真空中有一均匀带电细圆环,电荷线密度为 lambda,圆心处电势大小为_______A. pi lambda / 2 varepsilon_0B. lambda / 2 pi varepsilon_0C. lambda / 2 varepsilon_0D. lambda / varepsilon_0
A. $\pi \lambda / 2 \varepsilon_0$
B. $\lambda / 2 \pi \varepsilon_0$
C. $\lambda / 2 \varepsilon_0$
D. $\lambda / \varepsilon_0$
题目解答
答案
解析
本题考查均匀带电细圆环在圆心处产生的电势的计算,解题思路是先明确电势的计算公式,再根据圆环的电荷分布特点进行积分计算。
步骤一:明确电势的计算公式
对于点电荷 $q$ 在距离其 $r$ 处产生的电势,公式为 $V = \frac{q}{4\pi\varepsilon_0 r}$。对于连续带电体,需要通过积分的方法来计算电势,即 $V = \int \frac{dq}{4\pi\varepsilon_0 r}$。
步骤二:分析均匀带电细圆环的电荷分布
设圆环的半径为 $R$,由于电荷是均匀分布在圆环上的,电荷线密度为 $\lambda$,那么圆环上的总电荷量 $Q = \lambda \cdot 2\pi R$。
步骤三:计算圆环在圆心处产生的电势
在圆环上取一小段电荷元 $dq$,其长度为 $dl$,则 $dq = \lambda dl$。由于圆环上各点到圆心的距离都为 $R$,根据电势的积分公式可得圆心处的电势为:
$\begin{align*}V&=\int \frac{dq}{4\pi\varepsilon_0 R}\\&=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0 R} \int dq\end{align*}$
因为 $\int dq$ 就是圆环上的总电荷量 $Q$,而 $Q = \lambda \cdot 2\pi R$,代入上式可得:
$\begin{align*}V&=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0 R} \cdot \lambda \cdot 2\pi R\\&=\frac{\lambda}{2\varepsilon_0}\end{align*}$