高二物理競(jìng)賽第七章 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和介質(zhì)課件

第七章靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和介質(zhì)§7-1靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體§7-2電容和電容器§7-3靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)電介質(zhì)的極化§7-4有介質(zhì)時(shí)的高斯定理電位移矢量D§7-5靜電場(chǎng)的能量一、導(dǎo)體的靜電平衡條件§7.1靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體1.靜電感應(yīng)現(xiàn)象無(wú)外電場(chǎng)時(shí)自由電子平均分布導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程加上外電場(chǎng)后E外E外+導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程加上外電場(chǎng)后E外+++++導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程加上外電場(chǎng)后E外+++++導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程加上外電場(chǎng)后E外+++++++導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程加上外電場(chǎng)后E外++++++導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程加上外電場(chǎng)后E外++++++++導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程加上外電場(chǎng)后+E外+++++++++導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程加上外電場(chǎng)后導(dǎo)體內(nèi)自由電子在外電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，引起導(dǎo)體內(nèi)正負(fù)電荷重新分布，在導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量異號(hào)電荷的現(xiàn)象，稱(chēng)為靜電感應(yīng)。感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷+E外+++++++++導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)：附加電場(chǎng)E感感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷

均勻?qū)w的靜電平衡條件：（均勻指導(dǎo)體的質(zhì)料和溫度均勻）導(dǎo)體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)處處為零。

導(dǎo)體內(nèi)部和表面的電荷不做定向運(yùn)動(dòng)，從而電場(chǎng)分布不隨時(shí)間變化時(shí)，該導(dǎo)體達(dá)到了靜電平衡。2.靜電平衡++++++++++導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡E外E感感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷此過(guò)程時(shí)間約為②導(dǎo)體表面附近的場(chǎng)強(qiáng)處處與表面垂直。

靜電平衡時(shí),導(dǎo)體表面的電場(chǎng)強(qiáng)度可能不等于零,但導(dǎo)體表面是等勢(shì)面,而電場(chǎng)線與等勢(shì)面處處正交,所以導(dǎo)體表面的電場(chǎng)強(qiáng)度必與它的表面垂直。推論①導(dǎo)體是個(gè)等勢(shì)體，導(dǎo)體表面是個(gè)等勢(shì)面；設(shè)P、Q是導(dǎo)體上任意兩點(diǎn)二、靜電平衡時(shí)導(dǎo)體上的電荷分布1.實(shí)心導(dǎo)體：

內(nèi)部沒(méi)有凈余電荷，電荷只分布在導(dǎo)體表面上2.空腔導(dǎo)體1）腔內(nèi)沒(méi)有電荷：電荷只分布在導(dǎo)體外表面上證明證明++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

由導(dǎo)體的靜電平衡條件和靜電場(chǎng)的基本性質(zhì)，可以得出導(dǎo)體上的電荷分布。證明:在導(dǎo)體內(nèi)任取體積元體積元任取導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有凈電荷，電荷只能分布在導(dǎo)體表面。返回S?內(nèi)表面處處沒(méi)有電荷，電荷分布在外表面證明:在導(dǎo)體殼內(nèi)緊貼內(nèi)表面作高斯面S*若內(nèi)表面有一部分是正電荷，一部分是負(fù)電荷分布，保證電荷代數(shù)和為零,則情況怎樣?*靜電平衡條件下，導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為零。思考++++++++++++++++2）腔內(nèi)有電荷電荷分布:證明:高斯定理、靜電平衡條件、電荷守恒定律.++++++++++++++++q-------qQ+q

設(shè):腔內(nèi)有帶電體q和腔體帶電Q電荷分布用高斯定理可證※腔內(nèi)的電場(chǎng)由和腔內(nèi)表面的感應(yīng)電荷共同決定，與腔內(nèi)電荷位置、腔體的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。※導(dǎo)體腔外部電場(chǎng)由外表面電荷分布(

)確定；與腔內(nèi)電荷及腔內(nèi)表面感應(yīng)電荷無(wú)關(guān)。++++++++++++++++q-------qQ+q+++++++++++作錢(qián)幣形高斯面

S3.靜電平衡導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)+++++++++++++++++++++++4.導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度同表面曲率的關(guān)系實(shí)驗(yàn)的定性分布

對(duì)于孤立導(dǎo)體,其表面處面電荷密度與該表面曲率有關(guān)。a.在表面凸出的尖銳部分(曲率為正值且較大)較大,E也較大。b.在比較平坦部分(曲率較小)較小，E也較小。c.在表面凹進(jìn)（曲率為負(fù)值）部分最小，E也最小。兩個(gè)半徑分別為R和r的球形導(dǎo)體（R>r），用一根很長(zhǎng)的細(xì)導(dǎo)線連接起來(lái)，使這個(gè)導(dǎo)體組帶電，電勢(shì)為U，求兩球表面電荷與曲率的關(guān)系？例題1.rQqRrQqR解：由于兩球由導(dǎo)線連接，兩球電勢(shì)相等：得：可見(jiàn)，大球所帶電量Q比小球q多。兩球的面電荷密度分別為：所以：

結(jié)論：兩球電荷面密度與曲率半徑成反比，即與曲率成正比。1.空腔導(dǎo)體屏蔽外電場(chǎng)外電場(chǎng)空腔導(dǎo)體屏蔽外場(chǎng)三、靜電屏蔽外電場(chǎng)2.接地空腔導(dǎo)體屏蔽內(nèi)外場(chǎng)接地空腔導(dǎo)體屏蔽內(nèi)外場(chǎng)q四、有導(dǎo)體存在時(shí)靜電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算原則1.靜電平衡的條件2.基本性質(zhì)方程(高斯定理)3.電荷守恒定律[例題2]兩塊大導(dǎo)體平板，面積為S，分別帶電q1和q2，兩極板間距遠(yuǎn)小于平板的線度。求平板各表面的電荷密度。解：2341q1q2BA電荷守恒：由靜電平衡條件，導(dǎo)體板內(nèi)E=0。2341q1q2BA特例：當(dāng)兩平板帶等量的相反電荷時(shí)，電荷只分布在兩個(gè)平板的內(nèi)表面！由此可知：兩平板外側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度為零，內(nèi)側(cè)-------這就是平板電容器。

在內(nèi)外半徑分別為R1和R2的導(dǎo)體球殼內(nèi)，有一個(gè)半徑為r的導(dǎo)體小球，小球與球殼同心，讓小球與球殼分別帶上電荷量q和Q.試求：(1)小球的電勢(shì)Ur，球殼內(nèi)、外表面的電勢(shì)；(2)兩球的電勢(shì)差；(3)若球殼接地，再求小球與球殼的電勢(shì)差。R2R1Qrq解：小球在球殼內(nèi)外表面感應(yīng)出電荷-q、q球殼外總電荷為q+Q

，則：例題3：（1）由電勢(shì)疊加原理可知:球殼內(nèi)外表面的電勢(shì)相等。R2R1Qrq（2）兩球的電勢(shì)差（3）外殼接地時(shí)的各量一.孤立導(dǎo)體的電容例1.求半徑為的孤立導(dǎo)體球的電容。解:

是與導(dǎo)體的尺寸和形狀有關(guān),與無(wú)關(guān)的常數(shù)?！?.2電容和電容器二.電容器及其電容

與兩導(dǎo)體的尺寸、形狀和相對(duì)位置有關(guān)，與無(wú)關(guān)的常數(shù)。三.電容的計(jì)算串聯(lián)：1.利用電容器的串并聯(lián)公式:步驟：①假設(shè)兩極板分別帶電荷，求得兩極間，進(jìn)而計(jì)算出；②所求一定與無(wú)關(guān)，僅由電容器本身性質(zhì)決定。并聯(lián)：例2.求極板面積為S，間距為d的平行板電容器的電容。2.由定義求解:[解]:四、三種真空電容器的電容1.平行板的電容2.同心球形的電容3.同軸柱形的電容例3.一個(gè)半徑為的金屬球A帶有總電量，在它外面有一個(gè)同心的金屬球殼B，其內(nèi)