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点的场强分别为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分布较复杂,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,垂直于轴的分量Ey相互抵消,而其轴向分量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,试分析盒内由感应电荷产生的电场的分布情况.
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、等分法
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点的电势分别为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三等分,等分点为F与H,则第二等分点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分布特点和电场线与等势线的关系,结合等分法来解决等势点和场强方向问题,是一条十分有效的途径.
(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》)