第七章 静电场中的导体和电介质一、选择题1. (★★)一个不带电的空腔导体球壳,内半径为R 。
在腔内离球心的距离为a 处(a <R )放一点电荷+q ,如图1所示。
用导线把球壳接地后,再把地线撤去。
选无穷远处为电势零点,则球心O 处的电势为(A )q 2πε0a ⁄ (B )0(C )−q 4πε0R ⁄ (D )q 4πε0⁄∙(1a ⁄−1R ⁄)答案:D分析:由静电平衡的知识可知:①当空腔导体内放入点电荷+q 时,空腔导体的内表面会带上等量异号的电荷−q ,由电荷守恒可知不带电的空腔导体的外表面带有的+q 电荷;②当球壳接地后,球壳电势变为零,故球壳外表面电量变为零。
因此接地后去掉地线,该体系的电荷分布如图所示,球壳内表面带有−q 的电量,外表面不带电。
由电势叠加原理可得球心O 处的电势为V O =q 4πε0a +∫dq 4πε0R 内=q 4πε0a +14πε0R ∫dq 内=q 4πε0(1a −1R ) 故选项D 正确。
注:式中∫dq 内=−q 为内表面的电量之和。
【补充】带电量为Q 半径为R 的球面(电荷分布无论均匀或不均匀)在球心处产生的电势为V =Q 4πε0R ⁄。
2. 三块互相平行的导体板之间的距离d 1和d 2比板间面积线度小得多,如果d 2=2d 1,外面二板用导线连接,中间板上带电。
设左右两面上电荷面密度分别为σ1和σ2,如图2所示,则σ1σ2⁄为(A )1 (B )2 (C )3 (D )4答案:B分析:【知识点】达到静电平衡的导体:①内部电场强度为E =0,表面附近电场强度垂直于导体表面,大小为E =σε0⁄,其中σ为导体表面电荷面密度;②导体是一个等势体,导体表面为等势面;③导体内部处处无净电荷,即电荷只分布在导体的表面上,电荷面密度与导体表面的曲率有关,曲率越大(越尖)电荷面密度越大。
由静电平衡的知识点①可知,中间导体板左侧电场强度为σ1ε0⁄,右侧为σ2ε0⁄;由静电平衡的知识点②可知,用导线连接起来的左右两个导体板等势,即中间导体板与左右两导体板的电势差U 相同,由U =Ed 可得σ1ε0⁄∙d 1=σ2ε0⁄∙d 2,故σ1σ2⁄=d 2d 1⁄=2,故选项B 正确。
3. 一均匀带电球体如图3所示,总电荷为+Q ,其外部同心地罩一内、外半径分别为r 1、r 2的金属球壳。
设无穷远处为电势零点,则在球壳内半径为r 的P 点处的电场强度和电势分别为(A )Q 4πε0r 2⁄,0 (B )0,Q 4πε0r 2⁄(C )0,Q 4πε0r ⁄ (D )0,0答案:B分析:由静电平衡可得球壳内表面带电量为−Q ,外表面带电量为+Q 。
由选择题2的知识点可知P 点电场强度为0;由《真空中的静电场》选择题5的知识点以及电势叠加原理可得V P =Q 4πε0r +−Q 4πε0r +Q 4πε0r 2=Q 4πε0r 2即选项B 正确。
4. 带电导体达到静电平衡时,其正确结论是(A )导体表面上曲率半径小处电荷密度较小(B )表面曲率较小处电势较高(C )导体内部任一点电势都为零 (D )导体内任一点与其表面上任一点的电势差都等于零答案:D分析:由选择题2的知识点可知,导体表面曲率半径小(即曲率大)处电荷面密度大,故A 选项错误;导体是一个等势体,故B 选项错误、D 选项正确;导体电势的大小受到很多因素的影响,C 选项错误(反例:选择题3导体球壳的电势并不为零)。
5. 两个同心薄金属球壳,半径分别为R 1和R 2(R 2>R 1),若内球壳带上电荷Q ,则两者的电势分别为V 1=Q 4πε0R 1⁄和V 2=Q 4πε0R 2⁄(选无穷远处为电势零点)。
现用导线将两球壳相连接,则它们的电势为(A )V 1 (B )(V 1+V 2)2⁄ (C )V 1+V 2 (D )V 2答案:D分析:该题类似于选择题3,由两球壳的电势可知,外球壳内表面带电量−Q ,外表面带电量为+Q 。
因此用导线将两球壳相连接时,由静电平衡可知,电荷只能分布在导体的外表面,由电荷守恒可知外表面带电为+Q ;由球面电荷的电势公式(见《真空中的静电场》选择题5的知识点)可得该导体的电势为Q 4πε0R 2⁄,即V 2。
6. (☆)当平行板电容器充电后,去掉电源,在两极板间充满电介质,其正确的结果是(A )极板上自由电荷减小 (B )两极板间电势差变大 (C )两极板间电场强度变小 (D )两极板间电场强度不变答案:C分析:【知识点】电容器常用公式:①C =Q/U ,其中C 为电容,当电容器两极板距离变大时C 变小,当电容器两极板插入电介质时C 变大;Q 为电容器极板上所带的电量,当两极板之间无连接时,Q 保持不变;U 为电容器两极板的电压,当电容器两极板与电源保持连接时,两极板之间的电压保持不变。
②U =Ed ,其中E 为两极板间的电场强度,d 表示两极板的距离。
③如果两极板间为真空(无电介质),则两极板间的电场E =Q ε0S ⁄。
④电容器所储存的静电场能量为W =UQ/2。
因此,当平行板电容器充电后去掉电源(两极板无连接),由知识①可知,极板上的电量(自由电荷)Q 不变,A 选项错误;在两极板间插入介质后,电容器电容C变大,因此两极板间的电势差U=Q/C变小,B选项错误;由知识点②可知,d不变,U变小,故E变小,C选项正确、D选项错误。
7. (×)一个大平行板电容器水平放置,两极板间的一半空间充有各向同性均匀电介质,另一半为空气,如图4所示。
当两极板带上恒定的等量异号电荷时,其正确的结果是(A)极板左半边电荷面密度大(B)左半边电介质内电场强度大(C)极板右半边电荷面密度大(D)左半边电介质内电场强度小答案:A分析:由于导体是等势体,故左半边两极板间的电势差和右半边两极板间的电势差U相同,由公式U=Ed可知左、右两边的电场强度大小E相同,故B、D选项错误;由电位移公式D=εE=σ可知极板左半边的电荷面密度σ大(因为左半边电容率大于右半边),故A正确。
8. (☆)一个平行板电容器,充电后断开电源,使电容器两极板间距离变小,则两极板间的电势差U12、电场强度的大小E、电场能量W将发生(A)U12减小,E减小,W减小(B)U12增大,E增大,W增大(C)U12增大,E不变,W增大(D)U12减小,E不变,W减小答案:D分析:由选择题6的知识点①可知断开电源后两极板上的带电量Q不变,距离变小后电容C⁄减小,A、D选项错误;由选择题6的知识点③可知两极板间的变大,故电势差U12=Q C⁄减小,D选项正确。
电场强度E不变,故B选项错误;静电场能量W=QU1229. (☆)两空气电容器C1和C2串联起来接上电源充电。
充满电后将电源断开,再把一电介质板插入C1中,如图5所示,则(A)C1上电荷增加,C2上电荷减小(B)C1上电荷增加,C2上电荷增加(C)C1上电荷增加,C2上电荷增加(D)C1上电荷不变,C2上电荷不变答案:D分析:由选择题6的知识点①可知断开电源后,两电容器的两极板上的带电量Q不变。
故D选项正确。
10. C1和C2两空气电容器并联以后连接电源充电。
在电源保持连接的情况下,在C1中插入一电介质板,如图6所示,则(A)C1极板上电荷不变,C2极板上电荷减小(B)C1极板上电荷不变,C2极板上电荷增大(C)C1极板上电荷增大,C2极板上电荷不变(D )C 1极板上电荷减小,C 2极板上电荷不变答案:C分析:由选择题6的知识点①可知电源始终连接的情况下,两并联电容器的两极板间的电压U 保持不变,电容器C 1插入电介质后,电容变大,故极板上电荷增加;电容器C 2电容保持不变,故极板上的电荷保持不变。
因此C 选项正确。
11. 有两只电容器,C 1=8 μF ,C 2=2 μF ,分别把它们充电到2000 V ,然后将它们反接(如图7所示),此时C1两极板间的电势差为(A )600 V(B )200 V(C )0 V (D )1200 V答案:D分析:由C =Q/U 可得两电容器极板上储存的电量分别为Q 1=C 1U 0、Q 2=C 2U 0;当两电容器反接时,由电荷守恒可得反接后极板上所带的总电量为Q =|Q 1−Q 2|=(C 1−C 2)U 0,设反接后两电容器极板间的电势差为U ,则C 1U +C 2U =(C 1−C 2)U 0→U =1200 V 。
即选项D 正确。
二、填空题1. (☆)如图8所示,两块很大的导体平板平行放置,面积都是S ,有一定厚度,带电荷分别为Q 1和Q 2。
如不计边缘效应,则A 、B 、C 、D 四个表面的电荷面密度分别为σA =_____、σB =_____、σC =_____、σD =_____。
答案: (Q 1+Q 2)2S ⁄;(Q 1−Q 2)2S ⁄;(Q 2−Q 1)2S ⁄;(Q 1+Q 2)2S ⁄分析:由静电平衡知识(参考选择题2)可知A 表面左侧的电场强度为E 1=σA ε0⁄;由无限大平面板的电场和电场叠加原理(参考《真空中的静电场》选择题1)可得A 表面左侧的电场强度为E 1=σA 2ε0⁄+σB 2ε0⁄+σC 2ε0⁄+σD 2ε0=(Q 1+Q 2)2ε0S ⁄⁄;联立可得σA ε0⁄=(Q 1+Q 2)2ε0S ⁄→σA =(Q 1+Q 2)2S ⁄。
由电荷守恒可得σB =(Q 1−Q A )/S ,代入可得σB =(Q 1−Q 2)2S ⁄。
由静电平衡可得σC =−σB =(Q 2−Q 1)2S ⁄,由电荷守恒可得σD =(Q 1+Q 2)2S ⁄。
2. 一金属球壳的内、外半径分别为R 1和R 2,带电荷为Q 。
在球心处有一电荷为q 的点电荷,则球壳外表面上的电荷面密度σ=_____。
答案:(q +Q )4πR 22⁄分析:参考选择题1可知金属球壳达到静电平衡时内表面带−q 电量,外表面带+q +Q 电量;参考选择题4知金属球壳外表面的电荷均匀的分布在外表面上(因为处处曲率相同),故表面上的电荷面密度为σ=(q +Q )4πR 22⁄。
3. 如果地球表面附近的电场强度为200 N/C 。
把地球看做半径为6.4×106 m 的导体球,则⁄N`m2/C2)地球表面的电荷Q=_____。
(14πε0=9×109答案:9.1×105C⁄)/ε0,即Q=4πε0R2E=9.1×105C。
分析:参考选择题2,可得E=(Q4πR24. 如图9所示,在静电场中有一立方形均匀导体,边长为a。
已知立方导体中心O处的电势为V0,则立方体顶点A处的电势为______。
答案:V0分析:参考选择题2,由导体是等势体可得A处电势与O处电势相等。