求解电场强度13种方法(附例题)

PAGEPAGE4求解电场强度方法分类赏析一．必会的基本方法：1．运用电场强度定义式求解例1.质量为m、电荷量为q的质点，在静电力作用下以恒定速率v沿圆弧从A点运动到B点,，其速度方向改变的角度为θ（弧度），AB弧长为s，求AB弧中点的场强E。【解析】:质点在静电力作用下做匀速圆周运动，则其所需的向心力由位于圆心处的点电荷产生电场力提供。由牛顿第二定律可得电场力F=F向=m。由几何关系有r=，所以F=m，根据电场强度的定义有E==。方向沿半径方向，指向由场源电荷的电性来决定。2．运用电场强度与电场差关系和等分法求解例2（2012安徽卷）．如图1-1所示，在平面直角坐标系中，有方向平行于坐标平面的匀强电场，其中坐标原点O处的电势为0V，点A处的电势为6V，点B处的电势为3V，则电场强度的大小为AA．B．C．D．（1）在匀强电场中两点间的电势差U=Ed，d为两点沿电场强度方向的距离。在一些非强电场中可以通过取微元或等效的方法来进行求解。（2若已知匀强电场三点电势，则利用“等分法”找出等势点，画出等势面，确定电场线，再由匀强电场的大小与电势差的关系求解。3．运用“电场叠加原理”求解60°PNOM图2例3(2010海南).60°PNOM图2则O点的场场强大小变为，与之比为BA． B． C． D．二．必备的特殊方法：4．运用平衡转化法求解图3例4．一金属球原来不带电，现沿球的直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN，如图3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图3A．Ea最大B．Eb最大C．Ec最大D．Ea=Eb=Ec【解析】: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。点评：求解感应电荷产生的电场在导体内部的场强，转化为求解场电荷在导体内部的场强问题，即E感=-E外（负号表示方向相反）。5．运用“对称法”（又称“镜像法”）求解例5．（2013新课标I）如图4，一半径为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和b、b和c、c和d间的距离均为R，在a点处有一电荷量为q(q>O)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)图4A.k3qR2 B.k图4C.kQ+qR2 【解析】:点电荷+q在b点场强为E1、薄板在b点场强为E2，b点场强为零是E1与E2叠加引起的，且两者在此处产生的电场强度大小相等，方向相反，大小E1=E2=。根据对称性可知，均匀薄板在d处所形成的电场强度大小也为E2，方向水平向左；点电荷在d点场强E3=，方向水平向左。根据叠加原理可知，d点场Ed=E2+E3=。点评：对称法是利用带电体电荷分布具有对称性，或带电体产生的电场具有对称性的特点来求合电场强度的方法。通常有中心对称、轴对称等。图6例7如图6所示，在一个接地均匀导体球的右侧P点距球心的距离为d，球半径为R.。在P点放置一个电荷量为+q的点电荷。试求导体球感应电荷在P点的电场强度大小。图6析与解：如图6所示，感应电荷在球上分布不均匀，靠近P一侧较密，关于OP对称，因此感应电荷的等效分布点在OP连线上一点P′。设P′距离O为r，导体球接地，故球心O处电势为零。根据电势叠加原理可知，导体表面感应电荷总电荷量Q在O点引起的电势与点电荷q在O点引导起的电势之和为零，即+=0，即感应电荷量Q=。同理，Q与q在球面上任图7（b）（a）例8如图7（a）所示，一个半径为R的均匀带电细圆环，总量为Q。求圆环在其轴线上与环心图7（b）（a）析与解：圆环上的每一部分电荷在P点都产生电场，整个圆环在P所建立电场的场强等于各部分电荷所产生场强的叠加。如图7（b）在圆环上取微元Δl，其所带电荷量Δq=Δl，在P点产生的场强：ΔE==整个圆环在P点产生的电场强度为所有微元产生的场强矢量和。根据对称性原理可，所有微元在P点产生场强沿垂直于轴线方向的分量相互抵消，所以整个圆环在P点产生场中各微元产生的场强沿轴线方向分量之和，即EP=ΣΔEcosθ=Σ=8．运用“割补法”求解图8例8.如图8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。图8【解析】:r假设将这个圆环缺口补上，并且已补缺部分的电荷密度r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E1，是可求的。若题中待求场强为E2，则E1+E2＝0。设原缺口环所带电荷的线密度为ρ,，则补上的那一小段金属丝带电量Q＇＝，在0处的场强E1＝KQ＇/r2,由E1+E2＝0可得：E2＝-E1，负号表示E2与E1反向，背向圆心向左。例9如图8（a）所示，将表面均匀带正电的半球，沿线分成两部分，然后将这两部分移开很远的距离，设分开后的球表面仍均匀带电。试比较A′点与A″点电场强度的大小。（a）（b）（c）图8析与解：如图8（b）所示，球冠上正电荷在A′点产生的电场强度为（a）（b）（c）图8在球层表面附着一个与原来完全相同的带正电半球体，如图8（c）所示，显然由叠加原理可知，在A″点产生电场强度E3>E2。若将球冠与补偿后的球缺组成一个完整球体，则则均匀带电球体内电场强度处处为零可知，E1与E3大小相等，方向相反。由此可以判断，球冠面电荷在A′点产生的电场强度为E1大于球层面电荷在A″点产生电场强度E2。9运用“极值法”求解例9．如图9所示，两带电量增色为+Q的点电荷相距2L，MN是两电荷连线的中垂线，求MN上场强的最大值。【解析】:用极限分析法可知，两电荷间的中点O处的场强为零，在中垂线MN处的无穷远处电场也为零，所以MN上必有场强的最大值。最常规方法找出所求量的函数表达式，再求极值。点评：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。本题属于数学型极值法，对数学能力要求较高，求极值时要巧妙采用数学方法才能解得。10运用“极限法”求解例10（2012安徽卷）．如图11-1所示，半径为R的均匀带电圆形平板，单位面积带电量为，其轴线上任意一点P（坐标为x）的电场强度可以由库仑定律和电场强度的叠加原理求出：，方向沿x轴。现考虑单位面积带电量为的无限大均匀带电平板，从其中间挖去一半径为r圆板，在Q处形成的场强为。的圆版，如图11-2所示。则圆孔轴线上任意一点Q（坐标为x）的电场强度为A．B.C．D．图11-2图11-1【解析1】:由题中信息可得单位面积带电量为无限大均匀带电平板，可看成是R→∞的圆板，在Q处形成的场强为。而挖去的半径为r的圆板在Q点形成的场强为，则带电圆板剩余部分在Q点形成的场强为。正确选项：A图11-2图11-1【解析2】:R→∞的圆板，在Q处形成的场强为。当挖去圆板r→0时，坐标x处的场强应为，将r=0代入选项，只有A符合。点评：极限思维法是一种科学的思维方法，在物理学研究中有广泛的应用。我们可以将该物理量或它的变化过程和现象外推到该区域内的极限情况(或极端值)，使物理问题的本质迅速暴露出来，再根据己知的经验事实很快得出规律性的认识或正确的判断。11.运用“图像法”求解图12例11(2011北京理综).静电场方向平行于x轴，其电势φ随x的分布可简化为如图12所示的折线，图中φ0和d为已知量。一个带负电的粒子在电场中以x=0为中心，沿x轴方向做周期性运动。已知该粒子质量为m、电量为-q，其动能与电势能之和为－A（0<A<qφ0）。忽略重力。求：（1）粒子所受电场力的大小。图12【解析】:（1）由图可知，0与d（或-d）两点间的电势差为φ0电场强度的大小电场力的大小点评：物理图线的斜率,其大小为k=纵轴量的变化量/横轴量的变化量。但对于不同的具体问题,k的物理意义并不相同。描述电荷在电场中受到的电场力F与电量q关系的F-q图像的斜率表示电\o"场强是电势对电场方向位移图像的斜率"场强度，同样，电势对电场方向位移图像的斜\o"场强是电势对电场方向位移图像的斜率"率也表示场强。12．运用“类比法”求解（a）图8（b）例10如图9（a）所示，ab是半径为r的圆的一条直径，该圆处于匀强电场中，电场强度为E。在圆周平面内，将一电荷量为q的带正电小球从a点以相同的动能抛出，抛出方向不同时，小球会经过圆周上不同的点。在这些点中，到达c（a）图8（b）⑴电场的方向与弦ab间的夹角。⑵若小球在a点时初速度方向与电场方向垂直，则小球恰好落在c点时的动能为多大。析与解：⑴求解电场强度方向问题看起来简单但有时是比较复杂而困难的。本题中，在匀强电场中，仅电场力做功，不计重力，则电势能与动能之和保持不变。在两个等势面间电势差最大，则动能变化量最大。因此，小球到达c点时小球的动能最大，则ac间电势最大。根据重力场类比，可知c点为其最低点，电场方向与等势面垂直，由“重力”竖直向下可以类比，出电场方向沿oc方向，与弦ac夹角为30°。⑵若小球在a点初速度方向与电场方向垂直，则小球将做类平抛运动，由图9（b）可知，ad=rcos30°=r、cd=r(1+sin30°)=r。小球在初速度方向上做匀速运动，其初速度v0=。在电场方向上做匀加速运动，加速度a=，cd=at2。从a到c，由动能定理有qE·cd=Ek–mv02，联立上述方程解得小球落到c点动能为Ek=qEr。13．综合运用力学规律求解例13.在水平方向的匀强电场中，有一带电微粒质量为m，电量为q，从A点以初速v0竖直向上射入电场，到达最高点B时的速度大小为2v0，如图13所示。不计空气阻力。试求该电场的场强E。【解析】:图13带电微粒能达到最高点，隐含微粒的重力不能忽略的条件。因此，微粒在