求电场强度的几种特殊思维方法

求电场强度的几种特殊思维方法
电场强度是静电学中极其重要的概念。

也是高考中考点分布的重点区域之一，求电场强度的常用方法有：定义式法，点电荷场强公式法，匀强电场公式法，矢量叠加法等。

本文讨论特殊静电场中求某点电场强度的几种特殊方法，供大家参考。

一、补偿法
求解电场强度，常用的方法是根据问题给出的条件建立起物理模型，如果这个模型是一个完整的标准模型，则容易解决。

但有时由题给条件建立的模型不是一个完整的标准模型，比如说是模型A 。

这时需要给原来的问题补充一些条件，由这些补充条件建立另一容易求解的模型B ，并且模型A 与模型B 恰好组成一个完整的标准模型。

这样，求解模型A 的问题就变为求解一个完整的标准模型与模型B 的差值问题。

例1 如图1所示，用长为l 的金属丝弯成半径为r 的圆弧，但在A 、B 之间留有宽度为d 的间隙。

且d r <<，将电量为Q 的正电荷均匀分布于金属丝上，求圆心处的电场强度。

解析 中学物理只讲到有关点电荷场强的计算公式和匀强电场场强的计算方法，本问题是求一个不规则带电体所产生的场强，没有现成公式直接可用，需变换思维角度。

假设将这个圆环缺口补上，并且己补缺部分的电荷密度与原有缺口的环体上的电荷密度一样，这样就形成一个电荷均匀分布的完整带电环，环上处于同一直径两端的微小部分所带电荷可视为两个相对应的点电荷，它们在圆心O 处产生的电场叠加后合场强为零。

根据对称性可知，带电圆环在圆心O 处的总场强0E =。

至于补上的带电小段，由题给
条件可视做点电荷，它在圆心O 处的场强1E 是可求的。

若题中待求场强为2E ，则
120E E +=。

设原缺口环所带电荷的线密度2Q
r d
δπ=
-，则补上的那一小段金属线的带
电量q d δ=。

q 在O 处的场强为12
kq
E r =
，由120E E +=可得 12E E =-
负号表示1E 与2E 反向，背向圆心向左。

评注 解决此题的方法，由于添补圆环缺口，将带电体“从局部合为整体”，整体时有办法解决．再“由整体分为局部”，求出缺口带电圆环在O 处的场强． 二、微元法
微元法就是将研究对象分割成许多微小的单元，或从研究对象上选取某一“微元”加以分析，从而可以化曲为直，使变量、难以确定的量为常量、容易确定的量。

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 为垂直于圆环平面的对称轴上的一点，OP l =，试求P 点的场强。

解析 设想将圆环等分n 个小段，当n 相当大时。

每一小段都
可以看做点电荷。

其所带电荷量Q q n
=。

由点电荷场强公式可求得每一点电荷在P 处的场强为222
()
kq kQ
E r n l r =='+ r
O A B
d 图1 O r P r 'y
E x E r E '
l
图2
由对称性可知，各小段带电环在P 处的场强E 的垂直于轴向的分量y E 相互抵消，而E 的轴向分量x E 之和即为带电环在P 处的场强P E 。

22
322222
cos ()
()()
P x Q
E nE nk
n l r nkQ klQ =n l r l r θ==+=++
评注 本题是通过“微元法”将非点电荷电场问题转化为点电荷电场问题求解。

三、等效替代法
“等效替代”方法，是指在效果一致的前提 ，从A 事实出发，用另外的B 事实来代替，必要时再由B 而C ……直至实现所给问题的条件，从而建立与之相对应的联系，得以用有关规律解之，如以模型替代实物，以合力 (合运动)替代数个分力(分运动)：等效电阻、等效电源等。

例3 如图3所示，一带q +电量的点电苘A ，与一块接地的长金属板MN 组成一系统。

点电荷A 与板间的垂直距离为d ，试求A 与板MN 的连线中点C
处的电场强度。

解析 此题初看十分棘手，如果再画出金属板MN 被点电荷A 所感应而产生的负电荷(于板的右表面)，则更是走进死胡同无法
解决，那么此题能否用中学所学的知识灵活地迁移而分析解决呢? 当然可以，由金属长板MN 接地的零电势条件，等效联想
图4所示的由两个等量异种电荷组成的系统的静电场的分布状况，这样的点电荷系统所形成的合电场的分布状况并不陌生，A 、B 两点电荷连线的垂直平分面M N '' ，恰是一电势为零的等势面，利用这样的等效替代的方法，很容易求出C 点的电场强度。

根据点电荷场强式
2
kq E r =
点电荷A 在C 点形成的电场
2
2CA kq E d =
⎛⎫ ⎪⎝⎭
点电荷B 在C 点形成的电场 2
32CB kq E d =
⎛⎫ ⎪⎝⎭
因CA E 与CB E 同方向，均从A 指向B ，故而 2
409C CA CB kq
E E E d =+=
评注 此题要求较高，需要类比等量异种电荷电场与所求电场的相似之处，才能发现可以替代。

高中物理试验本(选修加必修)第99页有此题模型的电场线分布图。

这种等效替代法也叫
“镜像法”。

四、极值法
物理学中的极值问题可分为物理型和数学型两类。

物理型主要依据物理概念、定理、定律求解。

数学型则是在根据物理规律列方程后，依靠数学中求极值的知识求解。

例5 如图5所示，两带电量均q +的点电荷相距l ，MN 是两点电荷连线的中垂线，求MN 上场强的最大值。

22
4cos ==A B kq E E l θ
''
根据平行四边形定则得到P 点的合场强为
2
28sin sin cos sin P A
B kq E E E l
θθθθ''=+= 22222
42
22244
6432cos sin 2sin cos cos P
k q k q E l l
θθθθθ==⨯⋅⋅因为2
2
2
2sin cos cos 2θθθ++=
3
3
2222222222
444
322sin cos cos 3223283327P k q k q k q E l l l θθθ⎛⎫++⎛⎫≤⨯=⨯=⨯ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 所以当2
2
2sin cos θθ=
时，即sin tan cos 2θθθ==时，2
P E 取得最大值22432827
k q l ⨯
即当
sin tan cos 2θθθ==时，P
点的场强取得最大值，且max E = 评注 本题属数学型极值法，对数学能力要求较高，求极值时要巧妙采用先求平方后的极值
才能解得。

五、转换法：
1．根据静电平衡状态下导体的特点，将求解感应电荷在导体内某点的场强问题，转换为求解场源电荷在该点的场强问题。

2．根据电场线与等势线垂直，求电场强度要先转化为找电场线，确定电场方向，再利用
U
E d
=
求解。

例5 长为l 的导体棒原来不带电，现将一带电电量为q +的点电荷放在距棒的左端r 处，如图6所示，当导体棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在棒内中点处产生的场强大小等于 ，方向
解析 导体处于静电平衡状态时，导体内部合场强为零，这是点电荷q 所形成的电场1E 与棒两端
出现的感应电荷所形成的附加电场2E 在棒中叠
q
q 图6
加的结果，即120E E E =+=,如图6所示,因此可通过计算点电荷q +产生的场强1E 来确定感应电荷的场强2E 的大小和方向，即
212
()
2
kq
E E l r -=-=
+，负号表示2E 与1E 方向相反，即2E 的方向向左。

评注 此题考查学生对导体静电平衡特点的理解，在灵活运用知识点的同时，让学生明确求解感应电荷场强的特殊思维方法。

附练习题
1．如图7所示，有一个均匀带电的硬橡胶球，其带电量为q 。

半径为r ，在距球体表面r 远处有一带电量为Q 的点电荷，此时带电体与点电荷间的库仑力为1F ,当
从硬橡胶球体中挖去如图中所示的一个半径为2
r
的球体时，硬橡胶球体
剩余部分对点电荷Q 的库仑力为2F ，求1F 与2F 的比值。

2．无限长均匀带电细导线弯成如图8所示的平面图形。

其中AB 是半径为r 的半圆弧，AA '平行于BB '，试求圆心O 处的电场强度。

3．一个竖直放置的半径为r 的光滑绝缘环，置于水平方向的匀强电场中，电场强度为E 。

有一质量为m ，电量为q 的带正电的空心小球套在环上，并且qE mg =，求 (1)当小球由静止开始从环的顶端A 下滑
1
4
圆弧长到位置B 时．小球速度为多大? 环对小球的压力为多大?
(2)小球从环的顶端A 滑至底端C 的过程中，小球在何处速度最大? 为多少?
4．在匀强电场中有P 、M 、N 三点，连线构成一个直角三角形,其中90P ∠=o
,30M ∠=o
,如图9所示，已知三点电势各为2P V ϕ=、6M V ϕ=、
2N V ϕ=-,20MN cm =，求电场强度的大小与方向？
r
r
Q A '
A '
O r 图8
M
P
N
30o。