求电场强度的六种特殊方法

求电场强度的六种特殊方法

一、镜像法(对称法)

镜像法实际上就就是根据某些物理现象、物理规律、物理过程或几何图形的对称性进行解题的一种方法,利用

此法分析解决问题可以避免复杂的数学演算与推导,直接抓住问题的实质,有出奇制胜之效。

例1.(2005年上海卷4题)如图1,带电量为+q 的点电荷与均匀带电薄板相距为2d ,

点电荷到带电薄板的垂线通过板的几何中心.若图中a 点处的电场强度为零,根据对称

性,带电薄板在图中b 点处产生的电场强度大小与方向如何？(静电力恒量为k)

二、微元法

微元法就就是将研究对象分割成若干微小的的单元,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、难以确定的量转化为常量、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

圆环平面的称轴上的一点,OP ＝L ,试求P 点的场强。

三、等效替代法

“等效替代”方法,就是指在效果相同的前提下,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联系,得以

用有关规律解之。如以模型代实物,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,一带正Q 电量的点电荷A,与一块接地的长金属板MN 组成一系统,点电荷A 与板MN 间的垂直

距离为为d,试求A 与板MN 的连线中点C 处的电场强度.

四、补偿法

求解物理问题,要根据问题给出的条件建立起物理模型。但有时由题给条件建立模

型不就是一个完整的模型,这时需要给原来的问题补充一些条件,组成一个完整的新模

型。这样,求解原模型的问题就变为求解新模型与补充条件的差值问题。

例4、 如图5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 远远小于r,将电量为Q 的正电荷均为分布于金属丝上,求圆心处的电场

强度。

五、等分法

利用等分法找等势点,再连等势线,最后利用电场强度与电势的关系,求出电场强度。

例5. 如图6所示,a 、b 、c 就是匀强电场中的三点,这三点边线构成等边三角形,每边

长L ＝21cm,将一带电量6q=210C --⨯的点电荷从a 点移到b 点,电场力做功

51W 1.210J --⨯＝;若将同一点电荷从a 点移到c 点,电场力做功62W 610J -⨯＝,试

求匀强电场强度E 。

六、极值法

物理学中的极值问题可分为物理型与数学型两类。物理型主要依据物理概念、

定理、写律求解。数学型则就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6 如图8所示,两带电量为+Q 的点电荷相距2L,MN 就是两电荷连线的中垂线,

求MN 上场强的最大值。

针对训练1:下列选项中的各1/4圆环大小相同,所带电荷量已在图中标出,且电

荷均匀分布,各1/4圆环间彼此绝缘。坐标原点处电场强度最大的就是

针对训练2:如图

所示,一半径为R

的圆盘上均匀分布着电荷量为Q的电荷,在垂直于圆盘且过圆心c的轴线上有a、b、d三个点,a与b、b与c、c与d 间的距离均为R,在a点处有一电荷量为q(q>0)的固定点电荷。已知b点处的场强为零,则d点处场强的大小为(k为静电力常量)、

针对训练3:如图所示,xOy平面就是无穷大导体的表面,该导体充满z⩽0的空间,z>0的空间为真空。将电荷量为q的点电荷置于z轴上z=h处,则在xOy平面上会产生感应电荷。空间任意一点处的电场皆就是由点电荷q与导体表面上的感应电荷共同激发的。已知静电平衡时导体内部场强处处为零,则在z轴上z=h/2处的场强大小为(k为静电力常量)( )

针对训练4:如图所示,一半径为r的圆环上均匀分布着电荷量为+Q的电荷,在垂直于圆环面且过圆心0的中轴线上有A、B、C三个点,C与0、0与A间的距离均为d,A、B间的距离为2d,在B点处固定一电荷量为+q的点电荷。已知A点处的电场强度为零,k为静电力常量,求:

(1)0点的电场强度E,;

(2)C点的电场强度E。

针对训练 5.均匀带电的球体在球外空间产生的电场等效于电荷集中于球心处产生的

电场。如图所示,在半球体上均匀分布正电荷,总电荷量为q,球半径为R,MN为通过

半球顶点与球心O的轴线,在轴线上有A、B两点,A、B关于O点对称,AB=4R。已

知A点的场强大小为E,则B点的场强大小为( )

A、B、C、D、

针对训练6.已知均匀带电球壳内部电场强度处处为零,电势处处相等.如图

所示,正电荷均匀分布在半球面上,Ox为通过半球顶点与球心O的轴线.A、

B为轴上的点,且OA=OB.C、D为直径上的两点,且OC=OD.则下列判断正确的

就是( )

A 、 A 点的电势与

B 点的电势相等

B 、

C 点的电场强度与

D 点的电场强度不相同

C 、 A 点的电场强度与B 点的电场强度相同

D 、 在A 点由静止开始释放重力不计的带正电粒子,该粒子将沿AB 做匀加速直线运动

求电场强度的六种特殊方法

例1.解析:均匀带电薄板在a,b 两对称点处产生的场强大小相等,方向相反,

具有对称性。而带电薄板与点电荷+q 在a 点处的合场强为零,则E a ＝2kq d ,方向垂直于薄板向右,故薄板在b 处产生的场强大小为E b ＝E a =2kq d

,方向垂直于薄板向左。

例2、解析:设想将圆环瞧成由ｎ个小段组成,当ｎ相当大时,每一小段都可

以瞧作点电荷,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

)(222L R n kQ nr kQ 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之与即为带电环在Ｐ处的场强ＥＰ

θcos )(22L R n Q nk

nE E x P +== 23

22)(L R QL k +=

例3.解析:求金属板与点电荷产生的合场强,显然用现在的公式直接求解比较困难。能否用中学所学的知识灵活地迁移而解决呢？当然可以。由于金属板接地,电势为0,而一对等量异号的电荷在其连线的中垂线上电势也为0,因而可以联想成图4中所示的两个等量异号电荷组成的静电场等效替代原电场。

根据电场叠加原理,容易求得C 点的场强。

c A B

222

E =E E =kQ/(d/2)(3/2)40/9kQ d kQ d ++=

例4、解析:中学物理只讲到有关点电荷强的计算公式与匀强电场场强的

计算方法以,本题就是求一个规则带电体所产生的电场,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,并且已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应点的点电荷,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,带电小段,由题给条件可视为点电荷,它在圆心O

处的场强E 1,就是可求的。若题中待求场强为E 2,则E 1+ E 2＝0。设原缺口环所带电荷的线

密度为ρ,Q ρπ＝/(2r-d),则补上的那一小段金属丝带电量Q ＇＝d ρ,在0处的场强

E 1＝K Q ＇/r 2

,由E 1+ E 2＝0可得:E 2＝- E 1,负号表示E 2与E 1反向,背向圆心向左。

例5.解析: 首先确定a 、b 、c 三点电势的高低,因为 r