比較出真知---談靜電平衡問題的理解

1、比較出真知-談靜電平衡問題的理解甘肅省金觻中學(xué) 趙永德 734000在高中物理“電場中的導(dǎo)體”一章的學(xué)習(xí)中，許多同學(xué)反映，即使將靜電平衡狀態(tài)導(dǎo)體的特點(diǎn)記得滾瓜爛熟，但在處理具體的問題時，往往仍是力不從心，無從下手，不能靈活應(yīng)用解決問題。我認(rèn)為大家關(guān)鍵是沒有理解靜電平衡的本質(zhì)涵義，只知其一，不知其二。同時在分析靜電平衡的問題時，還要注意方式方法，要有“遠(yuǎn)近觀”和“整體觀”?！斑h(yuǎn)近觀”是指：處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，離場電荷較近和較遠(yuǎn)的兩端將感應(yīng)出等量的異號電荷，而導(dǎo)體的中間部分因感應(yīng)電荷極少，可認(rèn)為無感應(yīng)電荷產(chǎn)生。“整體觀”是指：當(dāng)把兩個或原來彼此絕緣的導(dǎo)體直接接觸或用導(dǎo)線相連接時，就可把它們整體

2、看作一個導(dǎo)體?，F(xiàn)通過以下幾個容易混淆的知識點(diǎn)的比較，來使大家加深理解，掌握靜電平衡的本質(zhì)及分析判斷的方法。一 先分后移和先移后分一樣嗎？【例1】如圖1所示，將帶電體A放在不帶電但緊緊靠在一起的B、C的附近，先將B、C分開后移走A，和先移走A后分開B、C，導(dǎo)體B、C帶電一樣嗎？【分析解答】根據(jù)“遠(yuǎn)近觀”和“整體觀”處于靜電平衡的BC是一個整體，其兩端將出現(xiàn)等量異種電荷，相對于A來說，近端B的電荷與A異號，遠(yuǎn)端B 的電荷與A同號。整個導(dǎo)體BC不顯電性。在A 的電場作用下，若先分開B，C后移走A，則B、C中的等量異種電荷無法中合，故顯電性，B帶負(fù)電，C帶正電。而若先將A移走，則BC中的等量異種電荷中

3、合，自由電子重新分布，BC整體不帶電，分開后自然也不帶電。二 接地與不接地一樣嗎？【例2】如圖2，將帶正電的A放在不帶電的B的附近，將A移走B導(dǎo)體將帶何種電？若將B接一下地，然后斷開，再將A移走，B導(dǎo)體又將帶何種電？+BA圖2CBA圖1【分析解答】由“遠(yuǎn)近觀”可知，當(dāng)B不接地時，B相對于A 的近端(左端)將感應(yīng)出負(fù)電荷，遠(yuǎn)端（右端）將感應(yīng)出等量的正電荷，移走A后，等量異種電荷中合，B不顯電性。若將B接地，由“整體觀”可知，B與大地構(gòu)成一個整體 ，相對于A ；B成為近端將感應(yīng)出負(fù)電荷，而大地成為遠(yuǎn)端，感應(yīng)出等量的正電荷，將接地線斷開后，再移走A ，B自然帶負(fù)電。三 用手摸導(dǎo)體的左端和右端一樣嗎？

4、+BA圖3【例3】如圖3，將導(dǎo)體B靠近到帶正電的A物體附近，然后用手摸導(dǎo)體B的左端或右端，導(dǎo)體B的帶電情況一樣嗎？【分析解答】如圖所示，在A 電場的作用下，B 的左端感應(yīng)出負(fù)電荷，右端感應(yīng)出等量的正電荷，不管用手摸導(dǎo)體B的左端還是右端，由于人體相當(dāng)于一個導(dǎo)體 ，都將使得導(dǎo)體B和大地構(gòu)成一個整體，相對于A而言，B 總是近端，大地總是遠(yuǎn)端，因B的電勢大于零，所以大地上的自由電子在電場力的作用下，向高電勢的B導(dǎo)體移動，使得B帶負(fù)電。用手摸導(dǎo)體B的左端和右端情況是一樣的，也就是說，用手摸導(dǎo)體B的任何地方都是一樣的。四 處于靜電平衡的導(dǎo)體，導(dǎo)體內(nèi)某點(diǎn)的場強(qiáng)與感應(yīng)電荷的場強(qiáng)均為零嗎？【例四】如圖4，在點(diǎn)電

5、荷+Q旁距點(diǎn)電荷r處放置一導(dǎo)體棒，長為L，則棒的中點(diǎn)O處的場強(qiáng)和感應(yīng)電荷在中點(diǎn)的場強(qiáng)分別為多大？方向如何？【分析解答】導(dǎo)體棒處在+Q的電場中，處于靜電平衡狀態(tài)，其電荷只分布在外表面上，內(nèi)部沒有凈電荷，導(dǎo)體內(nèi)場強(qiáng)處處為零，故導(dǎo)體棒中點(diǎn)處的場強(qiáng)為零 。o-r-L-圖4從另一個角度來講，導(dǎo)體中點(diǎn)處的場強(qiáng)是場源電荷+Q和導(dǎo)體棒上的感應(yīng)電荷在中點(diǎn)處的場強(qiáng)的合場強(qiáng)，若分別用EQ和EL表示+Q和感應(yīng)電荷在中點(diǎn)處產(chǎn)生的場強(qiáng)。則有EQ+EL=0所以EL=-EQ=EL的方向為向左指向+Q。大小并不為零。五 小球接觸帶電球殼的內(nèi)、外表面一樣嗎？【例5】如圖5，A 為帶有小缺口的空心金屬球殼，帶有正電荷，B 為距A很

6、遠(yuǎn)的的原來不帶電的驗電器，現(xiàn)用一個帶有絕緣手柄的金屬球C，第一次與A的內(nèi)壁接觸，再與驗電器接觸 ，如此重復(fù)多次；第二次帶有絕緣手柄的金屬球C與A的金屬外殼接觸，再與驗電器接觸 ，如此重復(fù)多次。兩次觀察到的驗電器的現(xiàn)象一樣嗎？CBA圖5【分析解答】A是一個處于靜電平衡的帶電體，其電荷只分布外表面上，內(nèi)表面上沒有電荷，所以小球C與A的內(nèi)壁接觸時，小球C上不帶電，它不能將電荷搬運(yùn)到驗電器B上。驗電器的金箔不會張開。若將小球C與A的外壁接觸，小球上將分布上電荷，它與B的金屬球相接觸后將把電荷傳給B，故此時驗電器的金箔將張開?！就卣埂看死?，若用導(dǎo)線將驗電器的金屬球和帶電體A的內(nèi)外表面分別接觸，觀察到的

7、驗電器的現(xiàn)象一樣嗎？【分析解答】若用導(dǎo)線相連，情形就與例3有點(diǎn)相似，根據(jù)“遠(yuǎn)近觀”和“整體觀”，A和B將成為一個整體，驗電器B為整體的外表面，電荷將重新分布，從A上移到B上，使驗電器的箔片張開，連接金屬球殼的內(nèi)外表面是完全相同的。AB圖6甲甲 六 靜電屏蔽內(nèi)外均能屏蔽嗎、【例6】如圖6，有一個帶正電的金屬球A和一個靠的很近的驗電器B，現(xiàn)用一個金屬網(wǎng)罩第一次罩住驗電器B；第二次罩住帶電的金屬球A，兩次觀察到的驗電器的現(xiàn)象一樣嗎？【分析解答】第一次用金屬網(wǎng)罩把驗電器B罩住，如圖6甲所示，場源電荷A在網(wǎng)罩的外面，在A 球的電場作用下，金屬網(wǎng)罩將感應(yīng)出電荷，但電荷只分布在網(wǎng)罩的外表面上，內(nèi)部（包括空腔）場強(qiáng)處處為零，故不會對驗電器產(chǎn)生影響，驗電器的箔片不會張開，即使把驗電器和金屬網(wǎng)罩用導(dǎo)線連接，箔片也不會張開，這表示金屬網(wǎng)罩能把外面的電場屏蔽，使網(wǎng)罩內(nèi)不受外電場的影響。第二次用金屬網(wǎng)罩將帶電小球A罩住，如圖6乙而讓驗電器處于網(wǎng)罩外，此AB圖6乙 乙時在帶電小球A的電場作用下，金屬網(wǎng)罩的內(nèi)表面上感