做功与路径无关的力场叫做势场,在这类场中可以引入“势”和“势能”的概念,场力做功可以量度势能的变化。例如静电场和引力场。
(1)如图所示,真空中静止点电荷+Q产生的电场中,A、B为同一条电场线上的两点,A、B两点与点电荷+Q间的距离分别为r1和r2。取无穷远处的电势为零,则在距离点电荷+Q为r的某点电势(式中k为静电力常量)。
a.现将电荷量为+q的检验电荷放置在A点,求该检验电荷在A点时的电势能EpA;
b.现将电荷量为+q的检验电荷,由A点移至B点,求在此过程中,电场力所做的功W。
(2)质量为M的天体周围存在引力场。已知该天体的半径为R,引力常量为G。
请类比点电荷,取无穷远处的引力势为零,写出在距离该天体中心为r()处的引力势的表达式;
练习中的一个题,第(1)问顺利拿下,第二问就有点问题了,根据题目中的类比,结果差了一个负号。类比中需要特别注意不同之处,万有引力定律和库仑定律确有类似的地方,但至少可以发现一个最根本的不同,万有引力只有引力而无斥力,而库仑力则是引力、斥力都有,同一个电场,试探电荷电性一变,在电场中同一点的受力方向就变了。
(2)问中的类比可以这样来理解,引力势能随着物体与中心天体间距离的增大而不断增大,无穷远处变为零了,而物体质量在这个场景中是正值,所以在有限距离内引力势能应为负值。表达式类似于负点电荷的电势表达式。
给补了一刀,中心天体质量分布均匀的前提下,距离中心天体中心距离小于中心天体半径的位置,其引力势的表达式是什么?
作业中反馈,这回彻底搞难了,只有两位搞对了。
从原始定义开始算起,当r<R时,r处的引力势表达式为:
物理思路可以下来,难点在数学运算上,简单的求导、积分运算卡住了。幂函数求导、积分,套路一下,这类问题也就可以解决了,熟悉之后,就没有所谓的难度了!