补偿法是将缺的部分补全,整体对外作用效果等效为原有部分合补偿部分分别对外作用的叠加。 通常补全后整体部分合补偿部分对外效果可以描述合计算,如果不能,那就要想办法计算出来。那么原来剩余部分的效果就可以间接计算。 补偿法尤其适用于部分球面、部分圆环、有缺口的其他均匀带电体等。
现在假设真空中有两个等量异种电荷A和B,带电量均为q,A、B间距离为R。请问A、B连线方向上的场强变化情况。
C点无论有无试探电荷,C点的场强已经由A、B规定好了,直接计算出来就可以。
确认好方向后,我们可以直接使用公式进行计算,我们需要假设C点到A的距离为r,表达式如下图:
原理不难,但我们写到这里似乎很难推进下去了,怎么办?
求助数学!!!
为了解决实际问题,我们可以使用任何办法,但当缺乏思路时,我们不妨用用数学工具。
我们发现,E的表达式里包含k、q。而k(静电力常量)、q(A、B两个场源电荷的电荷量)均为定值(且大于0)不变,因此E的变化和它俩没有关系,说明E的变化由后面的表达式决定。
怎么办呢?那就利用表达式的后半部分构建一个函数f(x)吧。
【把r改成x,是为了方便我们理解函数,其实这里的x在数值上就等于我们定义的r】
然后,我们想判断这个函数的单调性,要么借助导函数(本质上看其斜率变化规律),要么就是直接绘制函数图像来判断变化。
先说导函数。
令f'(x)=0,看看极值点。然后令f'(x)大于0、小于0,各求出对应的x取值范围,可以得到如下图所示的过程:
当导函数大于0时,单调增;
当导函数小于0时,单调减;
当导函数等于0时,达到极值点。(极值不一定等于最值)
当然我们可以通过这个结果得到结论,当x在0-R范围变化时内,f(x)在(0,R/2)上单调递减,在(R/2,R)上单调递增,所以x =R/2时,f(x)达到极小值,在这个场景下,也是最小值。
为了让大家理解我刚才说的抽象的过程,我直接使用数学软件把以下的函数图像画出来:
我需要假设R=10(如果我不给定R一个具体值,我就没法使用软件绘图),所以大家就看5附近的变化就好。
⚠️说明:因为我在用软件画图像时没有定义x范围,因此图像里会出现x小于0和x大于10的范围对应的图像。
通过图像也能看出来,如果R = 10,就是在5这个位置最小,越往两边靠近数值越大,不能取到0和10,此时数值为无穷大。
【结论】:
等量异种电荷连线上变化规律,从正电荷往负电荷方向上看,场强先减小,后增大,在中点处场强最小。
【举一反三】:
按照这个方法,我们也可以计算等量同种电荷、不等量异种电荷、不等量同种电荷连线方向上的场强变化情况。
可以思考一下,如果是两个不等量异种电荷,带电量分别为+2q和-q,请问连线方向上那个位置场强最小?
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