题目
无穷大导体占据 \(z<0\) 空间，点电荷 \(q\) 位于 \(z=h\)。静电平衡时导体内部场强为零。求 \(z=h/2\) 处场强大小。
选项
- A. \(\dfrac{4kq}{h^2}\)
- B. \(\dfrac{4kq}{9h^2}\)
- C. \(\dfrac{32kq}{9h^2}\)
- D. \(\dfrac{40kq}{9h^2}\)
学习定位
电场强度与电势能
题族：导体与镜像法
训练能力：场强矢量叠加、电场功与能量判断
前置知识：库仑定律、力的合成与分解
查看该模型的完整题族链核心知识点
参考答案
分步解析
1. 条件提取
像电荷 \(-q\) 位于 z=-h；在 z=h/2 处，真实电荷和像电荷产生的场强均沿 z 轴负方向。
2. 模型与公式
在导体外区域用关于平面反对称的像电荷代替感应电荷，再在指定点叠加两个场强。 \[E_{\rm real}=\frac{kq}{(h/2)^2}=\frac{4kq}{h^2},\qquad E_{\rm image}=\frac{kq}{(3h/2)^2}=\frac{4kq}{9h^2}\]
3. 推导
用镜像法把导体替换为位于 \(z=-h\) 的像电荷 \(-q\)。在 \(z=h/2\) 处，真电荷与像电荷产生的场强都向下，大小分别为 \(4kq/h^2\) 与 \(4kq/(9h^2)\)，相加得 \(40kq/(9h^2)\)。
4. 结论
答案为 **D**。
初学者探索过程
从“导体与镜像法”开始探索
先把“单选第7题：导体平面的镜像电荷”还原成可复用的物理模型。下面两步先要求预测和解释，再展开检验。
每个阶段先暂停并写下自己的判断，再对照后面的检查与修正。
1. 先排除本题最容易出现的误判
先回答：暂不代入数据。阅读“单选第7题：导体平面的镜像电荷”后，判断为什么“把场强方向与负电荷受力方向混同，或把电场线、运动轨迹和等势线当成同一曲线”会导致错误，再写出研究对象、过程边界和首先要确定的“场强矢量叠加、电场功与能量判断”。
我先想到：最值得警惕的不是算错，而是：把场强方向与负电荷受力方向混同，或把电场线、运动轨迹和等势线当成同一曲线。
检查这个想法：先执行：先区分源电荷、试探电荷和研究点，再利用对称性选择场强叠加、受力平衡或能量方法。再检查题设中的方向、接触、阶段或临界条件是否已经进入模型。
修正之后：本题解析中的关键关系为：
\[\vec E=\frac{\vec F}{q},\qquad \vec E=\sum_i\vec E_i,\qquad W_{AB}=-\Delta E_p\]
先建立关系，再决定哪些数值需要代入。
留下的方法：本题族的母题动作是“先区分源电荷、试探电荷和研究点，再利用对称性选择场强叠加、受力平衡或能量方法”；看到新情境时应复用这个动作，而不是复用答案。
2. 观察会使“场强矢量叠加”发生转折的条件
先回答：改变动画中的一个关键参数，指出哪个时刻、方向、图像趋势或临界条件最先发生变化；再说明“源电荷与空间位置决定电场；场强按矢量叠加，电场力做功只由初末电势差决定”为什么仍成立。
我先想到：若只比较动画外观，我可能忽略“电场功与能量判断”已经改变。
检查这个想法：把变化前后都放回关系：
\[\vec E=\frac{\vec F}{q},\qquad \vec E=\sum_i\vec E_i,\qquad W_{AB}=-\Delta E_p\]
逐项区分模型不变量与由参数决定的结果。
修正之后：真正保持的是：源电荷与空间位置决定电场；场强按矢量叠加，电场力做功只由初末电势差决定。数值结论需要在新条件下重新计算并检查边界。
留下的方法：与同题族其他题相比，本题真正需要追踪的是“场强矢量叠加、电场功与能量判断”如何受条件变化控制。
现实同构案例
静电除尘、带电粒子控制与高压设备：现实中的“导体与镜像法”
现实场景
静电除尘器、喷涂设备和粒子束装置利用非匀强电场控制带电颗粒的受力、轨迹和能量变化。
题目与现实如何对应
题目中的点电荷、场线、试探电荷和势能曲线分别对应电极布局、局部场方向、带电颗粒和能量测量结果。 当前题目“单选第7题：导体平面的镜像电荷”训练的“场强矢量叠加、电场功与能量判断”正是完成这种映射时需要识别的量。
不变的物理模型
本题可使用关系：
\[\vec E=\frac{\vec F}{q},\qquad \vec E=\sum_i\vec E_i,\qquad W_{AB}=-\Delta E_p\]
更一般的模型关系是：
\[\vec E=\sum_i\vec E_i,\qquad \vec F=q\vec E,\qquad W_{AB}=-\Delta E_p\]
源电荷与空间位置决定电场；场强按矢量叠加，电场力做功只由初末电势差决定，因而动画与现实案例共享同一控制结构。
现实中还要补上的因素
- 真实空气可能发生电离和电荷泄漏。
- 颗粒还会受到阻力、重力和碰撞影响。
带回原题想一想
把“单选第7题：导体平面的镜像电荷”改写成上述现实场景后，应测量哪三个物理量，怎样用同一主关系判断结果是否满足安全或运行边界？
查看参考答案与评分要点
参考答案
先测量题目所对应的状态量、控制参数和边界量，再按“先区分源电荷、试探电荷和研究点，再利用对称性选择场强叠加、受力平衡或能量方法”建立模型。可先使用：
\[\vec E=\frac{\vec F}{q},\qquad \vec E=\sum_i\vec E_i,\qquad W_{AB}=-\Delta E_p\]
把测量值代入后，还必须检查方向、接触、阶段或临界条件；只有主方程和边界条件同时满足，现实结论才成立。
评分要点
- 指出现实对象与题目研究对象、过程边界的对应关系。
- 写出或说明关系 \[\vec E=\frac{\vec F}{q},\qquad \vec E=\sum_i\vec E_i,\qquad W_{AB}=-\Delta E_p\]，并解释关键变量。
- 说明至少一个现实修正因素，并完成安全或临界条件检查。
变式练习
进阶近似题：同考点结构迁移
点电荷位于接地导体球外，选取像电荷模型求轴线上场强并验证导体表面等势。
变式答案
先确定像电荷位置与电量，再叠加场强并检查边界电势。
思路提示
先保留本题的物理不变量，再改变几何、符号或过程条件建立新方程。