電場(chǎng)能問題的雙向循環(huán)分析解題策略

趙強(qiáng)強(qiáng) 李勝江

(甘谷縣第四中學(xué))

一、問題的提出

在研究有關(guān)電場(chǎng)能的問題時(shí),課本引入了電勢(shì)能、電勢(shì)、電勢(shì)差等物理量用來描述電場(chǎng)能的性質(zhì),同時(shí)又因?yàn)楣κ悄芰哭D(zhuǎn)化的量度,類比重力做功過程的特點(diǎn)分析電場(chǎng)力做功過程的特點(diǎn),很自然的引入了電勢(shì)能、電勢(shì)、電勢(shì)差等物理量并給出了相應(yīng)的定義,使同學(xué)們有了較為準(zhǔn)確地理解。但在分析研究電場(chǎng)能的問題時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn),此類問題不僅涉及這幾個(gè)物理量,常常還會(huì)與電場(chǎng)力做功、電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)線、動(dòng)能等結(jié)合在一起考查。這樣的話就會(huì)使同學(xué)們極易混亂,導(dǎo)致問題不能解決,也不利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。為此,本文將這類問題中常見到的物理量進(jìn)行了歸納并將它們之間的關(guān)系通過一幅圖來反映,以期能使學(xué)生對(duì)此類問題有一個(gè)較為全面地理解。

二、構(gòu)建雙向循環(huán)圖

如圖1,A、B為一條電場(chǎng)線上的兩個(gè)點(diǎn),其間距為dAB。設(shè)A、B兩點(diǎn)的電勢(shì)分別為φA和φB,A、B兩點(diǎn)間的電勢(shì)差為UAB。將試探電荷q放在A、B兩點(diǎn)時(shí)具有的電勢(shì)能分別為EpA和EpB,電荷q從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)過程中電場(chǎng)力做功WAB。令O點(diǎn)為零電勢(shì)點(diǎn),構(gòu)建由靜電力做功WAB、電勢(shì)能EpA、電勢(shì)φA、電勢(shì)差UAB構(gòu)成的關(guān)系圖如圖2。

圖1

圖2

三、雙向循環(huán)分析解題策略

通過圖2可以看到靜電力做功WAB、電勢(shì)能EpA、電勢(shì)φA、電勢(shì)差UAB四個(gè)量是雙向循環(huán)的,呈現(xiàn)出“回”字的特點(diǎn),故將圖2稱為“回字圖”。這四個(gè)量可以從任一量出發(fā)分析得出其余三個(gè)量的變化情況,特別地可將功的計(jì)算與靜電力做功聯(lián)系起來;在電荷只受電場(chǎng)力作用時(shí)利用能量守恒將電荷的動(dòng)能與電勢(shì)能關(guān)聯(lián)起來;利用沿電場(chǎng)線方向電勢(shì)逐漸減小將電勢(shì)高低和電場(chǎng)線方向聯(lián)系起來;在勻強(qiáng)電場(chǎng)中利用UAB=EdAB來實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)差的關(guān)聯(lián)。……