分科測驗
113年
物理
第 4 題
某科學博物館有一個令人印象深刻的實驗演示：將人安置在一個巨大的金屬籠內，即使外加於金屬籠的高電壓產生巨大火花，金屬籠內的人依然毫髮無傷。依據前述實驗結果，若將一導體球殼置於電場中，則下列電力線分布示意圖，何者正確？（各選項中實線代表不偏折的電力線，虛線代表垂直射入或穿出導體球殼表面的電力線）
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A
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B
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C
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D
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E
思路引導 VIP
回想一下法拉第籠的原理，當金屬導體放置在外加電場中達到「靜電平衡」時，導體的『實體內部』以及『無電荷的空腔』電場強度會是多少呢？這又會如何決定電力線能不能穿透進去？
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太棒了！你精準地選出了正確答案。這道題目巧妙地結合了博物館常見的「法拉第籠」實驗，也就是物理學中經典的靜電屏蔽效應。
靜電平衡的兩大關鍵特性
當金屬導體置於外加電場中達到靜電平衡時，導體內部（包含實體部分與未帶電的空腔）的電場強度皆必定為零（$E=0$）。既然沒有電場，電力線自然無法穿透導體內部與空腔，藉由這個觀念，我們就能快速排除大部分的錯誤圖形。
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靜電屏蔽與電力線
💡 導體內部電場為零，電力線必與導體表面垂直。
- 靜電平衡時，導體內部及中空腔室電場為零。
- 電力線進入或離開導體表面時，必與表面垂直。
- 外部電場會使導體電荷重新分布，抵銷內部電場。
- 靜電屏蔽效應可保護內部免受外加電場影響。
