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例析电场强度的求解方法

佚名  《高中生》杂志  2006-6-7 0:52:02  减小字体 增大字体

    电场强度是静电学中最基本、最重要的概念之一,也是历年高考的热点之一.对场强的求解一般可用其定义式、点电荷场强公式以及匀强电场公式等,但有些电场问题还需一些特殊的处理方法,下面作一简单介绍.

    一、等效法
    例1  如图1,一空心金属球原来不带电,现沿球的直径的延长线放置一根均匀带电的细杆MN,球上感应电荷产生的电场在球的直径上a、b、c 3点的场强别为Ea、Eb、Ec,三者相比
        A.Ea最大   B.Eb最大   C.Ec最大   D.Ea=Eb=Ec
    解析  首先,应明确判断要求的是感应电荷的电场而不是合场强;其次,要明确金属球上感应电荷的布较复杂,无法直接求出.但因金属球处于静电平衡状态,其内部的合场强处处为零,即E合=E施感+E感应=0,所以可用等效法,通过求带电杆产生的电场来求解感应电荷的电场,再将细杆等效成点电荷(不影响讨论结果),可知答案C正确.
    点评  根据导体处于静电平衡状态时的特点,可将求解感应电荷在导体内某点的场强问题,等效为求解场源电荷在该点的场强问题.
    (图祥见《高中生》杂志05年4期上半月刊学习辅导)

    二、微元法
    例2  如图2所示,均匀带电圆环所带电荷量为 +Q,半径为R,圆心为O,P为垂直于圆环平面且通过圆心的轴上的一点,OP =L.试求P点的场强.
    解析  解答此题的关键是设法将(非点电荷)电场问题转化为点电荷电场问题.可设想将圆环看成由n个小段组成,当n相当大时,每一小段都可以看作点电荷,其所带电荷量Q′=Q/n,由点电荷场强公式可求得每一小段带电体在P处产生的场强为
    E==.
    由对称性知,各小段带电环在P处的场强E,垂直于轴的量Ey相互抵消,而其轴向量Ex之和即为带电环在P处的场强EP .
    EP=nEx==×=,方向沿OP向右.
    点评  通过微元法将中学阶段难以解决的非点电荷电场问题,转化为点电荷电场问题,并以此找到解题的突破口.
    (图祥见《高中生》杂志05年4期上半月刊学习辅导)

    三、图像法
    例3  如图3中a所示,在点电荷+Q的附近放一长方体薄壁中空的金属盒,试析盒内由感应电荷产生的电场的布情况.
    解析  由题意可知,处于静电平衡状态的金属盒内的合场强处处为零,所以感应电荷产生的电场必与点电荷 +Q产生的电场等值、反向,即感应电荷产生的电场线应与点电荷+Q在盒内产生的电场线同样疏密,方向相反,如图3中b所示.
    点评  电场线可直观、形象地描述电场,通过熟知的电场线和静电平衡状态下导体的特点,可以描绘出感应电荷产生的复杂的电场.
    (图祥见《高中生》杂志05年4期上半月刊学习辅导)

    四、等
    例4  如图4中a所示,A、B、C、D是匀强电场中一正方形的4个顶点,已知A、B、C 3点的电势别为φA=15 V,φB =3 V,φC =-3 V.由此可得D点的电势φD=____V.
    解析  如图4中b所示,有
    UAB=φA-φB=(15-3)V=12 V,
    UAC=φA-φC =18V,
    则UAB /UAC =2/3.
    将AC三等,等点为F与H,则第二等点F必与点B等电势,连接BF,因此BF为电场中的一条等势线.连接DH,由几何关系和匀强电场等势线的特点可知DH也是一条等势线,所以D点电势φD=9V.
    点评  利用匀强电场的场强布特点和电场线与等势线的关系,结合等法来解决等势点和场强方向问题,是一条十有效的途径.
    (图祥见《高中生》杂志05年4期上半月刊学习辅导)
    (原载《高中数理化》)


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