请写一道大学物理题:真空中有一个总电量为、半径为R的均匀带电球壳和一块(可视为)无限大、电 荷面密度为o的带电平面,如图所示.求:(1)x>0 空间的电场强度分布;(2)定性 画出B点的场强叠加图;(3)A、B两点的电势差.(OA=OB=2R,0=60°)
时间: 2024-02-16 16:01:16 浏览: 293
(1) 在均匀带电球壳内部,电场强度为0;在球壳和带电平面之间的区域内,球壳产生的电场强度与球心到该点距离有关,而带电平面产生的电场强度与距离无关。因此,对于x > 0的区域,电场强度分布如下图所示:
![物理题示意图](https://img-blog.csdnimg.cn/20211201154102520.png)
其中,E1为球壳在该点产生的电场强度,E2为带电平面在该点产生的电场强度。
根据库仑定律,球壳在该点产生的电场强度大小为:
E1 = k × Q / r^2
其中,Q为球壳的总电量,r为球心到该点的距离。由于球壳是均匀带电的,因此球壳上任意一点产生的电场强度大小相同。因此,球心和该点之间的距离为R,可以得到:
E1 = k × Q / R^2
带电平面在该点产生的电场强度大小为:
E2 = σ / (2ε0)
其中,σ为带电平面的电荷面密度,ε0为真空介电常数。
因此,x > 0的区域内的电场强度大小为:
E = E1 + E2 = k × Q / R^2 + σ / (2ε0)
(2) 对于B点,球壳产生的电场强度方向指向球心,带电平面产生的电场强度方向垂直于平面且指向平面。因此,B点的场强叠加图如下所示:
![物理题示意图](https://img-blog.csdnimg.cn/20211201154215717.png)
(3) A、B两点的电势差可以通过积分计算得到。假设球壳的电势为0,则A、B两点的电势差为:
ΔV = VB - VA = - ∫A→B E·ds
其中,E为A、B两点间的电场强度,s为沿着从A到B的路径上的线元素。
对于A点,球壳和带电平面产生的电场强度方向均垂直于从A到B的路径,因此,从A到B的路径上只有带电平面产生的电场强度对电势差有贡献。因此,可以得到:
ΔVA = - ∫A→B E2·ds = - E2∫A→B ds
其中,E2为带电平面在该点产生的电场强度大小,∫A→B ds为从A到B的路径长度。
由于OA = OB = 2R,OA与OB的夹角为60°,因此从A到B的路径长度为√3R。因此,可以得到:
ΔVA = - E2∫A→B ds = - E2√3R
对于B点,球壳和带电平面产生的电场强度方向与从A到B的路径垂直,因此,从A到B的路径上只有球壳产生的电场强度对电势差有贡献。因此,可以得到:
ΔVB = - ∫A→B E1·ds = - E1∫A→B ds
其中,E1为球壳在该点产生的电场强度大小,∫A→B ds为从A到B的路径长度。
由于OB = 2R,因此从A到B的路径长度为2R。因此,可以得到:
ΔVB = - E1∫A→B ds = - 2kQ / R
将E1和E2的表达式代入上式中,得到:
ΔV = ΔVB - ΔVA = 2kQ / R + E2√3R
其中,k为库仑常数,Q为球壳的总电量,E2为带电平面在该点产生的电场强度大小。
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