高中物理:静电场中平衡问题

带电体在静电场中的平衡问题是电场中的一类主要问题,处理这类问题的关键是受力分析,因此它是物体平衡问题的延续。但由于其受力分析和运用数学的能力要求较高,使学生在分析时无法把握问题的本质而导致错误。下面对这一问题做简单归纳,供大家参考。
1. 点电荷系的平衡问题
情形之一:两个固定的电荷间引入第三个点电荷,使第三个点电荷处于静止状态。
例1. 真空中有两个固定的点电荷A、B,所带电荷量分别为

,两点电荷之间距离为r,若引入第三个点电荷C,欲使点电荷C处于静止状态,试确定点电荷C的位置、电性和它的电荷量。

分析与解:设点电荷C的电荷量为

,由于点电荷A、B所带电荷的电性未知,所以可讨论如下:

(1)若点电荷A、B带同种电荷,则由点电荷C的平衡条件可知,它应放在A、B间的连线上。设点电荷C与A、B的距离分别为

,则由库仑定律和平衡条件得:

,由此可得:

,(式中

这表明点电荷C处于静止状态与其电性、电荷量的多少无关,只与其放置的位置有关,且放置位置(与A、B间距离)跟原点电荷的电荷量的平方根成正比。
(2)若点电荷A、B带异种电荷,则由点电荷C的平衡条件可知,它应放在A、B连线的延长线上,即放在A的外侧或B的外侧,设点电荷C与A、B的距离分别为

,则由库仑定律和平衡条件得:

,由此可得:

这表明点电荷C处于静止状态与其电性、电荷量的多少无关,只与其放置的位置有关,且应放置在带电量小的点电荷的外侧(与A、B间距离)跟它们的电荷量的平方根成正比。
情形之二:两个电荷间引入第三个点电荷,使三个点电荷均处于静止状态。
例2. 两个电荷量分别为

的点电荷A、B,在真空中相距为r,如果引入另一点电荷C,正好能使这三个点电荷都处于静止状态。试确定电荷C的位置、电性及它的电荷量。

分析与解:由于A、B点电荷的电性未知,则可讨论如下:
(1)若点电荷A、B带同种电荷,由平衡条件可知,电荷C应放在A、B之间的连线上,这样才能使三个电荷所受库仑力的方向相反、合力为零。设点电荷C与A、B的距离分别为

(如图1所示),则对点电荷C由库仑定律和平衡条件可得:

,由此可得:

,(式中

图1
三个电荷都处于静止状态,即电荷A、B所受静电力的合力也应为零,对电荷A而言,B对它的库仑力是向左的斥力,可知C对A的库仑力应是向右的引力,所以电荷C的电性一定与A、B的电性相反。所带电量由库仑定律和平衡条件可得:
解此式可得:

(2)若点电荷A、B带异种电荷,由平衡条件可知,电荷C应放在A、B连线的延长线上,且在电荷量小那一个的外侧。设点电荷C与A、B的距离分别为

(若

,如图2所示),则对点电荷C用库仑定律和平衡条件可得:

图2

,由此可得:

,(式中

三个电荷都处于静止状态,对点电荷A、B所受静电力的合力也应为零,对电荷B而言,A对它的库仑力是向左的引力,可知C对B的库仑力应是向右的引力,所以电荷C的电性一定与远的那一个相同、与近的相反。再对电荷B用库仑定律和平衡条件可得:

,解此式可得:

结论:由以上两种情形的讨论,对点电荷系的平衡问题可概括为“同内、异外、近小”六个字。“同内”就是第三个点电荷应放在两个同种电荷的连线间;“异外”是指第三个点电荷应放在两个异种电荷连线的延长线上;“近小”是指第三个点电荷应靠近电荷量小的点电荷。
2. 两个带同种电荷的小球悬挂时的平衡问题
例3. 如图3所示,质量分别为

的两个小球A、B,带同种电荷且带电量分别为

,现用长度分别为

的绝缘轻质细线将两个小球A、B悬挂起来,平衡时细线与竖直方向的夹角分别为

。试比较

的大小。

图3
解析:取小球A、B整体为研究对象,对其进行受力分析如图3所示,若以O点为轴,则由力矩平衡条件有:

,可得

,这表明

与小球的带电量无关,但由于

的大小关系,细线

的长短关系未定,因此对

可讨论如下:

(1)若两丝线等长,即

,如图4所示,则有

,所以当

时,

;当

时,

;当

时,

图4
(2)若两球等高,即

,如图5所示,则有

,所以当

时,

时,

;当

图5
(3)若两球到过悬点的竖直线等距,即

,如图6所示,则一定有

,且当

时,

时,

;当

时,

图6
(4)若两悬线任意长,则由

可知,当

时,

,当

时,

;当

时,

3. 两个带等量异种电荷的小球在匀强电场中的平衡问题
例4. 如图7所示,A、B两带电小球的质量均为m,所带电荷量分别为q和

,两球间用绝缘丝线2连接,A球又用绝缘丝线1悬挂在天花板上,在两球所在空间有方向向左的匀强电场,电场强度为E,平衡时细线都被拉紧。

图7
(1)两根绝缘丝线的张力大小为:( )
A.

B.

C.

D.

(2)平衡时的可能位置是图中的哪一个:( )
解析:(1)对整体运用

可得:

;对B球用平衡条件的推论可得:

,F为A、B之间的库仑力,与T同向。所以

,选项D正确。

(2)先将两个小球看作一个整体,对这个整体进行受力分析,可知其受到四个力的作用:竖直向下的重力2mg、丝线1的拉力

、水平向右的电场力

和水平向左的电场力

,由物体平衡条件

可得,整体受到丝线1的拉力与重力是一对平衡力,因此丝线1的位置应是竖直。

再隔离下面的B小球进行受力分析如图8所示:向下的重力

、丝线2的拉力

、水平向右的电场力

和A球对B球的库仑引力F。要使

,丝线2必须倾斜,所以选项A正确。

图8
(0)

相关推荐