题目
将某电荷 Q 分成 q 和 (Q-q) 两部分,并使两部分离开一定距离,则它们之间的库仑力为最大的条件是( )A. q=(Q)/(2)B. q=(Q)/(4)C. q=(Q)/(8)D. q=(Q)/(16)
将某电荷 $ Q $ 分成 $ q $ 和 $ (Q-q) $ 两部分,并使两部分离开一定距离,则它们之间的库仑力为最大的条件是( )
A. $q=\frac{Q}{2}$
B. $q=\frac{Q}{4}$
C. $q=\frac{Q}{8}$
D. $q=\frac{Q}{16}$
题目解答
答案
A. $q=\frac{Q}{2}$
解析
本题考查库仑定律以及二次函数求最值的知识点。解题思路是先根据库仑定律写出两部分电荷间库仑力的表达式,再分析该表达式中与变量相关的部分,最后通过二次函数求最值的方法确定库仑力最大时$q$的值。
- 写出库仑力表达式:
根据库仑定律,两个点电荷之间的静电力大小为$F = k\frac{|q_1q_2|}{r^2}$,其中$k$是库仑常数,$r$是两电荷之间的距离。
已知两部分电荷分别为$q$和$Q - q$,且距离$r$固定不变,则它们之间的库仑力为$F = k\frac{q(Q - q)}{r^2}$。
因为$k$和$r$都是常数,所以库仑力$F$的大小与$q(Q - q)$成正比,即$F\propto q(Q - q)$,展开可得$F\propto qQ - q^2$。 - 求使库仑力最大的$q$值:
令$f(q)=q(Q - q)=Qq - q^2$,这是一个关于$q$的二次函数,二次项系数为$-1\lt0$,所以该函数图象开口向下,在顶点处取得最大值。
对于二次函数$y = ax^2 + bx + c$($a\neq0$),其顶点的横坐标为$x = -\frac{b}{2a}$。
在$f(q)= -q^2 + Qq$中,$a = -1$,$b = Q$,则$f(q)$取得最大值时$q$的值为:
$q = -\frac{Q}{2\times(-1)}=\frac{Q}{2}$
即当$q = \frac{Q}{2}$时,$q(Q - q)$最大,库仑力$F$也最大。