高中物理电学解题技巧归纳

解题技巧之一割补法

对某些物理问题,当待求的量A 直接去解很困难或没有条件解时,可设法补上一个量B ,割补的原理是使(A+B )成为一个完整的模型,从而使(A+B )变得易于求解,补上去的B 也必须容易求解,那样,待求的量A 便可从两者的差值获得,问题就迎刃而解.这就是解物理题时常用的“割补法”.割补法本来是非对称性的物体,通过割补后构成对称性物体,然后再利用对称物体所满足的物理规律进行求解.

【典型例题1】 如图所示,阴影区域是质量M 半径为R 的球体挖去一个小圆球后的剩余部分,所挖去的小圆球的球心O ′

和大球心间的距离是2R ,求球体剩余部分对球体外与球心O 距离为2R 、质量为m 的质点P 的引力. 【试题解析】：万有引力定律只适用于两个质点间的作用,只有对均匀球体才可将其看作是质量全部集中在球心的一个质点,至于本题中不规则的阴影区,那是不能看作质点来处理的,故可用割补法将挖去的球补上.

将挖去的球补上,则完整的大球对球外质点P 的引力为：F 1=

2(2)GMm R =24GMm R ,半径为2R 的小球的质量： M ' =4

3π(2R )3×ρ=π(2R )3×34()3

M R =18

M 补上的小球对质点P 的引力

F 2=2'5()2

GM m R =24'25G M m R =250GMm R 因而挖去小球的阴影对质点P 的引力为：

F =F 1-F 2=24GMm R -250GMm R =2

23100GMm R 【典型例题2】 如图所示,把金属丝AB 弯成半径r =1m 的圆弧,但在AB 之间留出宽度为d =2cm 、相对来说很小的间隙,将电荷量Q =3.13×10-9C 的正电荷均匀分布在金属丝上,求圆心O 处的电场强度.

【试题解析】：中学物理中只讲点电荷场强及匀强电场的计算方法,一个不规则带电体（如本题的缺口的带点环）所产生的场强,没有现成的公式可用.但可以这样想：将圆弧的缺口补上,并且它的电荷密度与缺口的环体原有电荷密度是一样的,这样就形成了一个电荷均匀分布的完整的带电环,环上处于同一直径两端的微小部分可看作两个相应的点电荷,它们产生的电场在圆心O 处叠加后场强是O

d

A B

零,根据对称性可知,带电圆环在圆心O 处的总场强是零.至于补上的带电小段,由题给条件可视为点电荷,它在圆心O 处的场强为E 1是可求的,若题中待求场强为E 2,则由E 1+E 2 =0,便可求得E 2. 设原缺口环所带电荷的线密度为σ,σ=2Q r d π-,则补上的金属小段带电量Q’=σd ,它在O 处的场强为E 1=k 2'Q r = k

2(2)Qd r d r π-,代入数据得E 1=9×10-2N/C. 设待求的场强为E 2,由E 1+E 2=0可得E 2=-E 1=-9×10-2N/C,负号表示E 2与E 1方向相反,即E 2的方向向右,指向缺口.

【典型例题3】静电学理论指出,对于真空区域,只要不改变该区域内的电荷分布及区域边界的电势分布,此区域内的电场分布就不会发生改变。试由上述结论及导体静电平衡的性质论证：在一接地的无穷大导体平板上方与导体板相距h 处放置一电荷量为Q 的点电荷,则导体板对该点电荷作用力的大小为F =2

24kQ

h (k 为静电力常数).

【试题解析】：在中学阶段我们只学过点电荷之间的相互作用规律,而该题是要计算导体板上的感应电荷与点电荷间的相互作用力,似乎无从下手.

由于导体板接地,其电势为零,构成的电场线如图甲所示．我们知道等量异种点电荷的电场和该电场完全相同,故可在板的下侧与Q 对称位置补充一个-Q 的点电荷,如图乙所示．这样,我们将求板上感应电荷与Q 的作用力转化为求Q 与-Q 的作用力．根据库仑定律,有F =2

24kQ

h ．

甲 乙

【解题反思】通过割补巧妙地解决了非对称性的物理问题．在教学中运用割补法讲解典型例题可以使学生对物理概念的理解更加深刻,同时也能够提高其分析解决问题的能力,增强物理思维的灵活性,同时提升学生的科学素养．因此,应该在教学中重视割补法的运用,让学生通过学习这个方法获得更大的收获.

【典型例题4】如图所示,将表面均匀带正电的半球壳,沿线轴分成厚度相等的两部分,然后将这两部分移开到很远的距离,设分开后球表面仍均匀带电,左半部分在A 1点的场强大小为E 1,右半部分在A 2点的场强的大小为E 2,则有 ( )

Q

h

O

A. E 1= E 2

B. E 1

C. E 1>E 2

D.大小无法确定 【试题解析】：如图甲所示,分开后左部分球冠所带电荷在点A 1产生的场强以E 1表示,右部分球层面电荷在A 2产生的场强以E 2表示,由对称性可知E 1的方向向左,E 2的方向向右,咋一看,似乎无法比较这两部分不规则带电体产生的场强大小,需设法做等效替代,创造出可运用已知规律的条件。

如图乙所示,设想在另一表面均匀分布正电荷的完全相同的半球,附在球层上构成球缺,显然,球缺在A 2点产生的电场强度E 3大于E 2,球缺和球冠构成一个完整球,由于均匀带电球壳内部任一点的电场强度为零,那么,E 1与E 3必然大小相等,方向相反,于是,我们可以确定球冠面电荷在点A 1产生的场强E 1大于球层面电荷在A 2产生的场强E 2,故C 正确。

【典型例题5】某兴趣学习小组的同学深入学习了静电场中关于电势的知识：若取无穷远处电势为零, 在一带电荷量为+q 的点电荷的电场中,与点电荷相距r 处的电势为φ=k q r

；如果某点处在多个点电荷所形成的电场中,则电势为每一个点电荷在该点所产生的电势的代数和。如图所示,AB 是均匀带电的细棒,所带电荷量为+Q 。C 为AB 棒附近的一点,CB 垂直于AB 。若取无穷远处电势为零,AB 棒上的电荷所形成的电场中,C 点的电势为φ0,φ0可以等效成AB 棒上某点P 处、电荷量为+Q 的点电荷所形成的电场在C 点的电势。该小组的同学将AB 棒均分成两段,利用对称性,则得AC 连线中点D 处的电势为 ( )

A 、12φ0

B 、φ0

C 、2φ0

D 、2φ0

【试题解析】：设C 点到AB 的距离为d 1,则D 点到AB 的距离为d 2,d 1=2d 2,根据题意在B 点右侧添加上一个与板AB 完全一样的棒,该棒关于B 点与原棒AB 对称,由于板AE 是均匀带电,可以把棒AE 当做点电荷,其位置在B 点,其带电量为2Q ,如图所示.

A R /2 R /2 A 2 A 1

A 3 E 3 A 1

甲 E 1

A 2 乙 E 2 C

D

B A C

M D

B A

E d 1 d 2