)習(xí)過程中的智力因素主要是對接受的信息加工（感知和識記）、內(nèi)化（保持和應(yīng)用），探究生活中的靜電屏蔽現(xiàn)象，表面上看似乎浪費(fèi)了學(xué)生的很多時間，實際上它注重學(xué)生的親身參與和研究過程，更重要的是達(dá)到了物理課堂上研究性教學(xué)的常態(tài)化，學(xué)生的物理思維深度也有了更大的延伸。

參考文獻(xiàn)：

劉文震.五星教學(xué)模式在物理教學(xué)實踐中的應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討，2020（5）：8-10.

編輯 張俐麗