電場(chǎng)中的導(dǎo)體人教試驗(yàn)修訂本

1、電場(chǎng)中的導(dǎo)體【基礎(chǔ)知識(shí)精講】金屬導(dǎo)體由做熱振動(dòng)的正離子和在它們之間做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的自由電子組成.把金屬導(dǎo)體放進(jìn)電場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子受到電場(chǎng)力的作用，將向電場(chǎng)的反方向定向移動(dòng)，結(jié)果會(huì)使導(dǎo)體兩端分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷.此現(xiàn)象叫靜電感應(yīng).若將上述導(dǎo)體的兩部分并攏放置，則再分開(kāi)為兩部分時(shí)，可使兩部分分別帶上等量的正、負(fù)電荷，即為感應(yīng)起電.導(dǎo)體中(包括表面)沒(méi)有電荷定向移動(dòng)的狀態(tài).靜電平衡是導(dǎo)體中的電荷在外電場(chǎng)的電場(chǎng)力作用下重新分布，從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷在導(dǎo)體中形成的電場(chǎng)抵消外電場(chǎng)的結(jié)果.(1)導(dǎo)體的內(nèi)部的合場(chǎng)強(qiáng)處處為零；(2)凈電荷只分布在導(dǎo)體的外表面；(3)電場(chǎng)線與導(dǎo)體表面垂直相接.(4)整

2、個(gè)導(dǎo)體是一個(gè)等勢(shì)體，其表面是一個(gè)等勢(shì)面.說(shuō)明：凈電荷是指導(dǎo)體內(nèi)正、負(fù)電荷中和后所剩下的多余電荷.第(4)條要到后面的節(jié)次再學(xué)習(xí).靜電平衡時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)為零.把電學(xué)儀器和電子設(shè)備的外面套上金屬網(wǎng)或金屬皮，儀器和設(shè)備就會(huì)因其所在處的場(chǎng)強(qiáng)為零而不受外電場(chǎng)的影響，這就是靜電屏蔽.【重點(diǎn)難點(diǎn)解析】重點(diǎn) 靜電平衡導(dǎo)體的場(chǎng)強(qiáng)和靜電荷分布特點(diǎn).難點(diǎn) 法拉第圓筒實(shí)驗(yàn).例1 如圖，不帶電的導(dǎo)體AB左側(cè)有一帶正電的小球+Q.現(xiàn)分別將導(dǎo)體的A端、正中部和B端分三次在初始狀態(tài)相同的情況下，與地短暫接通又?jǐn)嚅_(kāi)，之后導(dǎo)體AB的帶電及其內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)情況是( ) D.AB上的感應(yīng)電荷在其內(nèi)部M點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)不為零，且方向指向+Q

3、解析 此類問(wèn)題可用兩種方法判斷.方法一：利用電荷間的相互作用力判定.AB處于+Q產(chǎn)生的電場(chǎng)中，由于靜電感應(yīng)，A端感應(yīng)帶負(fù)電荷，B端感應(yīng)帶正電荷.此過(guò)程可理解為AB中自由電子被+Q所吸引，吸引到離+Q越近越好，如果此時(shí)用導(dǎo)線把AB與地接通，那么被排斥的正電荷(實(shí)際上移動(dòng)的是自由電子)就會(huì)移動(dòng)到AB與地組成的大導(dǎo)體離+Q的遠(yuǎn)端，斷開(kāi)接地線后，AB就帶了負(fù)電.可見(jiàn)不管把導(dǎo)體AB的何部位短暫接地后，其都將帶+Q的異種電荷.方法二：用電勢(shì)高低判定.因無(wú)窮遠(yuǎn)和地電勢(shì)為零，因此帶正電的小球所形成的電場(chǎng)中任一點(diǎn)的電勢(shì)均大于零.又由于導(dǎo)體AB是一等勢(shì)體，且高于地的電勢(shì)，則不管導(dǎo)體上的那一處與地相接，導(dǎo)體中的正電

4、荷都會(huì)在電場(chǎng)力的作用下從電勢(shì)高處流向電勢(shì)低處，從而使導(dǎo)體帶負(fù)電.答案 選BD.說(shuō)明 類似的問(wèn)題還有，上述過(guò)程中用“用手接觸一下導(dǎo)體AB”的操作代替“短暫接地又?jǐn)嚅_(kāi)”的操作，則可得到同樣的結(jié)果.例2 分別判定下列圖中A、B、C、D四點(diǎn)電場(chǎng)的有無(wú)和方向.解析 因?yàn)檎姾筛浇膶?dǎo)體空殼在靜電平衡后右側(cè)帶負(fù)電，左側(cè)帶正電，感應(yīng)電荷的電場(chǎng)和點(diǎn)電荷在A點(diǎn)的電場(chǎng)相抵消，所以A點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)為零.對(duì)于B點(diǎn)，由于B接地，導(dǎo)體殼平衡后右端帶負(fù)電，同理，B點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)也為零.對(duì)于C點(diǎn)，有三個(gè)電場(chǎng)在此疊加，即點(diǎn)電荷的電場(chǎng)、導(dǎo)體殼內(nèi)壁負(fù)的感應(yīng)電荷和外壁正的感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，其中兩類感應(yīng)電荷的電場(chǎng)正好相互抵消，C處的合場(chǎng)強(qiáng)為點(diǎn)電荷的

5、電場(chǎng)，所以C的場(chǎng)強(qiáng)方向沿球心與C連線指向C.對(duì)于D點(diǎn)，由于導(dǎo)體殼接地，所以與C點(diǎn)情況不同的是少了導(dǎo)體殼外壁正的感應(yīng)電荷的電場(chǎng)，因此剩下的兩個(gè)電場(chǎng)相抵消，D點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)為零.由此例分析可知，空殼導(dǎo)體是否接地，都能“阻擋”外電場(chǎng)的進(jìn)入；而只有接地的空殼導(dǎo)體才能“阻擋”內(nèi)部電場(chǎng)的“泄露”.“阻擋”和“泄露”兩詞都加上引號(hào)，目的是強(qiáng)調(diào)靜電屏蔽現(xiàn)象不是真的阻擋了電場(chǎng)，而是感應(yīng)電荷的電場(chǎng)和原來(lái)的電場(chǎng)相抵消.【難題巧解點(diǎn)撥】例1 如圖所示，在靠近空心金屬筒P處，有一接地金屬球M.把帶負(fù)電的小球Q放入P內(nèi)部，能使M帶負(fù)電的作法是：( )A.Q不接觸P的內(nèi)壁，而將P短時(shí)間接地后再移去Q解析 若用作用A，根據(jù)靜電感應(yīng)的

6、“接地”問(wèn)題分析，可知移去Q后，P外表面帶正電，M帶負(fù)電，A正確.若用作法B，由靜電感應(yīng)，此時(shí)M帶正電；若用作法C，此時(shí)Q的負(fù)電全部移至P的外面，同樣M帶正電；若用D作法，此時(shí)屬“內(nèi)屏蔽”，M處合場(chǎng)強(qiáng)為零，M將不帶電.答案 A正確.說(shuō)明 本題考查了對(duì)接觸起電，感應(yīng)起電，靜電屏蔽等知識(shí)的掌握情況，解題的關(guān)鍵是利用上述知識(shí)進(jìn)行綜合分析.例2 長(zhǎng)為l的導(dǎo)體棒原來(lái)不帶電，現(xiàn)將一帶電量為+q的點(diǎn)電荷放在距棒左端R處，如圖所示.當(dāng)棒達(dá)到靜電平衡后，棒上感應(yīng)電荷在棒內(nèi)中點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)大小等于 ，方向?yàn)?.解析 導(dǎo)體棒在點(diǎn)電荷+q的電荷中發(fā)生靜電感應(yīng)，左端出現(xiàn)負(fù)電荷，右端出現(xiàn)正電荷，棒中任何一點(diǎn)都有兩個(gè)電場(chǎng)，即

7、外場(chǎng)+q在該點(diǎn)形成的電場(chǎng)E0，附加電場(chǎng)棒上感應(yīng)電荷在該點(diǎn)形成的電場(chǎng)E，達(dá)到靜電平衡時(shí)EE0.題中所求的即為E，于是我們通過(guò)上述等式轉(zhuǎn)化為E0.解答：棒的中點(diǎn)距+q為rR+l/2，于是EE0,而且E和E0方向相反.同理，我們還能求棒中其他點(diǎn)的附加電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng).說(shuō)明 感應(yīng)電荷電量是面分布，且電量值未知，所以不能直接由Ek來(lái)求，只能利用靜電平衡的性質(zhì)來(lái)求.【命題趨勢(shì)分析】本節(jié)的考點(diǎn)主要有以下三個(gè)方面.一是關(guān)于靜電感應(yīng)過(guò)程中感應(yīng)起電的有無(wú)及其性質(zhì)的判定；二是判定和計(jì)算處于靜電平衡狀態(tài)中的導(dǎo)體內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)；三是關(guān)于靜電屏蔽過(guò)程中有關(guān)位置的帶電、場(chǎng)強(qiáng)、電勢(shì)、電勢(shì)差等物理量的判定.分析和解決這些問(wèn)題，要根據(jù)電場(chǎng)的

8、有關(guān)性質(zhì)和處于靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的性質(zhì)來(lái)進(jìn)行.【典型熱點(diǎn)考題】例1 一金屬球，原來(lái)不帶電，現(xiàn)沿球的直徑的延長(zhǎng)線放置一均勻帶電的細(xì)桿MN，如圖所示，金屬球上感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)在球內(nèi)直徑上a、b、c三點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小分別為Ea、Eb、Ec，三者相比，則( )A.Ea最大 C.Ec最大 D.Ea=Eb=Ec解析 處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零，故a、b、c三點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)都為零.靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零是感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)與外電場(chǎng)疊加的結(jié)果.所以感應(yīng)電荷在球內(nèi)某點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)與MN在這一點(diǎn)形成的電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)等大反向.比較a、b、c三點(diǎn)感應(yīng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)，實(shí)質(zhì)上是比較帶電體MN在這三點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng).由于C點(diǎn)離MN

9、最近，故MN在C點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)最大，感應(yīng)電荷在C點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)也最大.答案 選C.小結(jié) 本題在高考中，考生錯(cuò)選D者達(dá)半數(shù)以上，這些考生不理解靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度為零，是空間中所有電荷在導(dǎo)體內(nèi)任一點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和為零.本題要求考生對(duì)靜電平衡、電場(chǎng)強(qiáng)度的疊加等規(guī)律有較深入的理解，并能結(jié)合實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行合乎邏輯的分析和推理.例2 如圖所示，在相距r、帶等量異種電荷的兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線中點(diǎn)放一半徑為R的金屬球，求球上感應(yīng)電荷在球心O處的場(chǎng)強(qiáng)大小和方向.解析 由于處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)合場(chǎng)強(qiáng)為零，即為+Q、-Q和感應(yīng)電荷在球心處的合場(chǎng)強(qiáng)為零，因此只須計(jì)算+Q、-Q在球心處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)：E1k,由O指向-Q

10、；E2k,由O指向-Q.所以感應(yīng)電荷在球心O處的的場(chǎng)強(qiáng)大小為E感E1+E22·KQ/()28KQ/r2，方向?yàn)橛蒓指向+Q.【同步達(dá)綱練習(xí)】1.在電場(chǎng)中的導(dǎo)體處于靜電平衡時(shí)，一定為零的物理量是( )2.如圖所示，帶正電的小球靠近不帶電的金屬導(dǎo)體AB的A端，由于靜電感應(yīng)，導(dǎo)體A端出現(xiàn)負(fù)電荷，B端出現(xiàn)正電荷，關(guān)于導(dǎo)體AB感應(yīng)起電的說(shuō)法正確的是( )A.用手接觸一下導(dǎo)體的A端，導(dǎo)體將正帶電荷B.用手接觸一下導(dǎo)體AB的正中部位，導(dǎo)體仍不帶電C.用手接觸一下導(dǎo)體AB的任何部位，導(dǎo)體將帶負(fù)電D.用手接觸一下導(dǎo)體AB后，只要帶正電小球不移走，AB不可能帶電3.如圖所示，A、B是兩個(gè)大小不等，都在上

11、端有開(kāi)口的金屬球殼，帶有絕緣支架，其中A帶正電，B不帶電，C是帶有絕緣柄的小球.現(xiàn)用C從A上取電荷，并且要求C上電荷全部傳給B，方法應(yīng)是( )A.C與A外壁接觸后，再與B外壁接觸B.C與A外壁接觸后，再與B內(nèi)壁接觸C.C與A內(nèi)壁接觸后，再與B內(nèi)壁接觸D.C與A內(nèi)壁接觸后，再與B外壁接觸4.如圖，將懸在細(xì)線上的帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球C內(nèi)(不和球壁接觸)，另有一個(gè)懸掛在細(xì)線上的帶負(fù)電的小球B向C靠近，如圖所示，于是( )A.A往左偏離豎直方向，B往右偏離豎直方向B.A的位置不變，B往右偏離豎直方向C.A往左偏離豎直方向，B的位置不變5.將一帶電棒慢慢靠近一帶負(fù)電的驗(yàn)電器時(shí)，看到驗(yàn)電器

12、金箔的張角增大，則棒上電荷的電性為 .6.如圖接地金屬球A的半徑為R，球外點(diǎn)電荷的電量為Q，它到球心的距離為r，該點(diǎn)電荷的電場(chǎng)在球心的場(chǎng)強(qiáng)E .該金屬球上感應(yīng)電荷在球心點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)E .【素質(zhì)優(yōu)化訓(xùn)練】1.如圖所示，兩個(gè)相同的空心金屬球M和N，M帶-Q電荷，N不帶電，旁邊各放一個(gè)不帶電的金屬球P和R(M、N相距很遠(yuǎn)，互不影響)，當(dāng)將帶正電Q的小球分別放入M和N的空腔時(shí)( )A.P、R上均出現(xiàn)感應(yīng)電荷B.P、R上均沒(méi)有感應(yīng)電荷C.P上有，而R上沒(méi)有感應(yīng)電荷D.P上沒(méi)有，而R上有感應(yīng)電荷2.如圖所示.在真空中把一絕緣導(dǎo)體向帶電(負(fù)電)的小球P緩慢地靠近(不相碰).下列說(shuō)法中正確的是( )3.如圖所

13、示，A、B為帶異種電荷的小球，將兩不帶電的導(dǎo)電棒C、D放在兩球之間，當(dāng)用導(dǎo)線將C左端x和D棒右端y連接起來(lái)的瞬間，導(dǎo)線中的電流方向是 .4.如圖所示，A、B兩點(diǎn)間相距，在A點(diǎn)放一個(gè)帶電量為qA×10-8C的正電荷，在B點(diǎn)放一個(gè)帶電量qB×10-8C的金屬球，球心O到A點(diǎn)和B點(diǎn)的距離都是，則金屬球上感應(yīng)電荷在球心處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)大小為 ×10-9 Nm2/C2)5.如圖所示，在孤立點(diǎn)電荷+Q的電場(chǎng)中，金屬圓板A處于靜電平衡狀態(tài)，若A與+Q在同一平面內(nèi)，試在圓板A內(nèi)畫(huà)出由于板上感應(yīng)電荷形成的附加電場(chǎng)的三條電場(chǎng)線.6.帶電量為Q的正點(diǎn)電荷距一很大的接地金屬板的間距為a，如圖所示，試求金屬板對(duì)點(diǎn)電荷作用力.【生活實(shí)際運(yùn)用】“卡拉OK”設(shè)備中的有線