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电场强度是从力的角度反映电场性质的物理量,场强的大小只由电场本身的特性决定。为了加深对电场强度概念的理解,现结合几例谈谈求解电场强度的几种方法。
一、 利用定义式E/Fq求解电场强度
【例1】如图1甲所示,A为带正电Q的金属板。沿金属板的垂直平分线,在距板r处放一质量为m、电荷量为q的小球,小球受水平向右的电场力偏转θ角而静止。小球用绝缘丝线悬挂于O点,试求小球所在处的电场强度。
【解析】因为小球处于静止状态,所以用平衡条件分析,小球受重力mg、丝线拉力T、水平向右的电场力F,如图1乙所示,故q为正电荷。
由平衡条件得:F-Tsinθ=0 (1)
Tcosθ-mg=0 (2)
由(1)(2)得F=mgtgθ
由E= 得E
【点评】本题中A板不能当点电荷处理,不能用E= 求解。
二、利用点电荷的场强公式E= 或再结合电场的叠加原理求电场强度。
【例2】真空中两个等量异种点电荷,电量大小均为Q,相距r,求:
(1) 连线中点M处场强的大小和方向。
(2) 与两电荷相距均为r的p点的场强大小和方向。
【解析】(1)设+Q的场强为E+,-Q的场强为E-,则E+=k ,方向背离+Q,E-= ,方向指向-Q。
所以EM=E++E-=k ,方向+Q指向-Q。
(2)如图2所示可知E+=E-=k ,两矢量夹角为120°,故P点的合场强Ep=k ,方向如图2中所示。
三、利用补偿法求解电场强度
【例3】如图3所示,用金属丝AB弯成半径r=1m的圆孤,但在A、B之间留出宽度为d=2cm,相对圆弧长度来说很小的间隙。将电荷量q=3.13×10-9C的正电荷均匀分布于金属丝上,求圆心O处的电场强度。
【解析】假若在AB之间补上一段同样的带电圆弧,由于对称性,则整个圆环在它的圆心O处所产生的合场强E=0。由于d<<r,故补上的带电小段由题意可视为点电荷,其带电量
q= =1.0×10-11C
其电场在圆心处的场强大小
E1=k =9×109× =9×10-2N/C
设缺口环在圆心处产生的电场为E2,则由电场的叠加原理知E=E1+E2=0,即E2=-E1,方向由圆心指向缺口。
四、利用电势差和场强的关系求解电场强度
【例4】如图4所示,匀强电场中的M、N两点间的距离为2cm,两点间的电势差为5V,MN连线与场强方向成60°角,则此电场的场强为多少?
【解析】由E=U/d得该匀强电场的场强大小
E= =5×102V/m
五、利用E合=0即E感=-E外求感应电荷产生电场的电场强度。
【例5】一金属球,原来不带电,现沿球的直径的延长线放置一均匀带电的细杆,如图5的所示。金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的场强大小分别为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】因为导体处于静电平衡时,其内部的电场强度处处为零,故在球内任意点,感应电荷所产生的电场强度应与带电细杆MN在该点产生的电场强度大小相等,方向相反。均匀带电细杆MN可看成是由无数点电荷组成的。a、b、c三点中,c点到各个点电荷的距离最近,即细杆在c点产生的场强最大,因此,球上感应电荷产生电场的场强c点最大。故正确选项为C。
六、利用动量定理求解电场强度
【例6】如图6所示,质量为m,电荷量为q的粒子,以速率v0垂直场强方向从A点入射到电场中。当它运动到B点时,速率大小为2v0,方向水平向右,则电场强度为多少?
【解析】设匀强电场的场强为E,粒子由A到B所需的时间为t,由动量定理分量式有
Eqt=2mv0-0① -mgt=0-mv0②
解:①②两式得E=
七、利用能量的转化和守恒定律求解电场强度
【例7】有一绝缘长板放在光滑水平面上,质量为m、电荷量为q的物块沿长板上表面以一定初速度自左端向右滑动。由于有竖直向下的匀强电场,滑块滑到长板右端时,相对板静止。若其他条件不变,仅将场强方向改为竖直向上,则物块滑至长板中央时就相对静止。
求:①物块带何种电荷;②匀强电场的场强。
【解析】①因匀强电场方向竖直向下时带电物块能滑到绝缘板的右端,当匀强电场方向竖直向上时,带电物块只能滑到绝缘板的中间。故带电物块带负电。②设匀强电场的场强大小为E,绝缘板长为L,带电滑块与绝缘板间的动摩擦因数为μ。由动量守恒定律可知,无论场强方向坚直向上,还是竖直向下时,带电滑块和绝缘板的共同速度是相等的。由能量的转化和守恒定律有,μ(mg-Eq)L= 解之得E=
(审稿:陶 澄 编校:李 辉)
注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
一、 利用定义式E/Fq求解电场强度
【例1】如图1甲所示,A为带正电Q的金属板。沿金属板的垂直平分线,在距板r处放一质量为m、电荷量为q的小球,小球受水平向右的电场力偏转θ角而静止。小球用绝缘丝线悬挂于O点,试求小球所在处的电场强度。
【解析】因为小球处于静止状态,所以用平衡条件分析,小球受重力mg、丝线拉力T、水平向右的电场力F,如图1乙所示,故q为正电荷。
由平衡条件得:F-Tsinθ=0 (1)
Tcosθ-mg=0 (2)
由(1)(2)得F=mgtgθ
由E= 得E
【点评】本题中A板不能当点电荷处理,不能用E= 求解。
二、利用点电荷的场强公式E= 或再结合电场的叠加原理求电场强度。
【例2】真空中两个等量异种点电荷,电量大小均为Q,相距r,求:
(1) 连线中点M处场强的大小和方向。
(2) 与两电荷相距均为r的p点的场强大小和方向。
【解析】(1)设+Q的场强为E+,-Q的场强为E-,则E+=k ,方向背离+Q,E-= ,方向指向-Q。
所以EM=E++E-=k ,方向+Q指向-Q。
(2)如图2所示可知E+=E-=k ,两矢量夹角为120°,故P点的合场强Ep=k ,方向如图2中所示。
三、利用补偿法求解电场强度
【例3】如图3所示,用金属丝AB弯成半径r=1m的圆孤,但在A、B之间留出宽度为d=2cm,相对圆弧长度来说很小的间隙。将电荷量q=3.13×10-9C的正电荷均匀分布于金属丝上,求圆心O处的电场强度。
【解析】假若在AB之间补上一段同样的带电圆弧,由于对称性,则整个圆环在它的圆心O处所产生的合场强E=0。由于d<<r,故补上的带电小段由题意可视为点电荷,其带电量
q= =1.0×10-11C
其电场在圆心处的场强大小
E1=k =9×109× =9×10-2N/C
设缺口环在圆心处产生的电场为E2,则由电场的叠加原理知E=E1+E2=0,即E2=-E1,方向由圆心指向缺口。
四、利用电势差和场强的关系求解电场强度
【例4】如图4所示,匀强电场中的M、N两点间的距离为2cm,两点间的电势差为5V,MN连线与场强方向成60°角,则此电场的场强为多少?
【解析】由E=U/d得该匀强电场的场强大小
E= =5×102V/m
五、利用E合=0即E感=-E外求感应电荷产生电场的电场强度。
【例5】一金属球,原来不带电,现沿球的直径的延长线放置一均匀带电的细杆,如图5的所示。金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的场强大小分别为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】因为导体处于静电平衡时,其内部的电场强度处处为零,故在球内任意点,感应电荷所产生的电场强度应与带电细杆MN在该点产生的电场强度大小相等,方向相反。均匀带电细杆MN可看成是由无数点电荷组成的。a、b、c三点中,c点到各个点电荷的距离最近,即细杆在c点产生的场强最大,因此,球上感应电荷产生电场的场强c点最大。故正确选项为C。
六、利用动量定理求解电场强度
【例6】如图6所示,质量为m,电荷量为q的粒子,以速率v0垂直场强方向从A点入射到电场中。当它运动到B点时,速率大小为2v0,方向水平向右,则电场强度为多少?
【解析】设匀强电场的场强为E,粒子由A到B所需的时间为t,由动量定理分量式有
Eqt=2mv0-0① -mgt=0-mv0②
解:①②两式得E=
七、利用能量的转化和守恒定律求解电场强度
【例7】有一绝缘长板放在光滑水平面上,质量为m、电荷量为q的物块沿长板上表面以一定初速度自左端向右滑动。由于有竖直向下的匀强电场,滑块滑到长板右端时,相对板静止。若其他条件不变,仅将场强方向改为竖直向上,则物块滑至长板中央时就相对静止。
求:①物块带何种电荷;②匀强电场的场强。
【解析】①因匀强电场方向竖直向下时带电物块能滑到绝缘板的右端,当匀强电场方向竖直向上时,带电物块只能滑到绝缘板的中间。故带电物块带负电。②设匀强电场的场强大小为E,绝缘板长为L,带电滑块与绝缘板间的动摩擦因数为μ。由动量守恒定律可知,无论场强方向坚直向上,还是竖直向下时,带电滑块和绝缘板的共同速度是相等的。由能量的转化和守恒定律有,μ(mg-Eq)L= 解之得E=
(审稿:陶 澄 编校:李 辉)
注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”