不要忽视带电导体球的“自能”
刘万润 (绥宁二中 湖南 422606)
《物理教学》杂志2007年第11期第52页,郭文忠老师发表《动能增加还是减少》一文(以下简称《郭文》),对于文中问题的解答,值得商榷。
原文题目如下:
【问题】光滑绝缘的水平面上M、N两点各放一个带电量为+q和+2q的完全相同的金属球A和B。今使A、B以相同的初动能E
相向运动,且刚好发生碰撞,碰后返回M、N两点时动能为E
,比较E
和E
的大小。
《郭文》引用第三方解答,即《郭文》中“原解”:
【原解】两球为完全相同的金属球,且刚好发生碰撞,说明二球在连线MN中点速度减为0,而且相接触发生电荷转移,即电量平分,各带+
q,同时互相排斥分离,所受力为相互作用的库仑力,二者瞬间加速度总等大,在相距为r的任一状态,碰前库仑力为
,碰后为
EMBED Equation.3 ,当同时各自返回M、N时,碰后库仑力所做正功多于碰前所做负功,故E
EMBED Equation.3 E
。
郭老师认为:碰前两球在M、N点时共有电势能
=
(r
为M、N间距,且设r
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 球半径R,可视为点电荷),碰后两球返回M、N点时共有电势能
=
EMBED Equation.3
,由系统能量守恒可知,E
EMBED Equation.3 E
,即使考虑电接触时因电荷转移而形成瞬间电流发热(笔者注:依原题意应该视为理想导体球,即没有焦耳热,但电荷变速运动或电荷转移会有电磁辐射产生),结论也不变。
郭老师还认为,前文第三方解答的“错误”在于:当两球运动到足够近时,仍将两球视为点电荷。
笔者认为,前文第三方解答是正确的,尽管分析还欠确切。即使当两球运动到足够近时,不再将两球视为点电荷,两球之间的总的库仑力在相距为r(r已比2R大不了多少)的任一状态,碰前库仑力F
,碰后对应位置库仑力
EMBED Equation.3
,但
F仍然成立,故仍可得出E
EMBED Equation.3 E
。
那么,郭老师的解答错在哪里呢?笔者认为,郭老师对A、B两球构成的系统进行能量分析未尝不可,可惜分析不够全面,只分析了带电金属球A和B共有电势能,却忽视了两球所带电荷各自独立具有的电势能(笔者此前对此有过思考,不妨把这种电势能命名为“自能”)。
半径为R孤立导体球所带电量Q具有自能E=
。
以下笔者给出一种初等推导方法:
众所周知,相距r的两带电量为q的点电荷之间共同具有电势能
,即其中一个把另一个排斥到无穷远处将释放电势能做功
。
设想把导体球表面电量Q分为均匀分布的两层
,一层
(由于在导体球表面均匀分布,对球外空间可等效集中在球心)把另一层的电量
排斥到无穷远处将释放电势能做功
,即两层
之间共同具有电势能
;对每个
又可以如此操作,又有2
=
;对每个
又可以如此操作,又有4
=
;……
可知半径为R孤立导体球所带电量Q具有自能
E=
+
+
+… =
(
…)=
这个结论也可以由微积分的方法推导得出。
现在,如果计入A、B两球所带电荷的自能,则当A、B两球分别在M、N两点时(设r
为M、N间距,两球半径为R,忽略A、B相互作用对两球电荷分布的影响),A、B两球构成的系统
碰前具有的总电势能为
+
+
=
+
碰后具有的总电势能为
+
+
=
+
前后之差为
(
-
),显然r
EMBED Equation.3 2R,因而整个过程总电势能减少,系统增加的动能E
- E
即来源于其中的一部分;另外还有一部分以的形式耗散了。
注:引用《郭文》过程中,个别地方略有修改,笔误已纠正。
N
M
A
B
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