2024年高中物理競賽靜電場

真空中的靜電場基本要求了解電場強度和電勢這兩個基本概念和它們之間的聯(lián)系。二、掌握反應靜電場性質的兩個基本定理——高斯定理和環(huán)流定理的重要意義及其應用。三、掌握從已知的電荷分布求場強和電勢分布的措施。內容提要真空中的庫侖定律庫侖定律的合用條件：1.點電荷；2.電荷靜止（或低速）。二、電場和電場強度電場電荷能夠產(chǎn)生電場。電場是一個客觀存在的物質形態(tài)。電場對外體現(xiàn)的性質：1.對處在電場中的其他帶電體有作用力；2.在電場中移動其他帶電體時，電場力要對它做功，這也表白電場具備能量。電場強度的定義式點電荷場強公式場強疊加原理電場中某點的場強等于每個電荷單獨在該點產(chǎn)生的場強的疊加（矢量和）。幾個常見帶電體的場強1、電荷線密度為λ的無限長均勻帶電直線外一點的場強2、電荷面密度為σ的無限大均勻帶電平面外一點的場強方向垂直于帶電平面。3、帶電Q、半徑為R的均勻帶電導體球面或導體球的場強分布r<R時，E=0r>R時，4、帶電Q、體密度為ρ的均勻帶電球體場強分布r<R時，r>R時，三、電通量高斯定理電場線（電力線）畫法1.電場線上某點的切線方向和該點場強方向一致；2.通過垂直于的單位面積的電場線的條數(shù)等于該點的大小。電場線的性質1.兩條電場線不能相交；2.電場線起自正電荷（或無窮遠處），止于負電荷（或無窮遠處），電場線有頭有尾，不是閉合曲線。電場強度通量電場強度通量也可形象地說成是通過該面積S的電場線的條數(shù)。高斯定理真空中靜電場內，通過任意閉合曲面的電場強度通量等于該曲面所包圍的電量的代數(shù)和的1/0倍。高斯定理是描寫靜電場基本性質的基本定理，它反應了電場與形成電場的場源（電荷）之間的關系，闡明靜電場是有源場。四、靜電場的保守性環(huán)路定理靜電力做功的特點電場力做的功只取決于被移動電荷的起點和終點的位置，與移動的途徑無關。靜電場的環(huán)路定理上式闡明靜電場力所做的功與途徑無關，也闡明靜電場是保守力場。環(huán)路定理是靜電場的另一重要定理，可用環(huán)路定理檢查一個電場是不是靜電場。環(huán)路定理要求電場線不能閉合，闡明靜電場是無旋場。五、電勢能、電勢和電勢差保守力做功和勢能增量的關系Aab=(WbWa)q0在電場中a、b兩點電勢能之差等于把q0自a點移至b點過程中電場力所做的功。電勢能選標準點（勢能零點），且取W標=0，q0在電場中某點a的電勢能為即q0自a移到“標準點”的過程中電場力做的功。電勢能應屬于q0和產(chǎn)生電場的源電荷系統(tǒng)共有。電勢差a、b兩點的電勢差即把單位正電荷自ab過程中電場力做的功。電勢電場中某點的電勢等于把單位正電荷自該點移到“標準點”過程中電場力做的功。點電荷電勢公式電勢疊加原理電場中某點的電勢等于各電荷單獨在該點產(chǎn)生的電勢的疊加（代數(shù)和）。六、場強和電勢的關系電勢梯度等勢面電勢相等的點組成的面。等勢面和電場線的關系①等勢面與電場線到處垂直；②電場線從高電勢處指向低電勢處；③等勢面密處場強大。場強和電勢梯度的微分關系或解題措施與例題分析一、求場強的措施在一般物理學中，求解靜電場的場強的基本措施一般有如下三種：1.用點電荷場強公式和場強疊加原理求場強；2.由高斯定理求場強，這種措施只能求解某些經(jīng)典的對稱性分布的帶電體的場強；3.已知或求出電勢分布U后，再由求場強。純熟掌握求解靜電場場強的這三種措施是學好電磁學的核心。1.用點電荷場強公式和場強疊加原理求場強標準上說，用點電荷場強公式和場強疊加原理能夠求任何帶電體所產(chǎn)生的場強。帶電體能夠分為連續(xù)和非連續(xù)帶電體，非連續(xù)帶電體（如電偶極子）的場強的求解措施較簡單，本書重要簡介連續(xù)帶電體的場強的求解措施——積分法。用積分措施求任意帶電體的場強的基本思想是把帶電體看作電荷元的集合（電荷元能夠是線元、面元或體元）。在電場中某點的場強為各電荷元在該點產(chǎn)生的場強的矢量和。積分法解題的重要步驟如下：①將帶電體提成無數(shù)的電荷元，每一電荷元可視為點電荷，任一電荷元在空間某點場強為②由場強的疊加原理，帶電體在該點產(chǎn)生的場強選擇適當?shù)淖鴺讼?，把矢量積分化為分量積分式，如取直角坐標系，則Ex=Ex，Ey=Ey，Ez=Ez。③依照積分式中各變量之間的關系，找出統(tǒng)一變量，由選定的坐標系和帶電體的形狀確定積分限，注意積分要遍及整個帶電體。④進行積分求得Ex、Ey、Ez，再求出E。在某些情況下，可把電荷連續(xù)分布的帶電體看作由許多微小寬度的帶電直線（或圓環(huán)）或者具備微小厚度的圓盤（或球殼）所組成。如無限大均勻的帶電直圓柱體可看作無限多圓盤所組成，這時能夠取帶電圓盤為電荷元，以便求出無限大帶電圓柱體軸線上一點的場強。這么取電荷元的好處是能夠把二重積分或三重積分化為單重積分來做，使運算簡化。2.由高斯定理求場強用高斯定理求場強必須要依照電場的對稱性，選擇適當?shù)母咚姑媸箞鰪奅能提到積分號外。用高斯定理求場強的步驟大體如下：①分析給定問題中電場的對稱性，如電場強度分別具備球對稱性、平面對稱性（無限大均勻帶電的平板或平面）以及軸對稱性（無限長均勻帶電的圓柱體、圓柱面或直線等）時，能用高斯定理求解；②選擇適當?shù)母咚姑?，使場強E能提到積分號外面。如電場具備球對稱性時，高斯面選與帶電球同心的球面；電場具備軸對稱性時，高斯面取同軸的柱面；電場具備平面對稱性時，高斯面取軸垂直于平面并于平面對稱的柱面；③求出高斯面所包圍的凈電荷q，代入高斯定理的表示式求出場強的大小。由場強的對稱性確定場強的方向。3.求電勢分布U后，由求場強因為電勢是標量，已知電荷分布用積分求電勢比用積分求場強更為以便，因此對不能用高斯定理求場強的情況，先求電勢的函數(shù)式，再用上述關系求電場強度往往是比較以便的。例1長厘米的直導線AB均勻地分布著線密度為λ的電荷。求：（1）在導線的延長線上與導線一端B相距R處P點的場強；AdxAdxOBPx R （a）R′AdxBx （b）圖8—1解（1）如圖8—1（a）所示，取A點為坐標原點，向右為x軸正方向。直導線上任一dx線元到A點距離為x，其電場強度為而各段在P處產(chǎn)生場強方向相同（沿x軸正方向），故總場強為方向沿x軸正方向。（2）若以導線AB中心為坐標原點，如圖8—1（b）所示。dx線元在Q點產(chǎn)生的電場為（方向如圖所示）因為對稱性，其疊加場強沿y正方向，水平方向相互抵消。在Q點的場強為方向沿y軸正方向。當導線l為無限長時，由上式可求得場強為。圖8—2例2一帶電細線彎成半徑為R的半圓形，其電荷線密度為λ=λ0sinθ，式中θ為半徑R與x軸所成的夾角，λ0為一常數(shù)，如圖8—2所示，試求環(huán)心圖8—2解在θ處取電荷元，其電量為它在O點處產(chǎn)生的場強為在x、y軸上的兩個分量，因此例3利用帶電量為Q、半徑為R的均勻帶電圓環(huán)在其軸線上任一點的場強公式推導二分之一徑為R、電荷面密度為σ的均勻帶電圓盤在其軸線上任一點的場強，并深入推導電荷面密度為σ的無限大均勻帶電平面的場強。解設盤心O點處為原點，x軸沿軸線方向，如圖8—3所示，在任意半徑r處取一寬為dr的圓環(huán)，其電量圖8—圖8—3當R→∞時，即為“無限大”帶電平面例4如圖8—4所示，一厚為a的無限大帶電平板，電荷體密度=kx(0≤x≤a)，k為一正值常數(shù)。求：（1）板外兩側任一點M1、M2的電場強度大??；（2）板內任一點M的電場強度；（3）場強最小的點在何處。圖8—4解（1）在x處取厚為圖8—4電荷面密度為則（2）板內任一點M左側產(chǎn)生的場強方向沿x軸正向M右側產(chǎn)生的場強方向沿x軸負向因此（3）E=0時場強最小，即例5如圖8—5所示，圓錐體底面半徑為R，高為H，均勻帶電，電荷體密度為ρ，求頂點A處的場強。圖8—5解在離頂點A為x處選厚為dx的薄圓盤，此圓盤半徑為圖8—5即此薄圓盤的帶電量電荷面密度σ=電量/面積=利用例3均勻帶電圓盤在軸線上任一點的場強成果可得此薄圓盤在A點的場強此題也能夠在柱面坐標系中用三重積分來計算。ObyτY圖8—6例6半徑為R、長為ObyτY圖8—6解用積分法求解這題目時，如取點電荷為積分元，則要用三重積分。不過我們取圓盤為積分元，用圓盤在軸線上一點產(chǎn)生的場強的公式，只要計算定積分就能夠求得圓柱體軸線上一點的場強。如圖8—6取坐標，距O點的距離y處，一厚度為dy的圓盤在O點產(chǎn)生的場強的大小dE=方向與Y軸相反，式中是厚度為dy的圓盤上的電荷面密度，和圓柱體的電荷密度的關系=因此有dE===[]（b）例7如圖8—7（a）所示，在XY平面內有與Y軸平行、位于x=a/2和x=a/2處的兩條無限長平行的均勻帶電細線，電荷密度分別為λ和λ，求Z軸上任一點的電場強度。（b）（a）（a）圖8—7解過Z軸上任一點(0，0，z)分別以兩條帶電細線為軸作單位長度的圓柱形高斯面，如圖8—7（b）所示，按高斯定理求出兩帶電直線分別在該處產(chǎn)生的場強大小為式中正負號分別表示場強方向沿徑向朝外和朝里，如圖所示，按場強疊加原理，該處合場強的大小為方向如圖所示或用矢量表示例8真空中有一高h=20cm、底面半徑R=10cm的圓錐體。在其頂點與底面中心的中點上置一q=10-6C的點電荷，求通過該圓錐體側面的電場強度通量。（a）（b）圖8—8解以頂點與底面圓心的中點為球心，為半徑做一球面。能夠看出，通過圓錐側面的電通量等于通過整個球面的電通量減去通過以圓錐底面為底的球冠面的電通量。整個球面的電通量為通過球冠面的電通量式中S為球冠面面積S=2r(rh/2)，S0為整球面積。通過圓錐側面的電通量二、求電勢的措施在一般物理學范圍內，求解靜電場電勢的基本措施一般有如下兩種：1.用點電荷電勢公式和電勢疊加原理求場強；2.已知或求出場強分布E后，再由UP=求電勢。純熟掌握求解靜電場電勢的這兩種措施是對學好電磁學大有裨益的。1.用點電荷電勢公式和電勢疊加原理求場強把帶電體看為由許多電荷元組成的，帶電體在電場中某點產(chǎn)生的電勢為各電荷元在該點產(chǎn)是的點勢dU的疊加，即U=用積分求電勢的步驟和用積分求場強相同，只是U=是一個標量積分，不用取分量式。2.已知或求出場強分布E后，再由UP=，求電勢對有限大小的帶電體，一般選無限遠為電勢的零點，因此有UP=用上式求電勢時應注意：①選擇適當?shù)耐緩?，因為上述積分與途徑無關，我們取積分途徑時，總是設法選用使積分計算比較簡便的途徑；②對于在積分途徑上不一樣區(qū)域內場強的函數(shù)形式不一樣的情況，積分必須分段進行。如從r到R范圍內的場強為E1(r)，從R到“無窮遠”處場強為E2(r)，則P點的電勢UP（r）=1(r)dr+2(r)dr對能用高斯定理求場強的問題，用這種措施求電勢比較以便。例9一根長為L的細棒，彎成半圓形，其上均勻帶電，電荷線密度為，試求在圓心O點的電勢。解半圓形導線半徑：O點電勢由電勢迭加原理求解。，∴例10如圖8—9所示，兩個均勻帶電的同心球面，半徑分別為R1和R2，帶電量分別為q1和q2。求場強和電勢的分布。S1圖8—9解（1）對稱性分析：S1圖8—9（2）選擇高斯面：選與帶電球面同心的球面作為高斯面。當r>R2時，取半徑為r的高斯面S1，如圖所示。由高斯定理因為場有上述的對稱性，因此解得當R1<r<R2時，取半徑為r的高斯面S2，如圖所示。由高斯定理因場強有球對稱性，故解出當r<R1時，取半徑為r的高斯面S3，如圖所示。由高斯定理因場強是球對稱的，則有因此E=0從上面計算的成果得到場強的分布為懂得了場強分布，能夠從電勢的定義出發(fā)求出空間的電勢分布當r>R2時當R1<r<R2時當r<R1時當然，也能夠用電勢疊加原理來求電勢的分布，把空間各點的電勢看為兩個帶電球殼在空間產(chǎn)生的電勢的疊加，求得的成果和從電勢定義出發(fā)求得的成果相同。假如我們對一個均勻帶電球面在空間產(chǎn)生的電勢分布的函數(shù)關系比較熟悉，那么用后一個解法是比較以便的。習題一、填空題1、兩個正點電荷所帶電量分別為q1和q2，當它們相距r時，兩電荷之間相互作用力為F=。若q1+q2=Q，欲使兩電荷間的作用力最大，則它們所帶電量之比q1：q2=。2、四個點電荷到坐標原點O的距離均為d，如圖8—10所示，則O點的電場強度E=。yy+2q+2qO-qx-q圖8—10P·B·A·q'圖8—11·q3、真空中兩塊相互平行的無限大均勻帶電平面，其中一塊的面電荷密度為+σ,另一塊的面電荷密度為+2σ，兩極板間的電場強度大小為。4、半徑為R，均勻帶電Q的球面，若取無窮遠處為零電勢，則球心處的電勢V0=；球面外離球心r處的電勢Vr=。若在此球面挖去一小面積ΔS（連同其上電荷），則球心處的電勢V0=。二、選擇題1、邊長為a的正方體中心放置一個電荷Q，通過一個側面的電位移矢量通量為：[] A.；B.；C.；D.2、如圖8—11所示，閉合面S內有一點電荷q,P為S面上一點，S面外A點有一點電荷q'，若將q'移到S面外另一點B處，則下述正確的是：[]A.S面的電通量變化，P點的場強不變；B.S面的電通量不變，P點的場強變化；C.S面的電通量和P點的場強都不變；D.S面的電通量和P點的場強都變化。3、有關電場強度定義式E=F/q0，指出下列說法中的正確者：[]A.場強E的大小與檢查電荷q0的電量成反比；B.對場中某點，檢查電荷受力F與q0的比值不因q0而變；C.檢查電荷受力F的方向就是場強E的方向；D.若場中某點不放檢查電荷q0，則F=0，從而E=0。4、電場強度定義式E=F/q0,這一定義的合用范圍是：[]A.點電荷產(chǎn)生的電場；B.靜電場；C.勻強電場；D.任何電場。5、在SI 制中，電場強度的量綱是：[]A.；B.；C.；D.。6、若將負點電荷q從電場中的a點移到b點，如圖8—12所示，則下述正確的是：[]A.電場力作負功；B.電場強度Ea<Eb；C.電勢能減?。?QAOBCD-QAOBCD圖8—13·a·b圖8—127、一電量為-Q的點電荷位于圓心O處，A、B、C、D為同一圓上的四個點，如圖8—13所示。現(xiàn)將一試驗電荷從A點分別移到B、C、D各點，則：[]A.從A到B，電場力做功最大；B.從A到C，電場力做功最大；C.從A到D，電場力做功最大；D.從A到各點，電場力做功相等。三、判斷題（）1、閉合曲面內的電荷的代數(shù)和為零，閉合曲面上任一點的場強一定為零。（）2、閉合曲面上各點的場強為零，閉合曲面內一定沒有電荷。（）3、閉合曲面上各點的場強僅由面內的電荷決定。（）4、通過閉合曲面的電通量僅由面內的電荷決定。（）5、凡是對稱分布的均勻帶電系統(tǒng)都能夠通過高斯定理求它的電場強度。四、計算題1、用細的不導電的塑料棒彎成半徑為50cm的圓弧，棒兩端點間的縫隙為1cm，棒上均勻分布著3.12×10-9C的正電荷。求圓心處場強的大小和方向。2、半徑為R的非金屬球帶有正電荷，電荷體密度隨徑向距離變化的規(guī)律滿足，其中b為常數(shù)，r為離球心的距離，求球內、外的場強和電勢分布。3、在半徑為R1和R2的同心