電場疊加問題的處理

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高中物理 來源: 高中學(xué)習(xí)網(wǎng)

例一:如圖所示,一導(dǎo)體球A帶有正電荷,當(dāng)只有它存在時,它在空間P點產(chǎn)生的電場強度的大小為EA,在A球球心與P點連線上有一帶負(fù)電的點電荷B,當(dāng)只有它存在時,它在空間P點產(chǎn)生的電場強度的大小為EB,當(dāng)A、B同時存在時,根據(jù)場強疊加原理,P點的場強大小應(yīng)為 (   )
A. EB
B. EA+EB
C. | EA-EB |
D. 以上說法都不對
  分析與解:此題考查了求電場強度的幾個公式的適用條件,特別要注意公式F=kQq/r2只適用于點電荷,因為導(dǎo)體球A不能視為點電荷,即引入電荷B后,導(dǎo)體球的電荷分布發(fā)生變化,所以P點的電場強度無法確定。
正確答案為:D
  例二:半徑為R的絕緣球殼上均勻地帶有電量為+Q的電荷,另一帶電量為+q的點電荷放在球心O上,由于對稱性,點電荷受力為零,現(xiàn)在球殼上挖去半徑為r (r<< R)的一個小圓孔,則此時置于球心的點電荷所受力的大小為 (已知靜電力恒量為k)
  解法一:利用"補償法"求解。在球殼上挖一小圓孔,相當(dāng)于圓孔處放一等量異種電荷,電量為 ,因為挖去小孔前受力平衡,所以挖去后受力即為q′與q的庫侖力。即,方向由球心指向小孔中心。
  解法二:本題還可以等效為在挖去一小圓孔的關(guān)于球心對稱的另一側(cè)放一等量同種電荷q′,對球心處的q產(chǎn)生的電場力,因q′=r2Q/4R2,且它與q是同種電荷,所以,方向仍由球心指向小孔中心。
  點評:在求解電場強度時 高考,可將研究對象進行分割或補償,從而使非理想化模型、非對稱體轉(zhuǎn)化為對稱體,達到簡化結(jié)構(gòu)的目的。
  例三:如圖所示,均勻帶電圓環(huán)的帶電荷量為+Q,半徑為R,圓心為O,P為垂直于圓環(huán)平面的對稱軸上的一點,OP=L,P點的場強為多少?
  分析與解:本題可采用微元法,即在圓環(huán)上取一小段△l,設(shè)圓環(huán)上電荷的分布密度為ρ,則該小段的帶電量△q=ρ×△l,
在P點產(chǎn)生的場強:E= k△q/r2
而:r2=R2+L2,
P點處的場強又可分解為:
,  
因為圓環(huán)上電荷分布具有對稱性,所以Y軸方向的合電場為0。
則P點的場強為:
  例四:如圖所示,直線AB上均勻分布著密度為 ρ 的正電荷 (單位長度的帶電量為 ρ ),P到AB的距離為R,求P點的場強。
   分析與解:以P為為圓心做一個與直線AB相切的圓,認(rèn)為圓弧上也均勻分布著線密度為ρ的正電荷,在AB上任取一微元ΔL(C點),圓弧上對應(yīng)一微元ΔL′,令PC=r,則ΔL在P點處的場強為:


∵   ∴
ΔL′在P處產(chǎn)生的場強:
∴ Ei= Ei′
  由此可見,直線AB上的電荷在P點的場強可由弧MQN進行等效替代,
  設(shè)∠APB= α (由AB的長度可以算出)
  在弧MQN上任取一小段ΔLi,它在P 點產(chǎn)生的電場為:
  
∴ ,
 
∴ P點的場強:
∵ α=180°   ∴
  例五:一根無限長均勻帶電細(xì)線彎成如圖所示的平面圖形,其中AB是半徑為R的半圓弧,AA′平行于BB′,試求圓心處電場強度。(單位長度帶電量為ρ)
  分析與解:由上題的解答可得AA′相當(dāng)于半個圓弧,BB′等效于半個圓弧,則整個圖形可視為均勻帶電的圓形。所以,圓心處的合電場為0。
  例六:如圖所示,在半徑為R的圓環(huán)上分布有不能移動的正電荷,總電量為Q,AB是它的一直徑,如果要使AB上的場強處處為零,問圓環(huán)上的電荷應(yīng)該如何分布?
  分析與解:由對稱性可知均勻分布的圓環(huán)圓心處的場強為0,由此可推廣:均勻帶電球殼其內(nèi)部場強處處為0。由于要求直徑AB上的場強為0,而圓環(huán)只對圓心具有中心對稱性,故可知圓環(huán)上的電荷分布是不均勻的,可設(shè)想把原均勻分布在球面上的電荷,對應(yīng)地壓縮到以AB為直徑的一圓環(huán)上,它們在直徑AB上的場強則處處為0。
  如圖所示,圓環(huán)上任一點P處一小段弧長ΔL,ΔL上分布的電量應(yīng)等于半徑為R,電量為Q的均勻帶電球面上相應(yīng)一小環(huán)帶所帶電的一半,
  故有:
  即圓環(huán)上電荷分布規(guī)律為:
  點評:本題的求解關(guān)鍵在于將圓環(huán)上電荷的不均勻分布與球面上電荷的均勻分布相聯(lián)系,而這種聯(lián)系是建立在兩者于直徑上的場強等效而產(chǎn)生的,靜電學(xué)的等效處理是一種很有效的解題。



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