高考物理模型全归纳 第48讲 非点电荷电场强度的叠加及计算的五种方法

高考物理全归纳——模型专题

在高中物理教学中，引导学生认识、理解和建立“物理模型”，是培养学生创造性思维和创新能力的有效途径。

一、什么是物理模型

自然界中事物与事物之间总是存在着千丝万缕的联系，并都处在不断的变化之中。面对复杂多变的自然界，进行科学研究时，总是遵循这样一条重要的原则，即从简到繁，先易后难，循序渐进，逐次深入。

物理模型有三个类型：（1）物理研究对象的理想化（对象模型）；（2）物理条件的理想化（条件模型）；（3）物理过程的理想化（过程模型）

二、为什么要建立物理模型

1、帮助学生掌握学习方法      2、落实“过程与方法”的教学目标

3、提高学生解决问题能力

三、如何帮助学生的建立物理模型

（一）提高认识，重视过程：

对研究对象建立理想的物理模型和在研究物理过程中选择最简单的物理模型，在教学中是经常涉及到的，但学生总不能从中得到启示。

（二）概括总结，触类旁通：

新课程提出高中阶段应给学生更多的空间，让学生较独立地进行科学探究，培养学生的自主探究、自主学习、自已解决问题的能力。

第48讲 非点电荷电场强度的叠加及计算的五种方法

1．（安徽）如图所示，xOy平面是无穷大导体的表面，该导体充满z＜0的空间，z＞0的空间为真空。将电荷为+q的点电荷置于z轴上z＝h处，则在xOy平面上会产生感应电荷。空间任意一点处的电场皆是由点电荷q和导体表面上的感应电荷共同激发的。已知静电平衡时导体内部场强处处为零，则在z轴上z处的场强大小为（k为静电力常量）（　　）

A．k B．k C．k D．k

1．（新课标Ⅰ）如图，一半径为R的圆盘上均匀分布着电荷量为Q的电荷，在垂直于圆盘且过圆心c的轴线上有a、b、d三个点，a和b、b和c、c和d间的距离均为R，在a点处有一电荷量为q（q＞0）的固定点电荷。已知b点处的场强为零，则d点处场强的大小为（k为静电力常量）（　　）

A． B． C． D．

一．知识回顾

1.电场强度的叠加

如果场源是多个点电荷，则电场中某点的电场强度等于各个点电荷单独在该点产生的电场强度的矢量和，遵从平行四边形定则。

如果场源是一个带电的面、线、体，则可根据微积分求矢量和。但在高中阶段，在不能熟练运用微积分的情况下，还有以下五种方法。

2．方法概述

求电场强度有三个公式：E＝、E＝k、E＝，在一般情况下可由上述公式计算电场强度，但在求解带电圆环、带电平面等一些特殊带电体产生的电场强度时，上述公式无法直接应用。这时，如果转换

思维角度，灵活运用补偿法、微元法、对称法、等效法、极限法等巧妙方法，可以化难为易。

二.例题精析

方法一：填补法

将有缺口的带电圆环(或半球面、有空腔的球等)补全为圆环(或球面、球体等)分析，再减去补偿的部分产生的影响。当所给带电体不是一个完整的规则物体时，将该带电体割去或增加一部分，组成一个规则的整体，从而求出规则物体的电场强度，再通过电场强度的叠加求出待求不规则物体的电场强度。应用此法的关键是“割”“补”后的带电体应当是我们熟悉的某一物理模型。

例1．已知均匀带电球体在球的外部产生的电场与一个位于球心的、电荷量相等的点电荷产生的电场相同。如图所示，半径为R的球体上均匀分布着电荷量为Q的电荷，在过球心O的直线上有A、B两个点，O和B、B和A间的距离均为R，现以OB为直径在球内挖一球形空腔，若静电力常量为k，球的体积公式为V，在挖掉球体部分前后，A点处场强的大小之比为（　　）

A． B． C． D．

　方法二：对称法

利用空间上对称分布的电荷形成的电场具有对称性的特点，使复杂电场的叠加计算问题大为简化。形状规则的带电体形成的电场具有对称性，位置对称的两点处的电场强度大小相等。如果能够求出其中一点处的电场强度，根据对称性特点，另一点处的电场强度即可求出。

例如：如图所示，均匀带电的球壳在O点产生的场强，等效为弧BC产生的场强，弧BC产生的场强方向，又等效为弧的中点M在O点产生的场强方向．

例2．如图，在点电荷﹣q的电场中，放着一块带有一定电量、电荷均匀分布的绝缘矩形薄板，MN为其对称轴，O点为几何中心．点电荷﹣q与a、O、b之间的距离分别为d、2d、3d．已知图中a点的电场强度为零，则带电薄板在图中b点处产生的电场强度的大小和方向分别为（　　）

A．，水平向右 B．，水平向左 C．，水平向右 D．，水平向右

方法三：微元法

将带电体分成许多电荷元，每个电荷元可看成点电荷，先根据库仑定律求出每个电荷元的场强；再结合对称性和场强叠加原理求出合场强。求解均匀带电圆环、带电平面、带电直杆等在某点产生的场强问题，可应用微元法。微元法是从部分到整体的思维方法，把带电体看成由无数个点构成。然后根据对称性，利用平行四边形定则进行电场强度叠加。利用微元法可以将一些复杂的物理模型、过程转化为我们熟悉的物理模型、过程，以解决常规方法不能解决的问题。

例3．如图，水平面上有一均匀带电圆环，带电量为+Q，其圆心为O点。有一带电量+q，质量为m的小球恰能静止在O点正上方的P点。OP间距为L，P与圆环上任一点的连线与PO间的夹角为θ．P点场强大小为（　　）

A． B． C． D．

方法四：等效法

在保证效果相同的条件下，将复杂的电场情景变换为简单的或熟悉的电场情景。等效法的实质是在效果相同的情况下，利用与问题中相似或效果相同的知识进行知识迁移的解题方法，往往是用较简单的因素代替较复杂的因素。

（多选）例4．（2022•临沂三模）一无限大接地导体板MN前面放有一点电荷+Q，它们在周围产生的电场可看作是在没有导体板MN存在的情况下，由点电荷+Q与其像电荷﹣Q共同激发产生的．像电荷﹣Q的位置就是把导体板当作平面镜时，电荷+Q在此镜中的像点位置．如图所示，已知+Q所在位置P点到金属板MN的距离为L，c为OP的中点，abcd是边长为L的正方形，其中bc边平行于MN，静电力常量为k，则（　　）

A．a点与b点的电场强度大小相等 

B．c点的电场强度大于b点的电场强度 

C．d点的电场强度大小为E 

D．a点的电势低于b点的电势

方法五：极限法

对于某些特殊情况下求解有关场强问题，有时无法用有关公式、规律得出结论，可考虑应用极限法。极限法是把某个物理量的变化推向极端再进行推理分析，从而做出科学的判断或导出一般结论。极限法一般适用于所涉及的物理量随条件单调变化的情况。在物理学中，通过对量纲的分析，有时可以帮助我们快速找到一些错误。

例5．物理学中有些问题的结论不一定必须通过计算才能验证，有时只需要通过一定的分析就可以判断结论是否正确．如图所示为两个彼此平行且共轴的半径分别为R1和R2的圆环，两圆环上的电荷量均为q（q＞0），而且电荷均匀分布．两圆环的圆心O1和O2相距为2a，联线的中点为O，轴线上的A点在O点右侧与O点相距为r（r＜a）．是分析判断下列关于A点处电场强度大小E的表达式（式中k为静电力常量）正确的是（　　）

A．E＝|| B．E＝|| 

C．E＝|| D．E＝||

三.举一反三，巩固训练

1. 如图，电荷量分别为2q和﹣q（q＞0）的点电荷固定在边长为L的正方体的两个顶点上，A是正方体的另一个顶点，如果点电荷2q、﹣q连线中点O的电场强度大小是E，则正方体A点的电场强度大小是（　　）

A． B． C． D．

2. 如图所示，两正四面体边长均为l0，两正四面体bcd面完全重合，电荷量为Q的两正、负电荷A、B分别置于两四面体左、右两顶点，静电力常量为k，则（　　）

A．b、c、d三点的电场强度大小相等，方向不同 

B．b、c、d三点的电势不相等 

C．平面bcd上电场强度的最大值为 

D．平面bcd上电场强度的最大值为

3. （多选）如图所示，竖直面内一绝缘细圆环，关于水平直径PQ上下对称各镶嵌7个电荷量相等的正、负点电荷，上边为正，下边为负，在竖直直径上各有一个正负电荷，其余6个正、负电荷关于竖直直径对称。a、b、c、d分别为水平和竖直直径上的四个点，四点连线构成一正方形，圆心O位于正方形的中心。则以下说法正确的是（　　）

A．a、b两点的场强不相等 

B．c、d两点的场强相等 

C．c、d两点的电势相等 

D．带正电的试探电荷沿着直线cOd，由c运动到d过程，电场力先减小后增大

4. 如图所示，正电荷q均匀分布在半球面ACB上，球面半径为R，CD为通过半球顶点C和球心O的轴线。P、M为CD轴线上的两点，距球心O的距离均为在M右侧轴线上O′点固定正点电荷Q，点O′、M间距离为R，已知M点的场强方向水平向左、大小为，带电均匀的封闭球壳内部电场强度处处为零，则P点的场强为（　　）

A．0 B． C． D．

5. 如图所示，两条完全相同的圆弧形材料AOB和COD，圆弧对应的圆心角都为120°，圆弧AOB在竖直平面内，圆弧COD在水平面内，以O点为坐标原点、水平向右为x轴正方向，两弧形材料均匀分布正电荷，P点为两段圆弧的圆心，已知P点处的电场强度为EO、电势为φO，设圆弧AO在圆心P处产生的电场强度大小为E，产生的电势为φ，选无穷远的电势为零，以下说法正确的是（　　）

A．EEOφφO 

B．EEOφO 

C．将质子（比荷）从P点无初速释放，则质子的最大速度为 

D．若两段弧形材料带上的是等量异种电荷，x轴上各点电场强度为零，电势为零

6. 均匀带电的球壳在球外空间产生的电场等效于电荷集中于球心处产生的电场．如图所示，在半球面AB上均匀分布正电荷，总电荷量为q，球面半径为R，CD为通过半球顶点与球心O的轴线，在轴线上有M、N两点，OM＝ON＝2R，已知M点的场强大小为E，则N点的场强大小为（　　）

A．E B．E C．E D．E

7. 在x轴上固定有两个正、负点电荷，一个带电量为+Q1、一个带电量为﹣Q2（Q2＞0），用E1表示Q1在x轴上产生的电场强度大小，E2表示Q2在x轴上产生的电场强度大小。当Q1＞Q2时，E1＝E2的点有两个，分别为M点和N点，M、N两点距Q2的距离分别为r1和r2，如图所示。则当的比值增大时（　　）

A．r1、r2都减小 B．r1、r2都增大 

C．r1减小，r2增大 D．r1增大，r2减小