刊名: 课程·教材·教法
Curriculum, Teaching Material and Method
主办: 人民教育出版社 课程教材研究所
周期: 月刊
出版地:北京
语种: 中文
开本: 大16K
ISSN: 1000-0186
CN: 11-1278/G4
历史沿革:
1981年创刊期刊荣誉:
国家新闻出版总署收录 ASPT来源刊
中国期刊网来源刊
2011年度核心期刊,国家新闻出版总署收录 ASPT来源刊,中国期刊网来源刊,百种重点期刊,社科双百期刊,首届全国优秀社科期刊。
等量电荷电场分布特点分析
【作者】 胡 斌
【机构】 湖北省十堰市一中
【正文】 等量异种电荷、等量同种电荷的电场是叠加原理的直接简单应用,也是习题中常见的物理情景,所以学生有必要对其电场的分布特点有清晰的了解。本文就等量异种电荷、等量同种电荷连线及垂直平分线上电场的分布做了定量的分析,以帮助学生更好地掌握其特点。
1、等量异种电荷
(1)、垂直平分线上电场强度特点:
如图1所示。等量异种电荷Q、-Q,设相距2r,连线的垂直平分线上的一点P,其合电场强度为Ep=■cos3θ:
由上式知,当θ=00时即连线中点,场强最大,E0=■,两边电场对称,由近及远则逐渐减小。
方向:均平行于连线方向,即经过垂直平分线(面)的每一根电场线均与之垂直。
(2)、连线上电场强度特点:
如图2所示,任取一点P,设其距O点的距离为x,则P点的电场强度表达式为:
Ep=■+■
上式中,当x=0时,即中点电场强度E0=■;
下面证明连线上各点电场强度大小规律:
方法一:极限法,令上式中x→0,则Ep→∞,从而说明连线上各点中点场强最小;两边对称;注:此方法只能说明一种趋势,实际上,当x→0时,已经不能将电荷看成点电荷了;
方法二:数学不等式法,将上式整理为:Ep=2kQ■
令r2+x2=t2并代入上式整理得:Ep=2kQ■
此式,当t2=r2,即x=0时,有最小值;两边对称。
注意O点的特殊性:相对于垂直平分线上各点,O点的场强最大;相对于连线上各点,O点的场强最小!
2、等量同种电荷
(1)、垂直平分线上电场强度特点:
如图3所示,以正电荷为例,垂直平分线上中点O处场强为零,两端无穷远∞处场强为零,那么,从O点到∞,电场强度先增后减,有极大值。
图3中P处电场强度表达式为:Ep=■sinθcos2θ
下面讨论此式的极值:
Ep=■sinθcos2θ=■sinθ(1-sin2θ)=■(sinθ-sin3θ)(0≤θ≤■);
对该表达式求导,则有E'p=■(sinθ-3sinθcos2θ)=■cos2θ(3cos2θ-2);
令E'p=0,则可得cosθ=■时取极大值,代入得极大值为:■。
由上可求得,场强极大值点距O点的距离为:■r。
方向特点:如是等量正电荷,则由O点指向∞;若是等量负电荷,则相反。
(2)、连线上电场强度特点:
如图4所示,连线上任一点P场强表达式:Ep=■-■
显然上式中,当x=0,Ep=0;当x增大,Ep增大;两边对称。
1、等量异种电荷
(1)、垂直平分线上电场强度特点:
如图1所示。等量异种电荷Q、-Q,设相距2r,连线的垂直平分线上的一点P,其合电场强度为Ep=■cos3θ:
由上式知,当θ=00时即连线中点,场强最大,E0=■,两边电场对称,由近及远则逐渐减小。
方向:均平行于连线方向,即经过垂直平分线(面)的每一根电场线均与之垂直。
(2)、连线上电场强度特点:
如图2所示,任取一点P,设其距O点的距离为x,则P点的电场强度表达式为:
Ep=■+■
上式中,当x=0时,即中点电场强度E0=■;
下面证明连线上各点电场强度大小规律:
方法一:极限法,令上式中x→0,则Ep→∞,从而说明连线上各点中点场强最小;两边对称;注:此方法只能说明一种趋势,实际上,当x→0时,已经不能将电荷看成点电荷了;
方法二:数学不等式法,将上式整理为:Ep=2kQ■
令r2+x2=t2并代入上式整理得:Ep=2kQ■
此式,当t2=r2,即x=0时,有最小值;两边对称。
注意O点的特殊性:相对于垂直平分线上各点,O点的场强最大;相对于连线上各点,O点的场强最小!
2、等量同种电荷
(1)、垂直平分线上电场强度特点:
如图3所示,以正电荷为例,垂直平分线上中点O处场强为零,两端无穷远∞处场强为零,那么,从O点到∞,电场强度先增后减,有极大值。
图3中P处电场强度表达式为:Ep=■sinθcos2θ
下面讨论此式的极值:
Ep=■sinθcos2θ=■sinθ(1-sin2θ)=■(sinθ-sin3θ)(0≤θ≤■);
对该表达式求导,则有E'p=■(sinθ-3sinθcos2θ)=■cos2θ(3cos2θ-2);
令E'p=0,则可得cosθ=■时取极大值,代入得极大值为:■。
由上可求得,场强极大值点距O点的距离为:■r。
方向特点:如是等量正电荷,则由O点指向∞;若是等量负电荷,则相反。
(2)、连线上电场强度特点:
如图4所示,连线上任一点P场强表达式:Ep=■-■
显然上式中,当x=0,Ep=0;当x增大,Ep增大;两边对称。