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真空中有一个半径为R的均匀带电球面,带电量为Q,在球心O处还有一个电荷量为q的点电荷。设无穷远处为电势零点,则在球内P点处(P点与球心O的距离为r)的电势为( ) A. B. C. D.

真空中有一个半径为R的均匀带电球面,带电量为Q,在球心O处还有一个电荷量为q的点电荷。设无穷远处为电势零点,则在球内P点处(P点与球心O的距离为r)的电势为( ) A. B. C. D.

好的,我们一步一步推理。


1. 已知条件

均匀带电球面,半径 RR,带电量 QQ

球心 OO 处还有一个点电荷 qq

无穷远电势为零

求球内 PP 点(OP=rOP = r,且 r<Rr < R)的电势。


2. 原理
电势可叠加:球面上 QQ 在球内产生的电势 + 点电荷 qqPP 点产生的电势。


3. 均匀带电球面在球内产生的电势
由高斯定理可知,均匀带电球面内部场强 E=0E = 0(对 r<Rr < R)。

但电势为常数:
由于内部场强为 0,电势处处相等,且等于球面处的电势(因为从球面到内部无场强,电势不变)。

球面处的电势:
对于球面外部,取无穷远为 0,球面处的电势为

Vsurface=kQRV_{\text{surface}} = \frac{kQ}{R}

(这里 k=14πϵ0k = \frac{1}{4\pi \epsilon_0}

所以球内任意一点 r<Rr<R

VQ(r)=kQRV_Q(r) = \frac{kQ}{R}

4. 点电荷 qqPP 点产生的电势
球内 PP 距球心 rr,所以 qqPP 产生的电势为

Vq(r)=kqrV_q(r) = \frac{kq}{r}

5. 总电势

V(r)=kQR+kqrV(r) = \frac{kQ}{R} + \frac{kq}{r}=14πϵ0(QR+qr)= \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \left( \frac{Q}{R} + \frac{q}{r} \right)

6. 与选项对应
常见选择题形式会将 kk 写作 14πϵ0\frac{1}{4\pi\epsilon_0},所以

V=14πϵ0(QR+qr)V = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \left( \frac{Q}{R} + \frac{q}{r} \right)

也就是

Q4πϵ0R+q4πϵ0r\frac{Q}{4\pi\epsilon_0 R} + \frac{q}{4\pi\epsilon_0 r}

对应选项应为这个表达式。 通常选项 A、B、C、D 会有一个是这个形式。


最终答案:

Q4πϵ0R+q4πϵ0r\boxed{\frac{Q}{4\pi\epsilon_0 R} + \frac{q}{4\pi\epsilon_0 r}}

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