静电场的模拟思考题答案

2019年高中物理竞赛辅导北京领航元旦班

第一讲：静电场

考点： 电荷守恒定律

库仑定律

电场强度 电场线

点电荷的场强 场强叠加原理 匀强电场

匀带电球壳内、外的场强公式(不要求导出) ※高斯定理及其在对称带电体系中的应用 电势和电势差 等势面 点电荷电场的电势 势叠加原理

均匀带电球壳内、外的电势公式 电场中的导体 静电屏蔽， ※静电镜像法

电容 平行板电容器的电容公式 ※球形、圆柱形电容器的电容 电容器的连联接

※电荷体系的静电能，※电场的能量密度， 电容器充电后的电能 ☆电偶极矩

☆电偶极子的电场和电势 电介质的概念

☆电介质的极化与极化电荷 ☆电位移矢量 一．电荷守恒定律

例1．(第34届预赛题)某一导体通过反复接触某块金属板来充电。该金属板初始电荷量为6μC，每次金属板与导体脱离接触后，金属板又被充满6μC的电荷量。已知导体第一次与金属板接触后，导体上带的电荷量为2μC；经过无穷次接触，导体上所带的电荷量最终为______________。

二．库仑定律 例2．（1）电荷不能自由移动的半圆环，半径为R，均匀带电，带电量为Q。圆心处有一点电荷，带电量为q。试计算半圆环受到圆

用模拟法测绘静电场

〔实验目的〕

1、学习用模拟法描绘和研究静电场分布； 2、加深对电场强度和电势概念的理解。 〔实验原理〕

静电场

用电场线形象描绘静电场的分布。

E??2??0r Ur?Ualn(rb/r)

ln(rb/ra)模拟场

用不良导体内的电场模拟静电场。

图1 同轴电缆的模拟模型

(a) 同轴电缆模拟电场装置； (b) 横向剖面

rb?rb?drrdr?ln R??ln Rrarb??rrb2?tra2?trrr2?trUa2?tUaln(rb/r)I???U?IR?U rraRrarb?lnrb rln(rb/ra)raba[实验内容及步骤]

图2 GVZ - 4型导电微晶静电场描绘仪

1、将导电微晶上内、 外两电极分别与直流稳压电源的正、负极相连接,电压表正、 负极分别与测试笔及电源负极相连接,移动测试笔测绘同轴电缆的等位线簇。要求相邻两等位线间的电位差为1V,以每条等位线上各点到原点的平均距离

r为半径画出等位线的同心圆簇。

2、根据电场线与等位线的正交原理,画出电场线,并指出电场强度方向,得到一张完整的电场分布图。

3、在坐标纸上作出相对

用模拟法测绘静电场

〔实验目的〕

1、学习用模拟法描绘和研究静电场分布； 2、加深对电场强度和电势概念的理解。 〔实验原理〕

静电场

用电场线形象描绘静电场的分布。

E??2??0r Ur?Ualn(rb/r)

ln(rb/ra)模拟场

用不良导体内的电场模拟静电场。

图1 同轴电缆的模拟模型

(a) 同轴电缆模拟电场装置； (b) 横向剖面

rb?rb?drrdr?ln R??ln Rrarb??rrb2?tra2?trrr2?trUa2?tUaln(rb/r)I???U?IR?U rraRrarb?lnrb rln(rb/ra)raba[实验内容及步骤]

图2 GVZ - 4型导电微晶静电场描绘仪

1、将导电微晶上内、 外两电极分别与直流稳压电源的正、负极相连接,电压表正、 负极分别与测试笔及电源负极相连接,移动测试笔测绘同轴电缆的等位线簇。要求相邻两等位线间的电位差为1V,以每条等位线上各点到原点的平均距离

r为半径画出等位线的同心圆簇。

2、根据电场线与等位线的正交原理,画出电场线,并指出电场强度方向,得到一张完整的电场分布图。

3、在坐标纸上作出相对

实验三 模拟法测绘静电场

随着静电应用、静电防护和静电现象研究的日益深入，常需要确定带电体周围的电场分布情况.用计算方法求解静电场的分布一般比较复杂和困难，而且，直接测量静电场需要复杂的设备，对测量技术的要求也高，所以常常采用模拟法来研究和测量静电场.

【实验目的】

1. 学习用模拟法描述和测绘静电场分布的概念和方法. 2. 测量等位线、描绘电力线.

3. 加深对静电场强度、电位和电位差概念的理解.

【实验仪器】

静电场测绘仪一套，静电场描绘仪专用电源（10 V，1 A）一台，导线等.

【实验原理】

1. 用电流场模拟静电场带电体在其周围空间所产生的电场，可用电场强度E和电位U的空间分布来描述.为了形象地表示电场的分布情况，常采用等位面和电力线来描述电场.电力线是按空间各点电场强度的方向顺次连成的曲线，等位面是电场中电位相等的各点所构成的曲面.电力线与等位面是相互正交的，有了等位面的图形就可以画出电力线.反之亦然.我们所说的静电场测量就是指测绘出静电场中等位面和电力线的分布图形.它是了解电场中的一些物理现象或控制带电粒子在电磁场中的运动所必须解决的问题，它对科研和生产都是十分有用的，例如用测量电子管、示波管、显像管和电子显微镜等多种电子束管内

北方民族大学 基础物理实验中心 大学物理实验指导书

实验十 DC-A型导电微晶静电场测试仪

在一些科学研究和生产实践中，往往需要了解带电体周围静电场的分布情况。一般来说带电体的形状比较复杂，很难用理论方法进行计算。用实验手段直接研究和测绘静电场通常也很困难。因为仪表（或其探测头）放入静电场，总要使被测场原有分布状态发生畸变；而且除静电式仪表之外的一般磁电式仪表不能用于静电场的直接测量，因为静电场中不会有电流流过，对这些仪表不起作用。所以，人们常用“模拟法”间接测绘静电场的分布。 一、实验目的

1、了解静电场模拟的依据； 2、学会用模拟法描绘静电场； 3、测绘静电场的等位线、电力线。 二、实验仪器

DC－A型描绘仪（包括导电微晶、双层固定支架、同步探针等），如图1所示，支架采用双层式结构，上层放记录纸，下层放导电微晶。电极已直接制作在导电微晶上，并将电极引线接出到外接线柱上，电极间制作有电导率远小于电极且各向均匀的导电介质。接通直流电源就可进行实验。在导电微晶和记录纸上方各有一探针，通过金属探针臂把两探针固定在同一手柄座上，两探针始终保持在同一铅垂线上。移动手柄座时，可保证两探针的运动轨迹是一样的。由导电微晶上方的穿梭针找到待测点后

实验三十二 静电场的描绘

【实验目的】

1．学会用模拟法测绘静电场。 2．加深对电场强度和电位概念的理解。 【实验仪器】

EQC-3型导电玻璃静电场描绘仪 【实验原理】

带电体的周围存在静电场，场的分布是由电荷的分布、带电体的几何形状及周围介质所决定的。由于带电体的形状复杂，大多数情况求不出电场分布的解析解，因此只能靠数值解法求出或用实验方法测出电场分布。直接用电压表法去测量静电场的电位分布往往是困难的，因为静电场中没有电流，磁电式电表不会偏转；另外由于与仪器相接的探测头本身总是导体或电介质，若将其放入静电场中，探测头上会产生感应电荷或束缚电荷。由于这些电荷又产生电场，与被测静电场迭加起来，使被测电场产生显著的畸变。因此，实验时一般采用间接的测量方法（即模拟法）来解决。 1．用稳恒电流场模拟静电场

模拟法本质上是用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程模拟不易实现、不便测量的物理状态或过程，它要求这两种状态或过程有一一对应的两组物理量，而且这些物理量在两种状态或过程中满足数学形式基本相同的方程及边界条件。

本实验是用便于测量的稳恒电流场来模拟不便测量的静电场，这是因为这两种场可以用两组对应的物理量来描述，并且这两组物理量在一定条件下遵循着数

篇一：用模拟法描绘静电场

用模拟法描绘静电场

静电场是由电荷分布决定的。给定区域内的电荷分布和介质分布及边界条件，可根据麦克斯韦议程组和边界条件来求得电场分布。但大多数情况下求出解析解，因此，要靠数字解法求出或实验方法测出电场分布。

【实验目的】

1.学会用模拟法描绘和研究静电场的分布状况。

2.掌握了解模拟法应用的条件和方法。

3.加深对电场强度及电势等基本概念的理解。

【实验仪器】

导电液体式电场描绘仪，同轴电极，平行板电极，白纸（自备）

【实验原理】

直接测量静电场是很困难的，因为仪表（或其探测头）放入静电场中会使被测电场发生一定变化。如果用静电式仪表测量，由于场中无电流流过，不起作用。因此，在实验中采用恒定电流场来模拟静电场。即通过测绘点定电流场的分布来测绘对应的静电场分布。

模拟法的要求是：仿造一个场（称为模拟场），使它的分布和静电场的分布完全一样，当用探针去探测曲势分布时，不会使电场分布发生畸变，这样就可以间接测出静电场。

用模拟法测量静电场的方法之一是用电流场代替静电场。由电磁学理论可知电解质（或水液）中稳恒电流的电流场与电介质（或真空）中的静电场具有相似性。在电流场的无源区域中，电流密度矢量和静电场中的电场强度矢量所遵从的物理规律具有相同的数学形式，

第三章 电介质中的静电场

3-1 （1）将平行板电容器两极板接在电源上以维持其间电压不变，用介质常数为?r?0的均匀电介质将它充满，极板上的电量为原来的几倍？电场为原来的几倍？

（2）若充电后撤掉电源，然后再加入电介质，情况如何？

答：（1）极板间的电压U。保持不变，充以电介质后，电容器的电容为?r?0，Co为未充以电介质以前电容器的电容。电容器极板上的电荷

Q?CUo??rCoUo??rQ0

电荷增加为原来的电荷的?r倍，电容器内的电场强度

E?U0 d保持不变。

（2）极板上的电荷Qo保持不变，加入电介质后，电容器的电容为?rc0，极板间的电压

U?QoUo? C?r较原来的电压小，电场强度

E?EUU0??0 dd?r?r较原来的电场小。

3-2 如图3-2图所示，平行板电容器的极板面积为S，间距为d。试问：

（1）将电容器接在电源上，插入厚度为d/2的均匀电介质板（图a）介质内外电场之比为多少？它们和插入电介质之前电场之比为多少？

（2）在问题（1）中，若充电后撤去电源，再插入电介质板，情况如何？ （3）将电容器接在电源上，插入面积为S/2的均匀电介质板（图b），介质内外电场之比为多少？它们和未插入电介质之前电场之比为多少？

第三章 电介质中的静电场

3-1 （1）将平行板电容器两极板接在电源上以维持其间电压不变，用介质常数为?r?0的均匀电介质将它充满，极板上的电量为原来的几倍？电场为原来的几倍？

（2）若充电后撤掉电源，然后再加入电介质，情况如何？

答：（1）极板间的电压U。保持不变，充以电介质后，电容器的电容为?r?0，Co为未充以电介质以前电容器的电容。电容器极板上的电荷

Q?CUo??rCoUo??rQ0

电荷增加为原来的电荷的?r倍，电容器内的电场强度

E?U0 d保持不变。

（2）极板上的电荷Qo保持不变，加入电介质后，电容器的电容为?rc0，极板间的电压

U?QoUo? C?r较原来的电压小，电场强度

E?EUU0??0 dd?r?r较原来的电场小。

3-2 如图3-2图所示，平行板电容器的极板面积为S，间距为d。试问：

（1）将电容器接在电源上，插入厚度为d/2的均匀电介质板（图a）介质内外电场之比为多少？它们和插入电介质之前电场之比为多少？

（2）在问题（1）中，若充电后撤去电源，再插入电介质板，情况如何？ （3）将电容器接在电源上，插入面积为S/2的均匀电介质板（图b），介质内外电场之比为多少？它们和未插入电介质之前电场之比为多少？

静电场——电场电势图像

一、电场中的E-x图象

1．（2009上海高考）两带电量分别为q和－q的点电荷放在x轴上，相距为L，能正确反映两电荷连线上场强大小E与x关系的是图（ ）

A B

C D

2．（2010江苏高考）空间有一沿x轴对称分布的电场，其电场强度E随x变化的图象如图所示。下列说法正确的是（ ） A．O点的电势最低 B．x2点的电势最高

C．x1和-x1两点的电势相等 D．x1和x3两点的电势相等

3．空间有一沿x轴对称分布的电场，其电场强度E随x变化的图象如图所示，下列说法正确的是( )

A．O点的电势最低

B．x1和x3两点的电势相等 C．x2和－x2两点的电势相等 D．x2点的电势低于x3点的电势 4．（2012盐城二模）真空中有两个等量异种点电荷，以连线中点O为坐标原点，以它们的中垂线为x轴，下图中能正确表示x轴上电场强度情况的是（ ）

5．（2012盐城三模）两个等量正点电荷位于x轴上，关于原点O呈对称分布，下列能正确描述电场强度E随位置x变化规律的图是（ ）

6.【2013上海高考】．(12分)半径为R，均匀带正电荷的球体在空间产生球对称的电场；场

强大小沿半径分布如图所示，图中E0已