靜電現(xiàn)象是指放在電場(chǎng)中的導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡的現(xiàn)象,其特點(diǎn)有導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零,導(dǎo)體為等勢(shì)體,導(dǎo)體表面為等勢(shì)面;導(dǎo)體表面的場(chǎng)強(qiáng)與導(dǎo)體表面垂直;導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有凈電荷。筆者從以下兩方面來(lái)說(shuō)明靜電平衡的現(xiàn)象,希望對(duì)學(xué)生的理解有所啟發(fā)。
一、要緊緊抓住電場(chǎng)強(qiáng)度的概念,弄清靜電平衡的基本原理
金屬原子的最外層電子受到原子核的吸引力便十分微弱,在一塊金屬中,某原子的最外層電子在其余原子的作用下,會(huì)很容易脫離原來(lái)的原子,而在整塊金屬中游蕩,成為自由電子。剩余部分叫金屬陽(yáng)離子,它只能在自身的平衡位置附近做無(wú)規(guī)則的振動(dòng)。整塊金屬呈電中性。
當(dāng)把呈電中性的金屬導(dǎo)體放入電場(chǎng)強(qiáng)度為E0的靜電場(chǎng)中時(shí),導(dǎo)體中的自由電子受到與電場(chǎng)E0方向相反的電場(chǎng)力F=eE0的作用,除了做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)外,還要向電場(chǎng)E0的反方向做定向移動(dòng)。如圖1中的甲圖所示,
自由電子在導(dǎo)體的AB面集結(jié),使AB面出現(xiàn)負(fù)電荷,而相對(duì)的CD面出現(xiàn)“過(guò)?!钡牡攘空姾?,如圖1中的乙圖所示。此時(shí)兩側(cè)面出現(xiàn)的正、負(fù)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的電場(chǎng)E′(圖中E′用黑虛線箭頭表示)與E0反向,此時(shí)自由電子又受到電場(chǎng)力F′=eE′的作用,F(xiàn)與F′方向相反,當(dāng)E′=E0時(shí),導(dǎo)體內(nèi)合場(chǎng)強(qiáng)E=0,自由電子受到的合力也為零,這時(shí)導(dǎo)體中無(wú)電荷定向移動(dòng),如圖1中丙圖所示,從而得到處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零的結(jié)論,在導(dǎo)體內(nèi)部移動(dòng)電荷不做功,此時(shí)導(dǎo)體也是等勢(shì)體。
二、通過(guò)適當(dāng)練習(xí),提高分析問(wèn)題的能力
要通過(guò)適當(dāng)?shù)淖兪骄毩?xí),使學(xué)生從多個(gè)側(cè)面加深對(duì)導(dǎo)體中的電場(chǎng)處處為零的理解,并能舉一反三地解決問(wèn)題。為此,筆者設(shè)計(jì)了如下程序題組,來(lái)加深學(xué)生對(duì)靜電平衡下導(dǎo)體的理解。
例1.如圖2所示,在孤立點(diǎn)電荷+Q的電場(chǎng)中,金屬圓盤A處于靜電平衡狀態(tài),若金屬圓盤平面與點(diǎn)電荷在同一平面內(nèi),試在圓盤作出由盤上感應(yīng)電荷形成的附加電場(chǎng)的三條電場(chǎng)線(用實(shí)線表示,要求嚴(yán)格作圖)。
解析:導(dǎo)體A處于靜電平衡狀態(tài),因此內(nèi)部每點(diǎn)的合場(chǎng)強(qiáng)都為零,即導(dǎo)體A內(nèi)的每一點(diǎn),感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度都與點(diǎn)電荷+Q在那點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小相等、方向相反,即感應(yīng)電荷的電場(chǎng)線與點(diǎn)電荷Q的電場(chǎng)線重合,且方向相反。三條電場(chǎng)線如圖3中實(shí)線所示。
例2.如圖4所示,一個(gè)不帶電的絕緣導(dǎo)體P正在向帶負(fù)電的小球Q緩慢靠近(不接觸,且未發(fā)生放電現(xiàn)象),則下列說(shuō)法正確的是( )
A.B端的感應(yīng)電荷越來(lái)越多
B.導(dǎo)體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)越來(lái)越大
C.導(dǎo)體上的感應(yīng)電荷在C點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)始終大于在D點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)
D.感應(yīng)電荷在C、D兩點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)相等
解析:導(dǎo)體P向負(fù)電荷Q靠近的過(guò)程中,導(dǎo)體所處的外加電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)增大,導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷將定向移動(dòng),使兩端的電荷增加,所以選項(xiàng)A是正確的。
由于導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài),感應(yīng)電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)與場(chǎng)源電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)大小相等、方向相反,合場(chǎng)強(qiáng)為零。由于C點(diǎn)離電荷Q近,D點(diǎn)離電荷Q遠(yuǎn),根據(jù)點(diǎn)電荷電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布規(guī)