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[!--downpath--]在No.202中,我們講到了電容的儲能公式。 其實這個公式不是中考必考的,但它所用的數學思想和技巧,并不超出中考的范圍!
正好有同學在后臺留言中提到了這個公式。 明天一期,我們就來簡單的看一下這個公式的推導。
沒錯,明天我們還是通過類比來理解平行板電容器的儲能公式。 類比是彈簧的彈性勢能。
從原理上類比
彈簧力和靜電場力都是保守力,都有與之對應的勢能,都滿足函數關系,即克服多少保守力做功,對應勢能為多少能量減少。
當彈簧被拉伸或壓縮時,它在抵抗彈簧的彈力做功,彈性勢能減小; 類似地,如果在傳輸電荷的過程中克服了靜電場力,則相應的勢能減小。
對應上圖中的平行板電容,兩塊板都沒有充電就充電了。 我們可以把充電過程看成是下極板上的電池不斷地向上極板輸送,不斷消耗電源的電能的過程。
隨著過程的進行,兩個極板之間會產生如圖所示的電場,阻礙電荷的連續轉移。 這時,電荷的轉移必須克服靜電場力做功。 然后完成能量轉換過程。
從工作的角度打個比方
彈簧隨厚度膨脹或壓縮,由虎克定律易得,彈力所做的功就是變力所做的功。
電容器在極板上傳輸電荷的過程中,隨著兩極板上電荷的不斷積累,內部場強逐漸減小壓縮彈簧彈力公式,每次傳輸所克服的靜電場力也隨之減小。 所以靜電場力所做的功也是變力所做的功。
以彈簧彈性功為例,我們可以先研究一小段基本功。 假設在某一時刻,彈簧的變形量為 ,變形量正式發生變化。 那么在這個過程中,彈力所做的主要功是:
其中彈力是變形的函數。
同理,對于變化的靜電力所做的功,我們也可以先研究原功的表達式。 假設在某一時刻,極板帶電量為 ,此時極板間電流與帶電量滿足關系: 其中,電流是 的函數。 那么元件功可以表示為: 如果彈簧的變形量從0減小到0,則這個過程中克服彈力所做的功為: 同理,當電容器的電荷從0減小到0時,在這個過程中克服靜電力所做的功是: 因此,如果當彈簧很長時,彈性勢能為0,則很容易得到彈簧的彈性勢能的表達式: 哪里是彈簧的變形量.
同理,電容器的儲能公式為: 由,上式??蓪憺椋?span style="display:none">NW1物理好資源網(原物理ok網)
從計算的角度類比
從彈簧元件功和清河電力元件功的表達式可以看出,表達式是一樣的壓縮彈簧彈力公式,一些數學量有如下對應關系:
由此,隨著我們的進步,我們覺得,以此類推,“同方程同解”的原理。在已知彈簧彈性勢能表達式的前提下,電容器儲能公式可以為直接類比寫的。
其實,對于線性變力功問題,我們也可以用測功機圖來求解。 對于春天:
黑色三角形圍起來的面積就是做功和彈性勢能的大小。
同樣,對于電容器:
黑色三角形包圍的區域是所做的功和電容器中存儲的能量。
原創不易!