题目
两个同心薄金属球壳,半径分别为R1 和R2 (R2 > R1 ),若分别带上电荷q1 和q2,则两者的电势分别为U1 和U2 (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. U1B. U2C. U1+U2D. (U1+U2)/ 2
两个同心薄金属球壳,半径分别为R1 和R2 (R2 > R1 ),若分别带上电荷q1 和q2,则两者的电势分别为U1 和U2 (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. U1
B. U2
C. U1+U2
D. (U1+U2)/ 2
题目解答
答案
B. U2
解析
考查要点:本题主要考查静电平衡条件下导体的电势特性及电荷重新分布规律。关键在于理解导体连接后电势相等以及同心球壳电势的叠加关系。
解题核心思路:
- 导体连接后电势相等:用导线连接两导体,电势趋于相同,电荷重新分配。
- 同心球壳的电势叠加:外球壳的电势包含内球壳电荷对其产生的贡献。
- 电荷重新分布的规律:通过电势相等条件,推导最终电荷分布,发现内球壳电荷全部转移至外球壳。
破题关键点:
- 明确外球壳的电势初始值已包含内球壳电荷的影响。
- 分析连接后电势相等条件,得出内球壳电荷为零,总电荷全部在外球壳。
电势叠加与导体连接规律
-
初始电势计算:
- 内球壳电势:$U_1 = \frac{kq_1}{R_1}$(仅由自身电荷决定)。
- 外球壳电势:$U_2 = \frac{kq_2}{R_2} + \frac{kq_1}{R_2}$(包含内球壳电荷的影响)。
-
连接后电势相等:
- 设连接后总电荷为$q_1 + q_2$,分配为$q_1'$(内球壳)和$q_2'$(外球壳),满足$q_1' + q_2' = q_1 + q_2$。
- 两球壳电势相等:
$\frac{kq_1'}{R_1} + \frac{kq_2'}{R_2} = \frac{kq_2'}{R_2} + \frac{kq_1'}{R_2}.$
-
化简方程:
- 消去相同项后得:$\frac{q_1'}{R_1} = \frac{q_1'}{R_2}$。
- 由于$R_2 > R_1$,唯一解为$q_1' = 0$,即内球壳电荷全部转移至外球壳。
-
最终电势计算:
- 外球壳总电荷$q_2' = q_1 + q_2$,电势为:
$U = \frac{k(q_1 + q_2)}{R_2} = U_2.$
- 外球壳总电荷$q_2' = q_1 + q_2$,电势为: