方法1:利用电容器并联公式计算
如图2所示,把电容器看作大量與图面垂直的
细狭条的电容器元并联而成的,其中任意电容器
元的电容(注意:θ很小,tanθ≠θ)
dC=ε0dsd'=ε0adxd+xθ
总电容C=∫dC=ε0aθln(1+aθd)
由于ad是常数,θ很小,则aθd<<1,上式按
麦克劳林级数展开得C=ε0a2d(1-aθ2d)。
方法2:利用电容器串联公式计算
如图3所示,加上一块相同的极板,极板1
和极板2构成电容为C的电容器,极板2和
极板3构成电为C的电容器.极板1和极板3
完全平行,构成电容为C′的电容器,由平行板电
容器计算公式得C'=ε0a22d+aθ,C′是由两个电
容为C的电容器串联而成,根据电容器串联的
计算公式,又aθ2d<<1,用麦克劳林级数
展开可得C=ε0a2d(1-aθ2d)。
方法3:利用电容器定义
设电容器带电量Q,两极板电势差为
U,两极板延长面交线O轴,如图4所示,
由静电场回路定律可知,两极板近端电场线比远端密,在离O轴r处场强E=Urθ,则电荷密度为σ=ε0E=ε0Urθ,两极板电量Q=∫σds=∫r0+ar0ε0Urθ=ε0aUθln(1+aθd)aθd<<1,按麦克劳林级数展开,根据电容定义式得C=ε0a2d(1-aθ2d)。
三种解法结果相同。若极板严格平行,则θ=0,C=ε0a2d。
参考文献:
[1]同济大学数学系,高等数学.北京:高等教育出版社,1978:285.
[2]严导淦,王晓鸥.大学物理学.北京:机械工业出版社,2012:184.
作者简介:王奕润(1970),女,甘肃天水人,教育硕士,中级,研究方向:物理与高等数学教学研究,新工科教学研究。