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电容器作为储能器件,在生产生活中有广泛的应用。实际电容器在外形结构上有多种不同的形式,一个金属球和一个与它同心的金属球壳也可以组成一个电容器,叫做球形电容器。如图1所示,两极间为真空的球形电容器,其内球半径为R1,外球内半径为R2,其电容C=
R
1
R
2
k
R
2
-
R
1
,其中k为静电力常量。与平行板电容器一样,当该电容器极板所带电荷量变化时,两极板间的电势差也随之变化。
(1)图2为该电容器在充电过程中两极板间的电势差U随带电量q变化的关系图像,请类比直线运动中由v-t图像求位移的方法,推导该球形电容器充电电荷量达到Q时所具有的电势能Ep的表达式;
(2)孤立导体也能储存电荷,也具有电容,可以将孤立导体球看作另一极在无穷远的球形电容器。若已知某金属小球半径为r,且r远远小于地球半径。
a.请结合题目信息推导该金属小球的电容C'的表达式。
b.若将带电金属小球用导线与大地相连,我们就会认为小球的电荷量减小为零。请结合题目信息与所学知识解释这一现象。

【答案】(1)该球形电容器充电后电荷量达到Q时所具有的电势能Ep的表达式为Ep=
k
Q
2
R
2
R
1
2
R
1
R
2

(2)a、半径为R的孤立导体球的电容C′的表达式为C′=
R
k

b、由于地球的电容远大于一般金属小球的电容,将带电金属小球用导线与大地相连,地球带电量远大于小球的带电量,所以可以认为小球的电荷量减小为0。
【解答】
【点评】
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发布:2024/6/27 10:35:59组卷:325引用:1难度:0.3
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