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文檔簡介
7靜電現(xiàn)象的應(yīng)用[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道什么是靜電平衡狀態(tài),能說出靜電平衡產(chǎn)生的條件.2.掌握靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體特點(diǎn).3.了解尖端放電、靜電屏蔽現(xiàn)象及其應(yīng)用.一、靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體[導(dǎo)學(xué)探究]如圖1所示,不帶電的金屬導(dǎo)體放到電場中,導(dǎo)體內(nèi)的自由電子將發(fā)生定向移動(dòng),使導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量異號電荷.請思考下列問題:圖1(1)自由電子定向移動(dòng)的原因是什么?定向移動(dòng)的方向如何?(2)自由電子能否一直定向移動(dòng)?為什么?答案(1)自由電子受外加電場的電場力作用而移動(dòng),向著與電場相反的方向定向移動(dòng).(2)不能.感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場與外加電場反向,阻礙電子的定向移動(dòng),當(dāng)這兩個(gè)電場大小相等時(shí),電子的定向移動(dòng)終止.[知識梳理]1.靜電平衡狀態(tài):導(dǎo)體在電場中發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象時(shí),感應(yīng)電荷的電場與原電場疊加,使導(dǎo)體內(nèi)部電場減弱,直至為零,導(dǎo)體內(nèi)部自由電子不再發(fā)生定向移動(dòng)的狀態(tài).2.處于靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特征(1)內(nèi)部的電場處處為零.(2)外部表面附近任何一點(diǎn)的場強(qiáng)方向必定與這點(diǎn)的表面垂直.(3)整個(gè)導(dǎo)體是個(gè)等勢體,它的表面是個(gè)等勢面.3.靜電平衡時(shí),導(dǎo)體上的電荷分布特點(diǎn):(1)導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷,電荷只分布在導(dǎo)體的表面.(2)在導(dǎo)體外表面,越尖銳的位置電荷的密度(單位面積的電荷量)越大,凹陷的位置幾乎沒有電荷.[即學(xué)即用]判斷下列說法的正誤.(1)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部任意兩點(diǎn)間的電勢差為零.(√)(2)靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)處處為零,導(dǎo)體的電勢也為零.(×)(3)因?yàn)橥怆妶龊退懈袘?yīng)電荷的電場在導(dǎo)體內(nèi)部疊加的合電場為0,所以處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部電場處處為0.(√)(4)靜電平衡時(shí),導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再運(yùn)動(dòng).(×)二、尖端放電靜電屏蔽[導(dǎo)學(xué)探究](1)避雷針是利用尖端放電保護(hù)建筑物的一種設(shè)施,其原理是什么?(2)處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體,其內(nèi)部場強(qiáng)處處為零,若導(dǎo)體是空心的,則空心部分的場強(qiáng)怎樣?靜電屏蔽是怎樣起到屏蔽作用的?答案(1)導(dǎo)體尖端的電荷密度很大,附近的電場很強(qiáng),空氣中殘留的帶電粒子在強(qiáng)電場的作用下發(fā)生劇烈的運(yùn)動(dòng),把空氣中的氣體分子撞“散”,也就是使分子中的正、負(fù)電荷分離.這個(gè)現(xiàn)象叫做空氣的電離.中性的分子電離后變成帶負(fù)電的自由電子和失去電子而帶正電的離子.這些帶電粒子在強(qiáng)電場的作用下加速,撞擊空氣中的分子,使它們進(jìn)一步電離,產(chǎn)生更多的帶電粒子.那些所帶電荷與導(dǎo)體尖端的電荷符號相反的粒子,由于被吸引而奔向尖端,與尖端上的電荷中和,這相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷.(2)空心部分場強(qiáng)為零.靜電屏蔽是利用“處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)處處為零”,即使內(nèi)部有自由電子,受到的電場力也為0,自由電子不發(fā)生定向移動(dòng).[知識梳理]1.空氣的電離:導(dǎo)體尖端電荷密度很大,附近的電場很強(qiáng),空氣中殘留的帶電粒子在強(qiáng)電場的作用下發(fā)生劇烈的運(yùn)動(dòng)把空氣中的氣體分子撞“散”,也就是使分子中的正負(fù)電荷分離的現(xiàn)象.2.尖端放電:所帶電荷與導(dǎo)體尖端的電荷符號相反的粒子,由于被吸引而奔向尖端,與尖端上的電荷中和,相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷的現(xiàn)象.3.靜電屏蔽:金屬殼或金屬網(wǎng)的空腔內(nèi)不受外界電場的影響,殼(網(wǎng))內(nèi)電場強(qiáng)度保持為0,外電場對殼(網(wǎng))內(nèi)的儀器不會產(chǎn)生影響,金屬殼(網(wǎng))的這種作用叫做靜電屏蔽.4.尖端放電和靜電屏蔽的應(yīng)用、防止:(1)尖端放電:①應(yīng)用:避雷針是利用尖端放電避免雷擊的一種設(shè)施.②防止:高壓設(shè)備中導(dǎo)體的表面盡量光滑會減少電能的損失.(2)靜電屏蔽的應(yīng)用:電學(xué)儀器外面有金屬殼、野外高壓線上方還有兩條導(dǎo)線與大地相連.[即學(xué)即用]判斷下列說法的正誤.(1)避雷針能避免建筑物被雷擊是因?yàn)樵茖又袔У碾姾杀槐芾揍樛ㄟ^導(dǎo)線導(dǎo)入大地.(×)(2)用金屬網(wǎng)把驗(yàn)電器罩起來,再使帶電金屬球靠近驗(yàn)電器,則驗(yàn)電器箔片能張開.(×)(3)飛機(jī)輪上裝有拖地線,油罐車后面拖條鐵鏈都是把靜電導(dǎo)入大地.(√)(4)電工穿的高壓作業(yè)服是用銅絲編織的,目的是銅絲衣服有屏蔽作用,使體內(nèi)場強(qiáng)為零.(√)一、靜電平衡的理解及應(yīng)用1.處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零的本質(zhì)是外電場E0和感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場E′的合場強(qiáng)為0,即E0=-E′.2.孤立的帶電導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài),內(nèi)部場強(qiáng)為0的本質(zhì)是分布在導(dǎo)體外表面的電荷在導(dǎo)體內(nèi)部的合場強(qiáng)為0.3.處于靜電平衡的導(dǎo)體是等勢體,表面是等勢面,所以導(dǎo)體表面的電場線應(yīng)與導(dǎo)體表面垂直.例1長為l的導(dǎo)體棒原來不帶電,現(xiàn)將一帶電荷量為+q的點(diǎn)電荷放在距棒左端R處,如圖2所示.當(dāng)棒達(dá)到靜電平衡后,棒上的感應(yīng)電荷在棒內(nèi)中點(diǎn)P處產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小等于________,方向?yàn)開_______.圖2答案eq\f(kq,R+\f(l,2)2)向左解析導(dǎo)體棒在點(diǎn)電荷+q的電場中發(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,即外電場:+q在該點(diǎn)形成的電場E0;附加電場:棒上感應(yīng)電荷在該點(diǎn)形成的電場E′,達(dá)到靜電平衡狀態(tài)時(shí)E′=E0.題中所求的即為E′,于是我們通過上述等式轉(zhuǎn)化為求E0.于是E′=E0=eq\f(kq,R+\f(l,2)2).E′和E0方向相反,即方向向左.針對訓(xùn)練1(多選)如圖3所示,帶負(fù)電的點(diǎn)電荷旁有一接地大金屬板,A為金屬板內(nèi)的一點(diǎn),B為金屬板左側(cè)外表面上的一點(diǎn),下列關(guān)于金屬板上感應(yīng)電荷在A點(diǎn)和B點(diǎn)的場強(qiáng)方向判斷正確的是()圖3A.感應(yīng)電荷在A點(diǎn)的場強(qiáng)沿E1方向B.感應(yīng)電荷在A點(diǎn)的場強(qiáng)沿E2方向C.感應(yīng)電荷在B點(diǎn)的場強(qiáng)可能沿E3方向D.感應(yīng)電荷在B點(diǎn)的場強(qiáng)可能沿E4方向答案BC解析金屬板內(nèi)的電場強(qiáng)度處處為0,則感應(yīng)電荷的電場與點(diǎn)電荷的電場等大反向,即感應(yīng)電荷在A點(diǎn)的場強(qiáng)沿E2方向,選項(xiàng)B正確;金屬板表面的電場強(qiáng)度垂直表面向外,即為感應(yīng)電荷的電場與點(diǎn)電荷的電場的合場強(qiáng),則感應(yīng)電荷在B點(diǎn)的場強(qiáng)可能沿E3方向,選項(xiàng)C正確.二、靜電平衡導(dǎo)體的電荷分布1.凈電荷只分布在導(dǎo)體表面,內(nèi)部沒有凈電荷.2.感應(yīng)電荷分布于導(dǎo)體兩端,電性相反,電量相等,近異遠(yuǎn)同,如圖4甲所示.3.凈電荷在導(dǎo)體表面的分布不均勻,一般越是尖銳的地方電荷的分布越密集,如圖乙所示.甲乙圖4例2如圖5所示,把一個(gè)帶正電的小球放入原來不帶電的金屬空腔球殼內(nèi)并接觸,其結(jié)果可能是()圖5A.只有球殼外表面帶正電B.球殼的內(nèi)表面帶負(fù)電,外表面帶正電C.球殼的內(nèi)、外表面都帶正電D.球殼的內(nèi)表面帶正電,外表面帶負(fù)電答案A解析小球與球殼接觸構(gòu)成一個(gè)新導(dǎo)體,它的電荷量都分布在新導(dǎo)體的外表面,即只有球殼外表面帶正電,A對,B、C、D錯(cuò).針對訓(xùn)練2(多選)如圖6所示,在絕緣板上放有一個(gè)不帶電的金箔驗(yàn)電器A和一個(gè)帶正電荷的空腔導(dǎo)體B.下列實(shí)驗(yàn)方法中能使驗(yàn)電器箔片張開的是()圖6A.用取電棒C(帶絕緣柄的導(dǎo)體棒)先跟B的內(nèi)壁接觸一下后再跟A接觸B.用取電棒C先跟B的外壁接觸一下后再跟A接觸C.用絕緣導(dǎo)線把驗(yàn)電器A跟取電棒C的導(dǎo)體部分相連,再把取電棒C與B的內(nèi)壁接觸D.使驗(yàn)電器A靠近B答案BCD解析A項(xiàng)中取電棒先和B的內(nèi)壁接觸后,由于B的內(nèi)壁本身沒有電荷,所以再接觸A時(shí)驗(yàn)電器箔片不張開;B項(xiàng)中可以使取電棒帶電,從而使A帶電;C項(xiàng)中用絕緣導(dǎo)線實(shí)際上是將驗(yàn)電器A和B連成了一個(gè)導(dǎo)體,A因接觸而帶電;D項(xiàng)中是感應(yīng)起電.所以B、C、D項(xiàng)正確.三、靜電屏蔽的理解及應(yīng)用例3如圖7所示,把原來不帶電的金屬殼B的外表面接地,將一帶正電的小球A從小孔中放入球殼內(nèi),但不與B發(fā)生接觸,達(dá)到靜電平衡狀態(tài)后,則()圖7A.B的空腔內(nèi)電場強(qiáng)度為零B.B不帶電C.B的外表面帶正電D.B的內(nèi)表面帶負(fù)電答案D解析因?yàn)榻饘贇さ耐獗砻娼拥?,所以外表面無感應(yīng)電荷,只有內(nèi)表面有感應(yīng)電荷分布,且由于A帶正電,則B的內(nèi)表面帶負(fù)電,D對,B、C錯(cuò);B的空腔內(nèi)有帶正電的小球A產(chǎn)生的電場和金屬殼內(nèi)表面感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場,由電場疊加知,電場線的方向由A指向B,所以空腔內(nèi)電場強(qiáng)度不為零,A錯(cuò).靜電屏蔽的兩種情況屏蔽外電場屏蔽內(nèi)電場圖示實(shí)現(xiàn)過程因場源電荷產(chǎn)生的電場與導(dǎo)體球殼表面上感應(yīng)電荷在空腔內(nèi)的合場強(qiáng)為零,達(dá)到靜電平衡狀態(tài),起到屏蔽外電場的作用當(dāng)空腔外部接地時(shí),外表面的感應(yīng)電荷因接地將傳給地球,外部電場消失,起到屏蔽內(nèi)電場的作用最終結(jié)論導(dǎo)體內(nèi)空腔不受外界電荷影響接地導(dǎo)體空腔外部不受內(nèi)部電荷影響本質(zhì)靜電感應(yīng)與靜電平衡針對訓(xùn)練3(多選)如圖8所示,將懸在絕緣細(xì)線上帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球殼B內(nèi)(與內(nèi)壁不接觸).外加一個(gè)水平向右的場強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場,對于最后的結(jié)果,下列判斷正確的是()圖8A.B的右端帶正電,A向左偏B.B的右端帶正電,A不偏左也不偏右C.B的左端帶正電,A向右偏D.B的左端帶負(fù)電,A不偏左也不偏右答案BD解析導(dǎo)體空腔處于外電場中時(shí),由于靜電感應(yīng)的作用,導(dǎo)體球殼的左端將感應(yīng)出負(fù)電荷,右端將感應(yīng)出正電荷,而導(dǎo)體空腔內(nèi)部完全不受外加電場的影響,故A不會偏轉(zhuǎn),故A、C錯(cuò)誤,B、D正確.故選B、D.1.請用學(xué)過的電學(xué)知識判斷下列說法正確的是()A.電工穿絕緣衣比穿金屬衣安全B.制作汽油桶的材料用金屬比用塑料好C.小鳥停在單根高壓輸電線上會被電死D.打雷時(shí),待在汽車?yán)锉却谀疚堇镆kU(xiǎn)答案B解析電工穿絕緣衣容易產(chǎn)生大量的靜電,反而比較危險(xiǎn),選項(xiàng)A錯(cuò)誤.塑料油桶會因摩擦而帶電,因?yàn)樗芰鲜墙^緣材料,不能把電導(dǎo)走,所以塑料油桶內(nèi)易產(chǎn)生火花導(dǎo)致塑料油桶爆炸,選項(xiàng)B正確.小鳥停在單根高壓輸電線上時(shí),加在小鳥兩腿間的電壓非常小,小鳥不會被電死,選項(xiàng)C錯(cuò)誤.打雷時(shí),待在汽車?yán)铮嚨慕饘偻鈿て鸬届o電屏蔽的作用,而木屋沒有靜電屏蔽作用,所以待在汽車?yán)锉却谀疚堇镆踩x項(xiàng)D錯(cuò)誤.故選B.2.如圖9所示,在一電場強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場中放一金屬空心導(dǎo)體,圖中a、b分別為金屬導(dǎo)體內(nèi)部與空腔中的兩點(diǎn),則()圖9A.a、b兩點(diǎn)的電場強(qiáng)度都為零B.a點(diǎn)電場強(qiáng)度為零,b點(diǎn)不為零C.a點(diǎn)電場強(qiáng)度不為零,b點(diǎn)為零D.a、b兩點(diǎn)電場強(qiáng)度均不為零答案A3.(多選)如圖10所示,B是帶有絕緣支架的空腔帶電金屬球殼,A是驗(yàn)電器,A、B相距較遠(yuǎn),導(dǎo)線C的一端接驗(yàn)電器的金屬球,下列現(xiàn)象正確的是()圖10A.將C的另一端與B的外殼接觸,驗(yàn)電器的金屬箔張開B.將C的另一端與B的內(nèi)表面接觸,驗(yàn)電器的金屬箔張開C.將C的另一端與B的外殼接觸,驗(yàn)電器的金屬箔不張開D.將C的另一端與B的內(nèi)表面接觸,驗(yàn)電器的金屬箔不張開答案AB4.如圖11所示,點(diǎn)電荷A和B帶電荷量分別為3.0×10-8C和-2.4×10-8C,彼此相距6cm.若在兩點(diǎn)電荷連線中點(diǎn)O處放一個(gè)半徑為1cm的金屬球殼,求球殼上感應(yīng)電荷在O點(diǎn)處產(chǎn)生的電場強(qiáng)度.(靜電力常量k=9×109N·m2/C2)圖11答案5.4×105N/C,方向由O指向A解析+q1在O點(diǎn)的場強(qiáng)大小為E1=keq\f(q1,\f(d,2)2)=3×105N/C,方向由O指向B;-q2在O點(diǎn)的場強(qiáng)大小為E2=keq\f(q2,\f(d,2)2)=2.4×105N/C,方向由O指向B;設(shè)感應(yīng)電荷在O點(diǎn)處產(chǎn)生的場強(qiáng)為E3,由靜電平衡條件知E3=E1+E2=5.4×105N/C,方向由O指向A.一、選擇題(1~7題為單選題,8~10題為多選題)1.當(dāng)導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡時(shí),場強(qiáng)方向的特征是()A.外電場E0消失B.感應(yīng)電荷產(chǎn)生的附加電場E′為零C.導(dǎo)體內(nèi)部的合電場E為零D.導(dǎo)體表面和內(nèi)部的合電場均為零答案C解析靜電平衡的導(dǎo)體感應(yīng)場強(qiáng)與原場強(qiáng)大小相等、方向相反,合電場為零.2.在點(diǎn)電荷-Q的電場中,一金屬圓盤處于靜電平衡狀態(tài),若圓平面與點(diǎn)電荷在同一平面內(nèi),則盤上感應(yīng)電荷在盤中A點(diǎn)所激發(fā)的附加場強(qiáng)E′的方向在下圖中正確的是()答案A解析感應(yīng)電荷在盤中A點(diǎn)激發(fā)的附加場強(qiáng)E′應(yīng)與-Q在A點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)等大反向,故A正確.3.如圖1所示,帶電體Q靠近一個(gè)接地空腔正方體導(dǎo)體,空腔里面無電荷,達(dá)到靜電平衡后,下列物理量中不等于零的是()圖1A.導(dǎo)體空腔內(nèi)任意點(diǎn)的場強(qiáng)B.導(dǎo)體空腔內(nèi)任意點(diǎn)的電勢C.導(dǎo)體外表面的電荷量D.導(dǎo)體空腔內(nèi)表面的電荷量答案C解析靜電平衡后導(dǎo)體空腔內(nèi)任意點(diǎn)的場強(qiáng)為0;電荷分布在導(dǎo)體外表面,空腔內(nèi)表面的電荷量為0;導(dǎo)體為等勢體,接地后電勢為0.4.如圖2所示為一空腔球形導(dǎo)體(不帶電),現(xiàn)在將一個(gè)帶正電的小金屬球A放入空腔中,當(dāng)靜電平衡時(shí),圖中a、b、c三點(diǎn)的場強(qiáng)E和電勢φ的關(guān)系是()圖2A.Ea>Eb>Ec,φa>φb>φcB.Ea=Eb>Ec,φa=φb>φcC.Ea=Eb=Ec,φa=φb=φcD.Ea>Ec>Eb,φa>φb>φc答案D解析畫出空腔導(dǎo)體內(nèi)外的電場線分布如圖所示,可以看出Eb=0,但φb>0,由內(nèi)向外,電勢依次降低,φa>φb>φc;由電場線疏密可看出Ea>Ec>Eb.5.如圖3所示,驗(yàn)電器A不帶電,驗(yàn)電器B的上面安裝有幾乎封閉的金屬筒C,并且B的金屬箔片是張開的,現(xiàn)手持一個(gè)帶絕緣棒的金屬小球D,使D接觸C的內(nèi)壁,再移出與A的金屬小球接觸,無論操作多少次,都不能使A帶電,這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了()圖3A.C是不帶電的B.C的內(nèi)部是帶電的C.C的內(nèi)部電勢為零D.C的內(nèi)部場強(qiáng)為零答案D6.如圖4所示,A為空心金屬球,B為金屬球,A、B原來不帶電,將另一帶正電荷的小球C從A球開口處放入A球中央,不接觸A球,然后用手接觸一下A球,再用手接觸一下B球,再移走C球,則()圖4A.A球帶負(fù)電荷,B球帶正電荷B.A球帶負(fù)電荷,B球不帶電C.A、B兩球都帶負(fù)電荷D.A、B兩球都帶正電荷答案B解析首先帶正電荷的小球C從A球開口處放入A球中央.根據(jù)靜電感應(yīng)現(xiàn)象可知,A球內(nèi)表面帶負(fù)電荷,外表面帶正電荷.用手接觸A相當(dāng)于把A接地,由大地傳導(dǎo)過來的電子與A球外表面正電荷中和,使A球外表面不帶電,A球外表面電勢為零,此時(shí)A球?qū)ν馄痨o電屏蔽作用,A球內(nèi)的電場不影響外部.用手接觸B時(shí),無電荷移動(dòng),B球不帶電.當(dāng)帶正電荷的C球從A球內(nèi)移走后,A球內(nèi)表面所帶的負(fù)電荷移至外表面,所以此時(shí)A球帶負(fù)電荷.由上述可知,選項(xiàng)B正確.7.一帶有絕緣底座的空心金屬球殼A帶有4×10-8C的正電荷,有絕緣柄的金屬小球B帶有2×10-8C的負(fù)電荷,使B球與球殼A內(nèi)壁接觸,如圖5所示,則A、B帶電荷量分別為()圖5A.QA=1×10-8C,QB=1×10-8CB.QA=2×10-8C,QB=0C.QA=0,QB=2×10-8CD.QA=4×10-8C,QB=-2×10-8C答案B解析B與A接觸后,靜電荷全部跑到外表面,內(nèi)壁電荷量為零,故B帶電荷量為零,A帶電荷量為正、負(fù)電荷電荷量之和,即QA=2.0×10-8C.8.如圖6所示,原來不帶電的金屬球殼內(nèi)壁接地,將一帶正電的小球放入其中,但不與球殼接觸,則()圖6A.球殼內(nèi)壁帶負(fù)電B.球殼外壁帶正電C.球殼外壁不帶電D.若將接地線去掉再移去正電荷,球殼外壁帶負(fù)電答案ACD解析球殼內(nèi)正電荷產(chǎn)生電場,使球殼處于靜電平衡狀態(tài),在球殼的內(nèi)表面出現(xiàn)等量異種電荷,球殼的外表面出現(xiàn)等量同種電荷,當(dāng)球殼接地時(shí),不論內(nèi)表面接地還是外表面接地,待穩(wěn)定后球殼的電勢必定為零.球殼的外表面無感應(yīng)電荷,球殼外也沒有靜電場,這就是接地導(dǎo)體殼的靜電屏蔽作用,故A、C選項(xiàng)正確.若將接地線去掉再移去球殼內(nèi)正電荷時(shí),球殼內(nèi)表面的負(fù)電荷就會分布到球殼的外表面上,內(nèi)壁不再帶電.故D選項(xiàng)正確.9.如圖7所示,一導(dǎo)體AB在點(diǎn)電荷Q的電場中發(fā)生靜電感應(yīng),下列說法正確的是()圖7A.導(dǎo)體中M、N兩點(diǎn)的電場強(qiáng)度相等B.感應(yīng)電荷在M點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)大于感應(yīng)電荷在N點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)C.如果在AB間用一導(dǎo)線連接,則導(dǎo)線中將有電流產(chǎn)生D.N點(diǎn)的電勢
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