一輪複習:非點電荷電場強度的計算

2022年12月09日04:10:15 教育 1860

1.電量分佈均勻的球殼在殼內產生的場強為零。

2.電量分佈均勻的球殼在殼外產生的場強等效於電荷集中於球心處產生的場強。

3.點電荷場強公式E=kQ/r²的適用條件是點電荷、真空、靜止。

4.電場是矢量,滿足矢量疊加法則。

5.任何帶電體產生的場強都可以看作是把帶電體分割成點電荷產生的場強的疊加。

6.場強與電量成正比。

常用方法:

一:補償法

例題:已知均勻帶電球體在球的外部產生的電場與一個位於球心的、電荷量相等的點電荷所產生的電場相同。如圖所示,

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半徑為R的球體上均勻分佈着電荷量為Q的電荷,在過球心O的直線上有A、B兩個點,O和B、B和A間的距離均為R,現以OB為直徑在球內挖一球形空腔,若靜電力常量為k,球的體積公式為V=4πr³/3,則A點處場強的大小為(A)

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例題:均勻帶電的球殼在球外空間產生的電場等效於電荷集中於球心處產生的電場.如圖所示,

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在半球面AB上均勻分佈正電荷,總電荷量為q,球面半徑為R,CD為通過半球頂點與球心O的軸線,在軸線上有M、N兩點,OM=ON=2R,已知M點的場強大小為E,則N點的場強大小為?

【解析】

填充為一個完整球,再結合利用對稱性。

如圖所示,

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在直徑A0B右側同時補上一個電荷量為+q的右半球殼和一個電荷量為-q的右半球殼,這相當於還是只有原來的「左半+q的球殼」,這時,N點場強可以看作是完整的+2q球殼和「右半-q的半球殼」共同產生的。由對稱性可知,「右半-q的半球殼」在N點產生的場強與「左半+q的球殼」在M點產生的場強是相等的。

【答案】

kq/2R²-E

例題:一均勻帶負電的半球殼,球心為O點,AB為其對稱軸,平面L垂直AB把半球殼一分為二,L與AB相交於M點,對稱軸AB上的N點和M點關於O點對稱。已知一均勻帶電球殼內部任一點的電場強度為零。取無窮遠處電勢為零,與點電荷q距離為r處的電勢為φ=kq/r。假設平面L左側部分在M點的電場強度大小為E₁,電勢為φ₁;右側部分在M點的電場強度大小為E₂,電勢為φ₂;整個半球殼在M點的電場強度大小為E₃,在N點的電場強度大小為E₄。下列說法中正確的是(D)

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A.若左右兩部分的表面積相等,則有E₁>E₂,φ₁>φ₂

B.若左右兩部分的表面積相等,則有E₁<E₂,φ₁<φ₂

C.只有左右兩部分的表面積相等,才有E₁>E₂,E₃=E₄

D.不論左右兩部分的表面積是否相等,總有E₁>E₂,E₃=E₄

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例題:一球面均勻帶有正電荷,球內的電場強度處處為零,如圖所示,


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O為球心,A、B為直徑上的兩點,OA=OB,現垂直於AB將球面均分為左右兩部分,C為截面上的一點,移去左半球面,右半球面所帶電荷仍均勻分佈,則(A)

A.O、C兩點電勢相等

B.A點的電場強度大於B點

C.沿直線從A到B電勢先升高後降低

D.沿直線從A到B電場強度逐漸增大

【解析】

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C點場強方向水平,這是因為a、c兩點場強抵消(內部場強為零),取關於豎直面對稱的b點,b、c兩點的場強合成水平,因此場強垂直豎直面,豎直面是一個等勢面,O、C兩點電勢相等。

本題解題關鍵是抓住對稱性,找出兩部分球面上電荷產生的電場的關係,左半球面在A點的場強與缺失的右半球面在B點的產生的場強大小相等,方向相反是解題的關鍵。

A、對於完整帶電球面,在其內部AB的中垂面上各點場強為零,可知左右半球面在此中垂面上各點的場強等大反向,因左右半球面的電場關於中垂面對稱,所以左右半球面各自在中垂面上各點的場強方向均垂直於中垂面對稱,所以左右半球面各自在中垂面上各點的場強方向均垂直於中垂面,則左半球面移走後,右半球在中垂面上各點場強均垂直與中垂面,即中垂面為等勢面,故O、C兩點電勢相等,故A正確;

B、D項,將題中半球殼補成一個完整的球殼,且帶電均勻,設左、右半球在A點產生的電場強度大小分別為E₁和E₂,由題知,均勻帶電球殼內部電場強度處處為零,則知E₁=E₂,根據對稱性,左右半球在B點產生的電場強度大小分別為E₂和E₁,且E₁=E₂。

在圖示電場中,A的電場強度大小為E₁,方向向左,B的電場強度大小為E₂,方向向左,所以A點的電場強度與B點的電場強度相同,故從A到B場強不可能逐漸增大,故B、D錯誤;C、根據電場疊加原理可知,x軸上電場線的方向向左,沿着電場線的方向電勢降低,則B點電勢高於A點電勢,故C錯誤;

故選:A。

二:對稱法

例題:如圖,

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一電荷量為Q的點電荷P與均勻帶電圓板相距2r,此點電荷到帶電圓板的垂線通過板的幾何中心,A、B為垂線上兩點到圓板的距離均為r,靜電力常量為k。若B點的電場強度為0,則A點的電場強度大小為()

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例題:下列選項中的各1/4圓環大小相同,所帶電荷量已在圖中標出,且電荷均勻分佈,各一1/4圓環間彼此絕緣。坐標原點O處電場強度最大的是(B)

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利用等量電荷模型和對稱性

例題:如圖所示,

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均勻帶電的3/4球殼在點產生的場強,等效為弧BC產生的場強,弧BC產生的場強方向,又等效為弧的中點M在O點產生的場強方向.

三:等效法

例題:如圖所示,

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xOy平面是無窮大導體的表面,該導體充滿z≤0的空間,z>0的空間為真空.將電荷量為q的點電荷置於z軸上z=h處,則在xOy平面上會產生感應電荷.空間任意一點處的電場皆是由點電荷q和導體表面上的感應電荷共同激發的.已知靜電平衡時導體內部場強處處為零,則在z軸上z=h/2處的場強大小為(k為靜電力常量)()

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例題:經過探究,某同學發現:點電荷和無限大的接地金屬平板間的電場(如圖甲所示)與等量異種點電荷之間的電場分佈(如圖乙所示)完全相同。圖丙中點電荷q到MN的距離OA為L,AB是以電荷q為圓心、L為半徑的圓上的一條直徑,則B點電場強度的大小是?

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例題:如圖所示,

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三根均勻帶電的等長絕緣棒組成等邊三角形ABC,P為三角形的中心,當AB、AC棒所帶電荷量均為+q,BC棒帶電荷量為-2q時,P點場強大小為E。現將BC棒取走,AB、AC棒的電荷分佈不變,則取走BC棒後,P點的場強大小為?

【解析】未取走BC棒時,可將BC棒(-2q)看作由+q和-3q組成,則P點場強可看作由三根+q棒和一根-3q棒共同產生—由對稱性可知,三根+q棒在P點產生的場強為零,因此,P點的場強E就是一根-3q棒產生的。取走BC棒後,可以看作在BC棒位置放上了一根+q棒和一根-q棒,這相當於什麼都沒放,同理,P點的場強就是一根-q棒產生的,為E/3。

場強和電量成正比。

四:微元法

例題:如圖所示,

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均勻帶電圓環所帶電荷量為Q,半徑為R,圓心為O,P為垂直於圓環平面的對稱軸上的一點,OP=L,試求P點的場強。

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五:極限法

如圖甲所示,半徑為R的均勻帶電圓形平板,單位面積帶電量為δ,其軸線上任意一點P(坐標為x)的電場強度可以由庫侖定律和電場強度的疊加原理求出:

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方向沿x軸.現考慮單位面積帶電量為δ₀的無限大均勻帶電平板,從其中間挖去一半徑為r的圓版,如圖乙所示.則圓孔軸線上任意一點Q(坐標為x)的電場強度為(A)

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