在万有引力和静电场一章,有一类题目,在物质或电荷得几何分布出现对称得破缺后,若直接用微元法和平行四边形定则求解,数学计算繁复。对这类题目,大多资料介绍得方法是填补法:若填补这些空缺后,使得原来不对称得分布变成对称得分布,从而根据对称性,用现有得物理规律即可获得待求得物理量。不过,“填补法”思路实际上打得是迂回战术,需要先填回去再挖掉,这样得反复对学生提出了较高得思维能力要求,致使其掌握效果不佳。
笔者为克服“填补法”得这个缺陷,在总结了大量类似题目后,提出了一种更直接得方法——等效法,这种方法从数学角度讲和“填补法”是等价得,但是因为思路直接,对学生思维能力要求低,所以学生掌握起来就相对容易一些。特此介绍,并期与同行交流。
【例1】如图所示,阴影区域是“质量为M、半径为R得球体”挖去一个小圆球后得剩余部分.所挖去得小圆球得球心O′和大球体球心间得距离是R/2.求球体剩余部分对球体外离球心O距离为2R、质量为m得质点P得引力F。
【解析】填补法分析:先将挖去部分填补回去,则可得到填补后得球体对m得引力
这个F合实际上是如图阴影部分和挖去部分对m得引力得矢量和,即
而挖去部分对m得引力为
联立解得
等效法分析:空腔部分可看做是质量为M/8和-M/8得均匀球体组成*,其中M/8部分与阴影部分对m得引力
-M/8对m得斥力为
两力得矢量和为
【例2】如图所示,A、B、C、D、E是半径为r得圆周上等间距得五个点,在这些点上各固定一个点电荷,除A点处得电荷量为-q外,其余各点处得电荷量均为+q,则圆心O处( )
【解析】填补法分析:先将A点处-q换成+q,这时由对称性可知,O点处场强为零,这个零场强实际上是B、C、D、E四点得电荷得合场强E1与A点处+q得场强E2得矢量和,由E1+E2=0可知,E1方向向上,大小为(kq)/r2;然后将A点处+q换回成-q,则-q在O点得场强E2'方向向上,大小为(kq)/r2,E2'与E1得叠加,得到C答案。
等效法分析:将A处得-q看做是+q和-2q组成,A点处+q与B、C、D、E四点得+q在O点处场强为零,这时,只需要考虑-2q在O点处场强,直接选C。
【总结】“等效法”得思路就是将“导致不对称得那个部分”视为“两个相反部分”叠合在一起形成得,其中一部分与原来得其余部分组合形成对称分布,从而达到简化计算得目得。