电场中的导体.doc

学科：物理

教学内容：电场中的导体

【基础知识精讲】

1.金属导体特征

金属导体由做热振动的正离子和在它们之间做无规则热运动的自由电子组成.

2.静电感应现象

把金属导体放进电场中，导体内部的自由电子受到电场力的作用，将向电场的反方向定向移动，结果会使导体两端分别出现正、负电荷.此现象叫静电感应.若将上述导体的两部分并拢放置，则再分开为两部分时，可使两部分分别带上等量的正、负电荷，即为感应起电.

3.静电平衡状态

导体中(包括表面)没有电荷定向移动的状态.静电平衡是导体中的电荷在外电场的电场力作用下重新分布，从而产生感应电荷，感应电荷在导体中形成的电场抵消外电场的结果.

4.处于静电平衡状态的导体的特性

(1)导体的内部的合场强处处为零；

(2)净电荷只分布在导体的外表面；

(3)电场线与导体表面垂直相接.

(4)整个导体是一个等势体，其表面是一个等势面.

说明：①净电荷是指导体内正、负电荷中和后所剩下的多余电荷.

②第(4)条要到后面的节次再学习.

5.静电屏蔽

静电平衡时导体内部的场强为零.把电学仪器和电子设备的外面套上金属网或金属皮，仪器和设备就会因其所在处的场强为零而不受外电场的影响，这就是静电屏蔽.

【重点难点解析】

重点静电平衡导体的场强和静电荷分布特点.

难点法拉第圆筒实验.

例1 如图，不带电的导体AB左侧有一带正电的小球+Q.现分别将导体的A端、正中部和B端分三次在初始状态相同的情况下，与地短暂接通又断开，之后导体AB的带电及其内( )

部的场强情况是

A.正电

B.负电

C.不带电

D.AB上的感应电荷在其内部M点产生的场强不为零，且方向指向+Q

解析此类问题可用两种方法判断.

方法一：利用电荷间的相互作用力判定.AB处于+Q产生的电场中，由于静电感应，A端感应带负电荷，B端感应带正电荷.此过程可理解为AB中自由电子被+Q所吸引，吸引到离+Q 越近越好，如果此时用导线把AB与地接通，那么被排斥的正电荷(实际上移动的是自由电子)就会移动到AB与地组成的大导体离+Q的远端，断开接地线后，AB就带了负电.可见不管把导体AB的何部位短暂接地后，其都将带+Q的异种电荷.

方法二：用电势高低判定.因无穷远和地电势为零，因此带正电的小球所形成的电场中任一点的电势均大于零.又由于导体AB是一等势体，且高于地的电势，则不管导体上的那一处与地相接，导体中的正电荷都会在电场力的作用下从电势高处流向电势低处，从而使导体带负电.

答案选BD.

说明类似的问题还有，上述过程中用“用手接触一下导体AB”的操作代替“短暂接地又断开”的操作，则可得到同样的结果.

例2 分别判定下列图中A、B、C、D四点电场的有无和方向.

解析因为正电荷附近的导体空壳在静电平衡后右侧带负电，左侧带正电，感应电荷的电场和点电荷在A点的电场相抵消，所以A点场强为零.

对于B点，由于B接地，导体壳平衡后右端带负电，同理，B点场强也为零.

对于C点，有三个电场在此叠加，即点电荷的电场、导体壳内壁负的感应电荷和外壁正的感应电荷产生的电场，其中两类感应电荷的电场正好相互抵消，C处的合场强为点电荷的电场，所以C的场强方向沿球心与C连线指向C.

对于D点，由于导体壳接地，所以与C点情况不同的是少了导体壳外壁正的感应电荷的电场，因此剩下的两个电场相抵消，D点场强为零.

由此例分析可知，空壳导体是否接地，都能“阻挡”外电场的进入；而只有接地的空壳导体才能“阻挡”内部电场的“泄露”.“阻挡”和“泄露”两词都加上引号，目的是强调静电屏蔽现象不是真的阻挡了电场，而是感应电荷的电场和原来的电场相抵消.

【难题巧解点拨】

例1 如图所示，在靠近空心金属筒P处，有一接地金属球M.把带负电的小球Q放入P 内部，能使M带负电的作法是：( )

A.Q不接触P的内壁，而将P短时间接地后再移去Q

B.Q不接触P的内壁

C.Q接触P的内壁

D.Q不接触P的内壁而将P接地

解析若用作用A，根据静电感应的“接地”问题分析，可知移去Q后，P外表面带正电，M带负电，A正确.若用作法B，由静电感应，此时M带正电；若用作法C，此时Q的负

电全部移至P 的外面，同样M 带正电；若用D 作法，此时属“内屏蔽”，M 处合场强为零，M 将不带电.

答案 A 正确.

说明 本题考查了对接触起电，感应起电，静电屏蔽等知识的掌握情况，解题的关键是利用上述知识进行综合分析.

例2 长为l 的导体棒原来不带电，现将一带电量为+q 的点电荷放在距棒左端R 处，如图所示.

当棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在棒内中点产生的场强大小等于 ，

方向为 .

解析 导体棒在点电荷+q 的电荷中发生静电感应，左端出现负电荷，右端出现正电荷，棒中任何一点都有两个电场，即外场——+q 在该点形成的电场E 0，附加电场——棒上感应电荷在该点形成的电场E ′，达到静电平衡时E ′＝E 0.

题中所求的即为E ′，于是我们通过上述等式转化为E 0. 解答：棒的中点距+q 为r ＝R+l/2，于是

E ′＝E 0＝

2

)

2

1( R kq

, 而且E ′和E 0方向相反.

同理，我们还能求棒中其他点的附加电场的场强.

说明 感应电荷电量是面分布，且电量值未知，所以不能直接由E ＝k

2r

Q

来求，只能利用静电平衡的性质来求.

【命题趋势分析】

本节的考点主要有以下三个方面.

一是关于静电感应过程中感应起电的有无及其性质的判定；二是判定和计算处于静电平衡状态中的导体内的场强；三是关于静电屏蔽过程中有关位置的带电、场强、电势、电势差等物理量的判定.分析和解决这些问题，要根据电场的有关性质和处于静电平衡状态下导体的性质来进行.

【典型热点考题】

例1 一金属球，原来不带电，现沿球的直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN ，如图所示，金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a 、b 、c 三点的场强大小分别为Ea 、Eb 、Ec ，三者相比，则( )

A.Ea 最大

B.Eb 最大

C.Ec 最大

D.Ea=Eb=Ec

解析 处于静电平衡的导体内部场强处处为零，故a 、b 、c 三点的场强都为零.静电平衡的导体内部场强为零是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果.所以感应电荷在球内某