物理
有关静电场的高二物理题、在x轴上,坐标原点x=0处放置一个电荷量为+Q的点电荷,在x=4cm处放置一个电荷量为-9Q的点电荷,在两点电荷的连线上放置一个电荷量为+q的检验电荷.试确定检验电荷在x轴上的哪一区间内所受合力的方向沿x轴负方向.这一区间内两点电荷电场的合场强方向如何?

2019-06-26

有关静电场的高二物理题、
在x轴上,坐标原点x=0处放置一个电荷量为+Q的点电荷,在x=4cm处放置一个电荷量为-9Q的点电荷,在两点电荷的连线上放置一个电荷量为+q的检验电荷.试确定检验电荷在x轴上的哪一区间内所受合力的方向沿x轴负方向.这一区间内两点电荷电场的合场强方向如何?
优质解答
两问其实是一个问题——正检验电荷所受电场力的方向,即是合电场强度的方向.
  一、建立模型:
  位于X轴上的矢量(电场力、场强)可以用一个实数表示:实数的大小即为矢量的大小;实数的正负号代表矢量的方向.以X轴正方向为矢量的正方向,那么正数对应指向X轴正方向的矢量;负数对应指向X轴负方向的矢量.
  设X轴上有两个点电荷,坐标分别为 x1、x2(x1≠x2);带电量分别为 q1、q2(变量本身带有正负号);则 q1 所受来自于 q2 的电场力为:
  F = [(k•q1•q2) / (x1 – x2)²]•[(x1 – x2) / | x1 – x2|]
  其中,[(x1 – x2) / | x1 – x2|] 为符号项,取值只有1、-1,是用来确定电场力方向的:
   q1、q2同号   q1、q2异号
x1<x2 F 为负      F 为正
x1>x2 F 为正      F 为负
  表中列出了F的符号与x1、x2、q1、q2的关系,结果与q1的实际受力情况一致.
所以,F = (k•q1•q2) / [(x1 – x2)•|x1 – x2|]
二、分析:
  设检验电荷 q 所在位置的横坐标为 x ;X = 0 处的点电荷记作A,X = 4 处的点电荷记作B.
则,A 、B各自对 q 的电场力分别为:
  Fa = (k•+Q•+q) / [(x – 0) / | x – 0|] = kqQ / (x•|x|);
  Fb = (k•-9Q•+q) / [(x – 4) / | x – 4|] = -9kqQ / [(x - 4)•|x - 4|];
所以,q 所受的合力为:
  F = Fa + Fb = kqQ•{1/( x•|x|) - 9/[(x - 4)•|x - 4|]}
分区间讨论:
(1)、(4,+∞):
F = kqQ•[1/ x² - 9/(x - 4)²]
= kqQ•[(x - 4)² - 9x²] / [x²•(x - 4)²]
= kqQ•(x – 4 -3x)•(x – 4 + 3x) / [x²•(x - 4)²]
= -8kqQ•(x + 2)•(x - 1) / [x²•(x - 4)²]
显然,当 x>4时,F恒小于零,即F恒指向X轴负方向.
(2)、(0,4):
F = kqQ•[1/ x² + 9/(x - 4)²]
此时,F恒大于零,F指向X轴正方向.
(3)、(-∞,0):
F = kqQ•[-1/ x² + 9/(x - 4)²]
= kqQ•[9x² - (x - 4)²] / [x²•(x - 4)²]
= kqQ•(3x - x + 4)•(3x + x – 4) / [x²•(x - 4)²]
= 8kqQ•(x + 2)•(x - 1) / [x²•(x - 4)²]
此时,需要进一步分区间讨论:
①(-2,0):F < 0,方向指向X轴负方向;
②(-∞,-2):F > 0,方向指向X轴正方向;
③-2:F = 0,检验电荷受力平衡.
  综上可知,使得检验电荷q 所受合力指向X轴负方向的区间是:(4,+∞) ∪ (-2,0).电场强度在该区间的方向指向X轴负方向.
两问其实是一个问题——正检验电荷所受电场力的方向,即是合电场强度的方向.
  一、建立模型:
  位于X轴上的矢量(电场力、场强)可以用一个实数表示:实数的大小即为矢量的大小;实数的正负号代表矢量的方向.以X轴正方向为矢量的正方向,那么正数对应指向X轴正方向的矢量;负数对应指向X轴负方向的矢量.
  设X轴上有两个点电荷,坐标分别为 x1、x2(x1≠x2);带电量分别为 q1、q2(变量本身带有正负号);则 q1 所受来自于 q2 的电场力为:
  F = [(k•q1•q2) / (x1 – x2)²]•[(x1 – x2) / | x1 – x2|]
  其中,[(x1 – x2) / | x1 – x2|] 为符号项,取值只有1、-1,是用来确定电场力方向的:
   q1、q2同号   q1、q2异号
x1<x2 F 为负      F 为正
x1>x2 F 为正      F 为负
  表中列出了F的符号与x1、x2、q1、q2的关系,结果与q1的实际受力情况一致.
所以,F = (k•q1•q2) / [(x1 – x2)•|x1 – x2|]
二、分析:
  设检验电荷 q 所在位置的横坐标为 x ;X = 0 处的点电荷记作A,X = 4 处的点电荷记作B.
则,A 、B各自对 q 的电场力分别为:
  Fa = (k•+Q•+q) / [(x – 0) / | x – 0|] = kqQ / (x•|x|);
  Fb = (k•-9Q•+q) / [(x – 4) / | x – 4|] = -9kqQ / [(x - 4)•|x - 4|];
所以,q 所受的合力为:
  F = Fa + Fb = kqQ•{1/( x•|x|) - 9/[(x - 4)•|x - 4|]}
分区间讨论:
(1)、(4,+∞):
F = kqQ•[1/ x² - 9/(x - 4)²]
= kqQ•[(x - 4)² - 9x²] / [x²•(x - 4)²]
= kqQ•(x – 4 -3x)•(x – 4 + 3x) / [x²•(x - 4)²]
= -8kqQ•(x + 2)•(x - 1) / [x²•(x - 4)²]
显然,当 x>4时,F恒小于零,即F恒指向X轴负方向.
(2)、(0,4):
F = kqQ•[1/ x² + 9/(x - 4)²]
此时,F恒大于零,F指向X轴正方向.
(3)、(-∞,0):
F = kqQ•[-1/ x² + 9/(x - 4)²]
= kqQ•[9x² - (x - 4)²] / [x²•(x - 4)²]
= kqQ•(3x - x + 4)•(3x + x – 4) / [x²•(x - 4)²]
= 8kqQ•(x + 2)•(x - 1) / [x²•(x - 4)²]
此时,需要进一步分区间讨论:
①(-2,0):F < 0,方向指向X轴负方向;
②(-∞,-2):F > 0,方向指向X轴正方向;
③-2:F = 0,检验电荷受力平衡.
  综上可知,使得检验电荷q 所受合力指向X轴负方向的区间是:(4,+∞) ∪ (-2,0).电场强度在该区间的方向指向X轴负方向.
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