電場線在討論導(dǎo)體靜電平衡有關(guān)問題中的應(yīng)用

1、    電場線在討論導(dǎo)體靜電平衡有關(guān)問題中的應(yīng)用    何幫玉【摘要】導(dǎo)體的靜電平衡既抽象又難理解，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)感覺很困難。解題時(shí)找不到方向，無從下手。本文是筆者長期教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的積累，以電場線為工具，變抽象為直觀，幫助學(xué)生解決導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)下的有關(guān)問題。【關(guān)鍵詞】靜電平衡  電場線  電勢高低g633.7 a 2095-3089（2016）35-0136-02對于高中生來說，分析有關(guān)靜電場中的導(dǎo)體平衡問題比較困難。由于靜電場中的導(dǎo)體，一般來說是比較復(fù)雜的，而且又很抽象。有什么好的方法幫助學(xué)生解決有關(guān)靜電平衡的問題。大家知道，電場線形

2、象地反映了靜電場的性質(zhì)，由此我們可以導(dǎo)體靜電平衡的性質(zhì)為基礎(chǔ)，以電場線為工具，構(gòu)成定性討論導(dǎo)體靜電平衡問題的主要方法。這種方法思路清楚，邏輯性強(qiáng)，直觀形象，對中學(xué)物理教學(xué)有幫助。電場線的主要性質(zhì)：（1）電場線起于正電荷（或無窮遠(yuǎn)處），止于負(fù)電荷（或無窮遠(yuǎn)處），在沒有電荷的地方不會(huì)中斷;（2）沿著電場線方向，電勢降低。導(dǎo)體靜電平衡時(shí)性質(zhì)：（1）導(dǎo)體是等勢體，表面是等勢面;（2）導(dǎo)體內(nèi)部無靜電荷，電荷只分布在導(dǎo)體表面上。以下討論均以無窮遠(yuǎn)處為零電勢。一、關(guān)于導(dǎo)體電勢問題1.中性孤立導(dǎo)體電勢等于零，表面處處無靜電荷。反證法：假設(shè)中性導(dǎo)體的電勢>0，則導(dǎo)體某處必有電場線發(fā)處而止于無窮遠(yuǎn)，因此該處

3、必有正電荷。而導(dǎo)體為中性，那么導(dǎo)體表面另處必有等量的負(fù)電荷，終止的電場線只能來自無窮遠(yuǎn)，故有<0，結(jié)果與假設(shè)相矛盾。若假設(shè)<0，同樣會(huì)導(dǎo)致矛盾結(jié)果。由此證明，中性孤立導(dǎo)體電勢只能等于零，表面各處不可能有靜電荷。2.中性導(dǎo)體b靠近帶正電的導(dǎo)體a時(shí)，a>b>0。分析如下：當(dāng)導(dǎo)體b靠近導(dǎo)體a，由于靜電感應(yīng)，b的左、右兩端分別感應(yīng)出負(fù)、正感應(yīng)電荷，b右端的正電荷發(fā)出的電場線只能終止無窮遠(yuǎn)，b左端負(fù)電荷終止的電場線只能來自于帶正電荷的導(dǎo)體a發(fā)出的，如圖1所示。順著電場線方向電勢降低，則a>b>0。圖1同理可以分析，中性導(dǎo)體b靠近帶負(fù)電的導(dǎo)體a，a<b<0。

4、【例題分析】例1.如圖2所示，將兩個(gè)不帶電的絕緣導(dǎo)體ab、cd依次放在帶負(fù)電的導(dǎo)體q的附近，達(dá)到靜電平衡狀態(tài)后，下列說法中正確的是（圖中帶箭頭的曲線為電場線）（     ）圖2a.用導(dǎo)線連接a、b兩端，連通瞬間有電流通過導(dǎo)線b.用導(dǎo)線連接a、c兩端，連通瞬間沒有電流通過導(dǎo)線c.用導(dǎo)線連接a、d兩端，連通瞬間有a到d方向的電流d.用導(dǎo)線連接a、c兩端，連通瞬間有c到a方向的電流分析：根據(jù)靜電感應(yīng)的性質(zhì)可以知道a、c端感應(yīng)出正電荷，b、d端感應(yīng)出負(fù)電荷，經(jīng)分析畫出如圖3所示的電場線。分析時(shí)可以從d端開始，終止于d端的電場線可以由三處發(fā)出：c端、a端和無窮遠(yuǎn)。終止于d端的電場線不

5、可能來自于c端，這與cd是等勢體（c=d）相矛盾;終止于d端的電場線若來自于a端，那么就有a>d，這與d=c>b=a（因?yàn)橥瑯拥姆椒ǚ治觯K止于b的電場線只能來自于c）相矛盾。所以，終止于d端的電場線只能來自于無窮遠(yuǎn)處。故電勢關(guān)系是q<a=b<c=d<0，用導(dǎo)線連接兩端瞬間，若無電勢差，不會(huì)有電流，若有電勢差，電流方向從高電勢流向低電勢。所以本題正確答案是d。圖3二、關(guān)于導(dǎo)體接地問題1.孤立的帶電導(dǎo)體接地后，電勢為零，表面無靜電荷。接地導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡后與地球構(gòu)成等勢體，地球與無窮遠(yuǎn)同電勢，則導(dǎo)=地=0。對于表面無靜電荷的問題，可以用反證法：假設(shè)導(dǎo)體表面還帶有正電

6、荷，必然發(fā)出電場線終止于無窮遠(yuǎn)，導(dǎo)體電勢高于無窮遠(yuǎn)，即高于地球，這與導(dǎo)體和地球達(dá)到靜電平衡是等勢體相矛盾，所以導(dǎo)體不可能帶正電。同理證明導(dǎo)體不可能帶負(fù)電。2.接地導(dǎo)體附近若只有一個(gè)帶電體，則接地導(dǎo)體表面不可能有與帶電體上同號電荷。反證法：如圖4，設(shè)a帶正電，若接地導(dǎo)體b某處也有正電荷，該正電荷就要發(fā)出電場線，此電場線不可能終止于a，否則就會(huì)得出a>b和b>a相互矛盾的結(jié)果;也不可能終止于b的左端負(fù)電荷，也不可能終止于無窮遠(yuǎn)或地球，否則與b和地球是等勢體相矛盾。由此證明這種電場線是不存在的，接地導(dǎo)體表面不可能有正電荷，這個(gè)結(jié)論與接地線在何處無關(guān)。圖4例2.如圖5所示，原來不帶電的金屬

7、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（     ）a.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，再移出正電荷，球殼外壁帶負(fù)電分析：帶正電的小球發(fā)出的電場線若要終止于無窮遠(yuǎn)，必須穿過球殼，不可能，只能終止于負(fù)電荷，所以無論球殼哪里接地，球殼內(nèi)壁帶負(fù)電，a正確;由于球殼與大地等電勢，球殼外壁不可能帶電，b錯(cuò)誤、c正確;將接地線去掉，再移出正電荷，球殼所帶的負(fù)電荷必有來自于無窮遠(yuǎn)處的電場線，而電場線又不能穿過球殼，所以球殼外壁必帶負(fù)電，d正確。參考文獻(xiàn)：1安徽師范大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院  電磁學(xué)教學(xué)研究  2000（06）2人民教育出版社  物理（選修3-1） 2010年4月第三版 課程教育研究·中2016年12期課程教育研究