晨 钟 报
 

 浅论“虚设替代法”


1.物理模型的虚设替代,变无法解为可以解。
眼例1?演如图1所示,L为接地金属板,金属板一侧A点有一带电量为Q的正点电荷,A到L的垂直距离为AB=d,试求AB中点C处的电场强度。
眼分析与解?演根据“处于静电平衡状态的导体,表面上任何一点的场强方向跟该点所在的表面垂直”,金属板右侧的电力线如图2实线所示,现用一与正电荷Q关于金属板对称的负电荷-Q替代金属板上的感应电荷,则右边的电力线及C点处的电场不变。即图3模型可代替图2模型。这样,C点处的电场强度就等效为两个相距2d的等量异种点电荷所产生的电场强度,因而可解得C点处的电场强度为E=K+K=
2.物理过程的替代,变繁琐解为简单解
眼例2演如图4所示,已知回旋加速器的D形盒内匀强磁场的磁感应强度B=1.5特,盒的半径R=60厘米,两盒间隙d=1.0厘米,两盒间的电压U=2.0×104伏,今将α粒子从近于间隙中心某点向D形盒以近似于零的初速垂直于B方向射人,使α粒子加速。求α粒子在加速器内运动的总时间。
眼分析与解?演α粒子在加速器内运动的总时间t为它在磁场中旋转时间和在电场中加速运动时间之和,即t=tB+tE。
由于在磁场中α粒子运动周期T=2πm/qB,设转n圈后离开加速器时速度为v,则可得: tB=nT=n·2πm/?qB
而n·2qU=mv2/2且qvB=mv2/R
于是,n=qB2R2/?穴4mU tB=πBR2/2U?雪
如何求得tE呢?芽由于在间隙处电场中α粒子运动的每次时间不等,而且次数很多,分段计算非常繁琐,如果将每次在间隙处的运动连接起来,就可看作一个初速为零、加速度为aE=qU/?穴md,末速度为v=qBR/m的匀加速直线运动,即可以α粒子作初速为零的匀加速直线运动过程替代α粒子在D形盒中反复加速的过程。容易由t=vt-v0/a,求得tE=dBR/U。
所以α粒子在加速器内运行的总时间为 t=BR?穴πR/2+d/U=4.3X10-5秒。
3.以物理状态替代物理过程,变分步解为综合解
眼例3?演一个质量为m、带电量为-q的物体,可在水平轨道Ox上运动,O端为一与轨道垂直的固定墙,轨道处于匀强电场中,场强大小为E,方向沿Ox轴正向,如图5所示。小物体以初速v0从x0点沿Ox轨道运动时,受到大小不变的摩擦力f作用,且f<qE,设小物体与墙碰撞时不损失能量,且电量保持不变,求它在停止运动前所通过的路程。
眼分析与解?演小物体在往复运动过程中,不断地加速、减速,最终静止于O处,可知总路程为各段加速、减速运动的路程之和,即可以分步求解,用数列求和得到结果。显然,此计算较繁。若考虑到从初态到末态动能的变化与外力作功的关系,即可用状态间的动能变化替代过程中外力作功。有
0一mv2/2=-fs+qEx0
即得s=2qEx0+mv02/(2f)