题目
一半径为R的均匀带电导体球壳,带电荷为Q球壳内、外均为真空设无限远处为电势零点,则壳内各点电势U=()。
一半径为R的均匀带电导体球壳,带电荷为Q球壳内、外均为真空设无限远处为电势零点,则壳内各点电势U=()。
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查带电导体球壳内部电势的计算,需理解静电平衡条件下导体内部电场与电势的分布规律。
解题核心思路:
- 导体壳内部电场为零:在静电平衡状态下,导体内部的电场强度为零,电荷全部分布在导体外表面。
- 电势的空间分布:虽然内部电场为零,但电势是标量,需通过电势叠加原理计算。壳内各点的电势等于导体壳外表面处的电势。
- 电势计算的关键:将导体壳视为点电荷等效模型,利用点电荷电势公式计算外表面处的电势。
破题关键点:
- 明确导体壳内外电场分布的差异。
- 理解电势的连续性:壳内电势为常数,等于外表面电势。
步骤1:分析电场分布
在静电平衡条件下:
- 导体壳内部(r < R):电场强度 $E = 0$,电荷仅分布在壳的外表面。
- 导体壳外部(r ≥ R):电场分布等效于点电荷 $Q$ 产生的电场,即 $E = \dfrac{Q}{4\pi \varepsilon_0 r^2}$。
步骤2:计算外表面处的电势
在导体壳外表面($r = R$),电势由壳外的点电荷场决定:
$U_{\text{表面}} = \dfrac{Q}{4\pi \varepsilon_0 R}.$
步骤3:确定壳内电势
由于壳内电场为零,电势在空间中保持均匀,且等于外表面处的电势。因此,壳内任意点的电势均为:
$U = \dfrac{Q}{4\pi \varepsilon_0 R}.$