求電場強度的幾種特殊思維方法

2022-08-29 01:45:03 字數 2828 閱讀 2346

電場強度是靜電學中極其重要的概念。也是高考中考點分布的重點區域之一,求電場強度的常用方法有:定義式法,點電荷場強公式法,勻強電場公式法,向量疊加法等。

一、補償法

求解電場強度,常用的方法是根據問題給出的條件建立起物理模型,如果這個模型是乙個完整的標準模型,則容易解決。但有時由題給條件建立的模型不是乙個完整的標準模型,比如說是模型。這時需要給原來的問題補充一些條件,由這些補充條件建立另一容易求解的模型,並且模型與模型恰好組成乙個完整的標準模型。

這樣,求解模型的問題就變為求解乙個完整的標準模型與模型的差值問題。

例1 如圖1所示,用長為的金屬絲彎成半徑為的圓弧,但在、b之間留有寬度為的間隙。且,將電量為q的正電荷均勻分布於金屬絲上,求圓心處的電場強度。

解析中學物理只講到有關點電荷場強的計算公式和勻強電場場強的計算方法,本問題是求乙個不規則帶電體所產生的場強,沒有現成公式直接可用,需變換思維角度。假設將這個圓環缺口補上,並且己補缺部分的電荷密度與原有缺口的環體上的電荷密度一樣,這樣就形成乙個電荷均勻分布的完整帶電環,環上處於同一直徑兩端的微小部分所帶電荷可視為兩個相對應的點電荷,它們在圓心o處產生的電場疊加後合場強為零。根據對稱性可知,帶電圓環在圓心o處的總場強。

至於補上的帶電小段,由題給條件可視做點電荷,它在圓心o處的場強是可求的。若題中待求場強為,則。設原缺口環所帶電荷的線密度,則補上的那一小段金屬線的帶電量。

在o處的場強為,由可得

負號表示與反向,背向圓心向左。

評注解決此題的方法,由於添補圓環缺口,將帶電體「從區域性合為整體」,整體時有辦法解決.再「由整體分為區域性」,求出缺口帶電圓環在o處的場強.

二、微元法

微元法就是將研究物件分割成許多微小的單元,或從研究物件上選取某一「微元」加以分析,從而可以化曲為直,使變數、難以確定的量為常量、容易確定的量。

例2 如圖2所示,均勻帶電圓環所帶電荷量為q,半徑為,圓心為o,p為垂直於圓環平面的對稱軸上的一點,,試求p點的場強。

解析設想將圓環等分個小段,當相當大時。每一小段都可以看做點電荷。其所帶電荷量。由點電荷場強公式可求得每一點電荷在p處的場強為

由對稱性可知,各小段帶電環在p處的場強的垂直於軸向的分量相互抵消,而的軸向分量之和即為帶電環在p處的場強。

評注本題是通過「微元法」將非點電荷電場問題轉化為點電荷電場問題求解。

三、等效替代法

「等效替代」方法,是指在效果一致的前提 ,從事實出發,用另外的事實來代替,必要時再由而……直至實現所給問題的條件,從而建立與之相對應的聯絡,得以用有關規律解之,如以模型替代實物,以合力 (合運動)替代數個分力(分運動):等效電阻、等效電源等。

例3 如圖3所示,一帶電量的點電檾,與一塊接地的長金屬板組成一系統。點電荷與板間的垂直距離為,試求與板的連線中點處的電場強度。

解析此題初看十分棘手,如果再畫出金屬板mn被點電荷所感應而產生的負電荷(於板的右表面),則更是走進死胡同無法解決,那麼此題能否用中學所學的知識靈活地遷移而分析解決呢? 當然可以,由金屬長板接地的零電勢條件,等效聯想圖4所示的由兩個等量異種電荷組成的系統的靜電場的分布狀況,這樣的點電荷系統所形成的合電場的分布狀況並不陌生,a 、b兩點電荷連線的垂直平分面,恰是一電勢為零的等勢面,利用這樣的等效替代的方法,很容易求出點的電場強度。根據點電荷場強式

點電荷在點形成的電場

點電荷在點形成的電場

因與同方向,均從指向,故而

評注此題要求較高,需要模擬等量異種電荷電場與所求電場的相似之處,才能發現可以替代。高中物理試驗本(選修加必修)第99頁有此題模型的電場線分布圖。這種等效替代法也叫「映象法」。

四、極值法

物理學中的極值問題可分為物理型和數學型兩類。物理型主要依據物理概念、定理、定律求解。數學型則是在根據物理規律列方程後,依靠數學中求極值的知識求解。

例5 如圖5所示,兩帶電量均的點電荷相距,是兩點電荷連線的中垂線,求上場強的最大值。

根據平行四邊形定則得到點的合場強為

因為所以當時,即時,取得最大值

即當時,點的場強取得最大值,且

評注本題屬數學型極值法,對數學能力要求較高,求極值時要巧妙採用先求平方後的極值才能解得。

五、轉換法:

1.根據靜電平衡狀態下導體的特點,將求解感應電荷在導體內某點的場強問題,轉換為求解場源電荷在該點的場強問題。

2.根據電場線與等勢線垂直,求電場強度要先轉化為找電場線,確定電場方向,再利用求解。

例5 長為的導體棒原來不帶電,現將一帶電電量為的點電荷放在距棒的左端處,如圖6所示,當導體棒達到靜電平衡後,棒上感應電荷在棒內中點處產生的場強大小等於方向

解析導體處於靜電平衡狀態時,導體內部合場強為零,這是點電荷所形成的電場與棒兩端出現的感應電荷所形成的附加電場在棒中疊加的結果,即,如圖6所示,因此可通過計算點電荷產生的場強來確定感應電荷的場強的大小和方向,即

,負號表示與方向相反,即的方向向左。

評注此題考查學生對導體靜電平衡特點的理解,在靈活運用知識點的同時,讓學生明確求解感應電荷場強的特殊思維方法。

附練習題

1.如圖7所示,有乙個均勻帶電的硬橡膠球,其帶電量為。半徑為,在距球體表面遠處有一帶電量為的點電荷,此時帶電體與點電荷間的庫侖力為,當從硬橡膠球體中挖去如圖中所示的乙個半徑為的球體時,硬橡膠球體剩餘部分對點電荷的庫侖力為,求與的比值。

2.無限長均勻帶電細導線彎成如圖8所示的平面圖形。其中是半徑為的半圓弧,平行於,試求圓心處的電場強度。

3.乙個豎直放置的半徑為的光滑絕緣環,置於水平方向的勻強電場中,電場強度為。有一質量為,電量為的帶正電的空心小球套在環上,並且,求

(1)當小球由靜止開始從環的頂端下滑圓弧長到位置時.小球速度為多大? 環對小球的壓力為多大?

(2)小球從環的頂端滑至底端的過程中,小球在何處速度最大? 為多少?

4.在勻強電場中有、、三點,連線構成乙個直角三角形,其中, ,如圖9所示,已知三點電勢各為、、,,求電場強度的大小與方向?

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