第八章 电场
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第4讲带电粒子在电场中的运动学习目标 1.会利用动力学、功能关系分析带电粒子在电场中的直线运动。
2.掌握带电粒子在电场中的偏转规律,会分析带电粒子在电场中偏转的功能关系。
3.会分析、计算带电粒子在交变电场中的直线运动和偏转问题。
1.思考判断(1)带电粒子在匀强电场中只能做类平抛运动。
(×)(2)带电粒子在电场中,只受静电力时,也可以做匀速圆周运动。
(√)2.带电粒子沿水平方向射入竖直向下的匀强电场中,运动轨迹如图所示,粒子在相同的时间内()A.位置变化相同B.速度变化相同C.速度偏转的角度相同D.动能变化相同答案 B考点一 带电粒子(带电体)在电场中的直线运动1.做直线运动的条件(1)粒子所受合外力F 合=0,粒子做匀速直线运动。
(2)粒子所受合外力F 合≠0且与初速度共线,带电粒子将做加速直线运动或减速直线运动。
2.用动力学观点分析a =qE m ,E =U d ,v 2-v 20=2ad 。
3.用功能观点分析匀强电场中:W =qEd =qU =12m v 2-12m v 20非匀强电场中:W =qU =12m v 2-12m v 20角度 带电粒子在电场中的直线运动例1 (多选)(2022·福建卷,8)我国霍尔推进器技术世界领先,其简化的工作原理如图1所示。
放电通道两端电极间存在一加速电场,该区域内有一与电场近似垂直的约束磁场(未画出)用于提高工作物质被电离的比例。
工作时,工作物质氙气进入放电通道后被电离为氙离子,再经电场加速喷出,形成推力。
某次测试中,氙气被电离的比例为95%,氙离子喷射速度为1.6×104 m/s ,推进器产生的推力为80 mN 。
已知氙离子的比荷为7.3×105 C/kg ;计算时,取氙离子的初速度为零,忽略磁场对离子的作用力及粒子之间的相互作用,则( )图1A.氙离子的加速电压约为175 VB.氙离子的加速电压约为700 VC.氙离子向外喷射形成的电流约为37 AD.每秒进入放电通道的氙气质量约为5.3×10-6 kg答案 AD解析 设一个氙离子所带电荷量为q 0,质量为m 0,由动能定理得q 0U =12m 0v 2,解得氙离子的加速电压为U =m 0v 22q 0≈175 V ,A 正确,B 错误;设1 s 内进入放电通道的氙气质量为m ,由动量定理得Ft =95%m v ,解得m ≈5.3×10-6 kg ,D 正确;氙离子向外喷射形成的电流I =q t =95%m m 0t ·q 0≈3.7 A ,C 错误。
第4讲 带电粒子在电场中的偏转目标要求 1.掌握带电粒子在电场中的偏转规律.2.会分析带电粒子在电场中偏转的功能关系.3.掌握带电粒子在电场和重力场的复合场中的运动规律.4.会分析、计算带电粒子在交变电场中的偏转问题.考点一 带电粒子在匀强电场中的偏转带电粒子在匀强电场中偏转的两个分运动(1)沿初速度方向做匀速直线运动,t =lv 0(如图).(2)沿电场力方向做匀加速直线运动 ①加速度:a =F m =qE m =qUmd.②离开电场时的偏移量:y =12at 2=qUl 22md v 02.③离开电场时的偏转角:tan θ=v y v 0=qUlmd v 02.1.两个重要结论(1)不同的带电粒子从静止开始经过同一电场加速后再从同一偏转电场射出时,偏移量和偏转角总是相同的.证明:在加速电场中有qU 0=12m v 02在偏转电场偏移量y =12at 2=12·qU 1md ·(l v 0)2偏转角θ,tan θ=v y v 0=qU 1lmd v 02得:y =U 1l 24U 0d ,tan θ=U 1l2U 0dy 、θ均与m 、q 无关.(2)粒子经电场偏转后射出,速度的反向延长线与初速度延长线的交点O 为粒子水平位移的中点,即O 到偏转电场边缘的距离为偏转极板长度的一半. 2.功能关系当讨论带电粒子的末速度v 时也可以从能量的角度进行求解:qU y =12m v 2-12m v 02,其中U y=Ud y ,指初、末位置间的电势差.考向1 带电粒子在匀强电场中的偏转例1 (2023·广东佛山市模拟)如图所示,正方形ABCD 区域内存在竖直向上的匀强电场,质子(11H)和α粒子(42He)先后从A 点垂直射入匀强电场,粒子重力不计,质子从BC 边中点射出,则( )A .若初速度相同,α粒子从CD 边离开B .若初速度相同,质子和α粒子经过电场的过程中速度增量之比为1∶2C .若初动能相同,质子和α粒子经过电场的时间相同D .若初动能相同,质子和α粒子经过电场的过程中动能增量之比为1∶4 答案 D解析 对任一粒子,设其电荷量为q ,质量为m ,粒子在电场中做类平抛运动,水平方向有 x =v 0t ,竖直方向有y =12at 2=12·qE m ·x 2v 02,若初速度相同,水平位移x 相同时,由于α粒子的比荷比质子的小,则α粒子的偏转距离y 较小,所以α粒子从BC 边离开,由t =xv 0知两个粒子在电场中的运动时间相等,由Δv =at =qE m t ,知Δv ∝qm ,则质子和α粒子经过电场的过程中速度增量之比为2∶1,故A 、B 错误;粒子经过电场的时间为t =xv 0,若初动能相同,质子的初速度较大,则质子的运动时间较短,故C 错误;由y =12·qE m ·x 2v 02,E k =12m v 02得y =qEx 24E k ,若初动能相同,已知x 相同,则y ∝q ,根据动能定理知:经过电场的过程中动能增量ΔE k =qEy ,E 相同,则ΔE k ∝q 2,则质子和α粒子经过电场的过程中动能增量之比为1∶4,故D正确.例2 (2020·浙江7月选考·6)如图所示,一质量为m 、电荷量为q ()q >0的粒子以速度v 0从MN 连线上的P 点水平向右射入大小为E 、方向竖直向下的匀强电场中.已知MN 与水平方向成45°角,粒子的重力可以忽略,则粒子到达MN 连线上的某点时( )A .所用时间为m v 0qEB .速度大小为3v 0C .与P 点的距离为22m v 02qED .速度方向与竖直方向的夹角为30° 答案 C解析 粒子在电场中只受电场力,F =qE ,方向向下,如图所示.粒子的运动为类平抛运动.水平方向做匀速直线运动,有x =v 0t ,竖直方向做初速度为0的匀加速直线运动,有y =12at 2=12·qE m t 2,yx =tan 45°,联立解得t =2m v 0qE,故A 错误;v y =at =qE m ·2m v 0qE =2v 0,则速度大小v =v 02+v y 2=5v 0,tan θ=v 0v y =12,则速度方向与竖直方向夹角θ≠30°,故B 、D 错误;x =v 0t =2m v 02qE ,与P 点的距离s =x cos 45°=22m v 02qE ,故C 正确.考向2 带电粒子在组合场中的运动例3 (2023·广东湛江市模拟)示波管原理图如图甲所示.它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成,管内抽成真空.如果在偏转电极XX ′和YY ′之间都没有加电压,电子束从电子枪射出后沿直线运动,打在荧光屏中心,产生一个亮斑如图乙所示.若板间电势差U XX′和U YY′随时间变化关系图像如丙、丁所示,则荧光屏上的图像可能为()答案 A解析U XX′和U YY′均为正值,两偏转电极的电场强度方向分别由X指向X′,Y指向Y′,电子带负电,所受电场力方向与电场强度方向相反,所以分别向X、Y方向偏转,可知A正确.例4如图装置是由粒子加速器和平移器组成,平移器由两对水平放置、间距为Δd的相同平行金属板构成,极板间距离和板长均为L.加速电压为U0,两对极板间偏转电压大小相等均为U0,电场方向相反.质量为m、电荷量为+q的粒子无初速度地进入加速电场,被加速器加速后,从平移器下板边缘水平进入平移器,最终从平移器上板边缘水平离开,不计重力.下列说法正确的是()A.粒子离开加速器时速度v0=qU0 mB .粒子通过左侧平移器时,竖直方向位移y 1=L4C .Δd 与2L 相等D .只增加加速电压,粒子将不能从平移器离开 答案 B解析 根据qU 0=12m v 02,粒子离开加速器时速度为v 0=2qU 0m,故A 错误;粒子在左侧平移器电场中的偏移量为y 1=12at 2,又q U 0L =ma ,L =v 0t ,得y 1=L4,故B 正确;根据类平抛运动的特点和对称性,粒子在两平移器之间做匀速直线运动,它的轨迹延长线分别过平行板中点,根据几何关系可知Δd =L ,故C 错误;由B 选项可得y 1=qU 0L2m v 02,由A 选项可知当加速电压增大时,粒子进入平移器的速度增大,粒子在平移器中竖直方向偏移量变小,粒子可以离开平移器,位置比原来靠下,故D 错误.考点二 带电粒子在重力场和电场复合场中的偏转例5 如图所示,地面上某区域存在着水平向右的匀强电场,一个质量为m 的带负电小球(可视为质点)以水平向右的初速度v 0,由O 点射入该区域,刚好竖直向下通过竖直平面中的P 点,已知OP 与初速度方向的夹角为60°,重力加速度为g ,则以下说法正确的是( )A .所受电场力大小为3mg2B .小球所受的合外力大小为3mg3 C .小球由O 点到P 点用时3v 0gD .小球通过P 点时的动能为52m v 02答案 C解析 设OP =L ,小球从O 到P 水平方向做匀减速运动,到达P 点时水平速度为零,竖直方向做自由落体运动,则水平方向L cos 60°=v 02t ,竖直方向L sin 60°=12gt 2,解得t =3v 0g ,选项C 正确;水平方向受电场力F 1=ma =m v 0t =3mg3,小球所受的合外力是F 1与mg 的合力,可知合力的大小F =(mg )2+F 12=233mg ,选项A 、B 错误;小球通过P 点时的速度大小v P =gt =3v 0,则动能E k P =12m v P 2=32m v 02,选项D 错误.例6 (2019·全国卷Ⅲ·24)空间存在一方向竖直向下的匀强电场,O 、P 是电场中的两点.从O 点沿水平方向以不同速度先后发射两个质量均为m 的小球A 、B .A 不带电,B 的电荷量为q (q >0).A 从O 点发射时的速度大小为v 0,到达P 点所用时间为t ;B 从O 点到达P 点所用时间为t2.重力加速度为g ,求:(1)电场强度的大小; (2)B 运动到P 点时的动能. 答案 (1)3mgq(2)2m (v 02+g 2t 2)解析 (1)设电场强度的大小为E ,小球B 运动的加速度为a .根据牛顿第二定律、运动学公式和题给条件,有mg +qE =ma ① 12a (t 2)2=12gt 2② 解得E =3mg q③(2)设B 从O 点发射时的速度为v 1,到达P 点时的动能为E k ,O 、P 两点的高度差为h ,根据动能定理有mgh +qEh =E k -12m v 12④且有v 1·t2=v 0t ⑤h =12gt 2⑥ 联立③④⑤⑥式得E k =2m (v 02+g 2t 2).考点三 带电粒子在交变电场中的偏转1.带电粒子在交变电场中的运动,通常只讨论电压的大小不变、方向做周期性变化(如方波)的情形.当粒子垂直于交变电场方向射入时,沿初速度方向的分运动为匀速直线运动,沿电场方向的分运动具有周期性.2.研究带电粒子在交变电场中的运动,关键是根据电场变化的特点,利用牛顿第二定律正确地判断粒子的运动情况.根据电场的变化情况,分段求解带电粒子运动的末速度、位移等. 3.注重全面分析(分析受力特点和运动规律):抓住粒子运动时间上的周期性和空间上的对称性,求解粒子运动过程中的速度、位移、做功或确定与物理过程相关的临界条件. 4.对于锯齿波和正弦波等电压产生的交变电场,若粒子穿过板间的时间极短,带电粒子穿过电场时可认为是在匀强电场中运动.例7 在如图甲所示的极板A 、B 间加上如图乙所示的大小不变、方向周期性变化的交变电压,其周期为T ,现有一电子以平行于极板的速度v 0从两板中央OO ′射入.已知电子的质量为m 、电荷量为e ,不计电子的重力,问:(1)若电子从t =0时刻射入,在半个周期内恰好能从A 板的边缘飞出,则电子飞出时速度的大小为多少?(2)若电子从t =0时刻射入,恰能平行于极板飞出,则极板至少为多长?(3)若电子恰能沿OO ′平行于极板飞出,电子应从哪一时刻射入?两极板间距至少为多大? 答案 见解析解析 (1)由动能定理得e U 02=12m v 2-12m v 02解得v =v 02+eU 0m. (2)t =0时刻射入的电子,在垂直于极板方向上做匀加速运动,向A 极板方向偏转,半个周期后电场方向反向,电子在该方向上做匀减速运动,再经过半个周期,电子在电场方向上的速度减小到零,此时的速度等于初速度v 0,方向平行于极板,以后继续重复这样的运动;要使电子恰能平行于极板飞出,则电子在OO ′方向上至少运动一个周期,故极板长至少为L =v 0T .(3)若要使电子沿OO ′平行于极板飞出,则电子在电场方向上应先加速、再减速,减速到零后反向加速、再减速,每阶段时间相同,一个周期后恰好回到OO ′上,可见应在t =T 4+k T2(k=0,1,2,…)时射入,极板间距离要满足电子在加速、减速阶段不打到极板上,设两板间距为d ,由牛顿第二定律有a =eU 0md ,加速阶段运动的距离s =12·eU 0md ⎝⎛⎭⎫T 42≤d4,解得d ≥TeU 08m,故两极板间距至少为T eU 08m. 例8 如图甲所示,热电子由阴极飞出时的初速度忽略不计,电子发射装置的加速电压为U 0,电容器极板长L =10 cm ,极板间距d =10 cm ,下极板接地,电容器右端到荧光屏的距离也是L =10 cm ,荧光屏足够长,在电容器两极板间接一交变电压,上极板与下极板的电势差随时间变化的图像如图乙所示.每个电子穿过极板的时间都极短,可以认为电子穿过极板的过程中电压是不变的.求:(1)在t =0.06 s 时刻,电子打在荧光屏上的位置到O 点的距离; (2)荧光屏上有电子打到的区间长度. 答案 (1)13.5 cm (2)30 cm解析 (1)设电子经电压U 0加速后的速度为v 0,根据动能定理得eU 0=12m v 02,设电容器间偏转电场的场强为E ,则有E =Ud,设电子经时间t 通过偏转电场,偏离轴线的侧向位移为y ,则沿中心轴线方向有t =Lv 0,垂直中心轴线方向有a =eE m ,联立解得y =12at 2=eUL 22md v 02=UL 24U 0d,设电子通过偏转电场过程中产生的侧向速度为v y ,偏转角为θ,则电子通过偏转电场时有v y =at ,tan θ=v y v 0,则电子在荧光屏上偏离O 点的距离为Y =y +L tan θ=3UL 24U 0d ,由题图乙知t=0.06 s 时刻,U =1.8U 0,解得Y =13.5 cm.(2)由题知电子偏移量y 的最大值为d 2,根据y =UL 24U 0d可得,当偏转电压超过2U 0时,电子就打不到荧光屏上了,所以代入得Y max=3L,所以荧光屏上电子能打到的区间长度为2Y max=3L2=30 cm.课时精练1.(多选)如图所示,一带正电的小球向右水平抛入范围足够大的匀强电场,电场方向水平向左.不计空气阻力,则小球()A.做直线运动B.做曲线运动C.速率先减小后增大D.速率先增大后减小答案BC解析对小球受力分析,小球受重力、电场力作用,合外力的方向与初速度的方向不在同一条直线上,故小球做曲线运动,故A错误,B正确;在运动的过程中合外力方向与速度方向间的夹角先为钝角后为锐角,故合外力对小球先做负功后做正功,所以速率先减小后增大,故C正确,D错误.2.(多选)(2023·辽宁葫芦岛市高三检测)如图所示,在竖直向上的匀强电场中,A球位于B球的正上方,质量相等的两个小球以相同初速度水平抛出,它们最后落在水平面上同一点,其中只有一个小球带电,不计空气阻力,下列判断正确的是()A.如果A球带电,则A球一定带负电B.如果A球带电,则A球的电势能一定增加C.如果B球带电,则B球一定带负电D.如果B球带电,则B球的电势能一定增加答案AD解析 平抛时的初速度相同,在水平方向通过的位移相同,故下落时间相同,A 球在上方,竖直位移较大,由h =12at 2可知,A 球下落的加速度较大,所受合外力较大,如果A 球带电,则A 球受到向下的电场力,一定带负电,电场力做正功,电势能减小,故A 正确,B 错误;如果B 球带电,由于B 球的竖直位移较小,加速度较小,所受合外力较小,则B 球受到的电场力向上,应带正电,电场力对B 球做负功,电势能增加,故C 错误,D 正确.3.如图所示,一电荷量为q 的带电粒子以一定的初速度由P 点射入匀强电场,入射方向与电场线垂直.粒子从Q 点射出电场时,其速度方向与电场线成30°角.已知匀强电场的宽度为d ,方向竖直向上,P 、Q 两点间的电势差为U (U >0),不计粒子重力,P 点的电势为零.则下列说法正确的是( )A .粒子带负电B .带电粒子在Q 点的电势能为qUC .P 、Q 两点间的竖直距离为d 2D .此匀强电场的电场强度为23U3d答案 D解析 由题图可知,带电粒子的轨迹向上弯曲,则粒子受到的电场力方向竖直向上,与电场方向相同,所以该粒子带正电,故A 错误;粒子从P 点运动到Q 点,电场力做正功,大小为W =qU ,则粒子的电势能减少了qU ,P 点的电势为零,可知带电粒子在Q 点的电势能为-qU ,故B 错误;Q 点速度的反向延长线过水平位移的中点,则y =d 2tan 30°=32d ,电场强度大小为E =U y =23U3d,故D 正确,C 错误.4.(多选)(2021·全国乙卷·20)四个带电粒子的电荷量和质量分别为(+q ,m )、(+q ,2m )、(+3q ,3m )、(-q ,m ),它们先后以相同的速度从坐标原点沿x 轴正方向射入一匀强电场中,电场方向与y 轴平行.不计重力,下列描绘这四个粒子运动轨迹的图像中,可能正确的是( )答案 AD解析 带电粒子在匀强电场中做类平抛运动,加速度为a =qEm ,由类平抛运动规律可知,带电粒子在电场中运动时间为t =lv 0,离开电场时,带电粒子的偏转角的正切值为tan θ=v y v x =at v 0=qElm v 02,因为四个带电的粒子的初速度相同,电场强度相同,水平位移相同,所以偏转角只与比荷有关,(+q ,m )粒子与(+3q ,3m )粒子的比荷相同,所以偏转角相同,轨迹相同,且与(-q ,m )粒子的比荷也相同,所以(+q ,m )、(+3q ,3m )、(-q ,m )三个粒子偏转角相同,但(-q ,m )粒子与上述两个粒子的偏转角方向相反,(+q ,2m )粒子的比荷比(+q ,m )、(+3q ,3m )粒子的比荷小,所以(+q ,2m )粒子比(+q ,m )(+3q ,3m )粒子的偏转角小,但都带正电,偏转方向相同,故A 、D 正确,B 、C 错误.5.如图所示,一电子枪发射出的电子(初速度很小,可视为零)经过加速电场加速后,垂直射入偏转电场,射出后偏转位移为Y .要使偏转位移增大,下列哪些措施是可行的(不考虑电子射出时碰到偏转极板的情况)( )A .增大偏转电压UB .增大加速电压U 0C .增大偏转极板间距离D .将发射电子改成发射负离子 答案 A解析 设偏转极板长为l ,极板间距为d ,由eU 0=12m v 02,t =l v 0,a =eU md ,y =12at 2,联立得偏转位移y =Ul 24U 0d ,增大偏转电压U ,减小加速电压U 0,减小偏转极板间距离,都可使偏转位移增大,选项A 正确,B 、C 错误;由于偏转位移y =Ul 24U 0d 与粒子质量、带电荷量无关,故将发射电子改成发射负离子,偏转位移不变,选项D 错误.6.(多选)如图甲所示,真空中水平放置两块长度为2d 的平行金属板P 、Q ,两板间距为d ,两板间加上如图乙所示最大值为U 0且周期性变化的电压,在两板左侧紧靠P 板处有一粒子源A ,自t =0时刻开始连续释放初速度大小为v 0、方向平行于金属板的相同带电粒子,t =0时刻释放的粒子恰好从Q 板右侧边缘离开电场,已知电场变化周期T =2dv 0,粒子质量为m ,不计粒子重力及相互间的作用力,则( )A .在t =0时刻进入的粒子离开电场时速度大小仍为v 0B .粒子的电荷量为m v 022U 0C .在t =18T 时刻进入的粒子离开电场时电势能减少了18m v 02D .在t =14T 时刻进入的粒子刚好从P 板右侧边缘离开电场答案 AD解析 粒子进入电场后,水平方向做匀速运动,则t =0时刻进入电场的粒子在电场中运动时间t =2dv 0,此时间正好是交变电压的一个周期,粒子在竖直方向先做加速运动后做减速运动,经过一个周期,粒子的竖直速度为零,故粒子离开电场时的速度大小等于水平速度v 0,选项A 正确;在竖直方向,t =0时刻进入电场的粒子在T 2时间内的位移为d 2,则d 2=12a ·(T 2)2=U 0q 2dm (d v 0)2,计算得出q =m v 02U 0,选项B 错误;在t =T8时刻进入电场的粒子,离开电场时在竖直方向上的位移为d =2×12a (38T )2-2×12a (T 8)2=d 2,故电场力做功为W =U 0q d ×12d =12U 0q =12m v 02,电势能减少了12m v 02,选项C 错误;t =T 4时刻进入的粒子,在竖直方向先向下加速运动T4,然后向下减速运动T 4,再向上加速T 4,然后再向上减速T4,由对称可以知道,此时竖直方向的位移为零,故粒子从P 板右侧边缘离开电场,选项D 正确.7.(2023·重庆市高三模拟)如图所示,一圆形区域有竖直向上的匀强电场,O 为圆心,两个质量相等、电荷量大小分别为q 1、q 2的带电粒子甲、乙,以不同的速率v 1、v 2从A 点沿AO 方向垂直射入匀强电场,甲从C 点飞出电场,乙从D 点飞出,它们在圆形区域中运动的时间相同,已知∠AOC =45°,∠AOD =120°,不计粒子的重力,下列说法正确的是( )A.v 1v 2=2-22+3 B.v 1v 2=2-23 C.q 1q 2=32 D.q 1q 2= 2 答案 B解析 甲、乙在电场中均做类平抛运动,沿初速度方向做匀速直线运动,它们在圆形区域中运动时间t 相同,在水平方向上,根据题图中几何关系可得x AC =v 1t =R -R cos 45°,x AD =v 2t =R +R cos 60°,联立可得v 1v 2=1-221+12=2-23,A 错误,B 正确;甲、乙在电场中沿电场力方向均做初速度为零的匀加速直线运动,则有y AC =12·q 1E m t 2=R sin 45°,y AD =12·q 2Em t 2=R sin 60°,联立可得q 1q 2=sin 45°sin 60°=23,C 、D 错误.8.(2022·浙江6月选考·9)如图所示,带等量异种电荷的两正对平行金属板M 、N 间存在匀强电场,板长为L (不考虑边界效应).t =0时刻,M 板中点处的粒子源发射两个速度大小为v 0的相同粒子,垂直M 板向右的粒子,到达N 板时速度大小为2v 0;平行M 板向下的粒子,刚好从N 板下端射出.不计重力和粒子间的相互作用,则( )A .M 板电势高于N 板电势B .两个粒子的电势能都增加C .粒子在两板间的加速度为a =2v 02LD .粒子从N 板下端射出的时间t =(2-1)L2v 0答案 C解析 由于不知道两粒子的电性,故不能确定M 板和N 板的电势高低,故A 错误;根据题意垂直M 板向右的粒子到达N 板时速度增加,动能增加,则电场力做正功,电势能减小,则平行M 板向下的粒子到达N 板时电场力也做正功,电势能同样减小,故B 错误;设两板间距离为d ,对于平行M 板向下的粒子刚好从N 板下端射出,在两板间做类平抛运动,有L2=v 0t ,d =12at 2,对于垂直M 板向右的粒子,在板间做匀加速直线运动,因两粒子相同,则在电场中加速度相同,有(2v 0)2-v 02=2ad ,联立解得t =L2v 0,a =2v 02L,故C 正确,D 错误. 9.(多选)如图所示,一充电后与电源断开的平行板电容器的两极板水平放置,板长为L ,板间距离为d ,距板右端L 处有一竖直屏M .一带电荷量为q 、质量为m 的质点以初速度v 0沿中线射入两板间,最后垂直打在M 上,则下列说法中正确的是(已知重力加速度为g )( )A .两极板间电压为mgd2qB .板间电场强度大小为2mgqC .整个过程中质点的重力势能增加mg 2L 2v 02D .若仅增大两极板间距,则该质点不可能垂直打在M 上 答案 BC解析 据题分析可知,质点在平行板间轨迹应向上偏转,做类平抛运动,飞出电场后,轨迹向下偏转,才能最后垂直打在M 屏上,前后过程质点的运动轨迹有对称性,如图所示,可知两次偏转的加速度大小相等,对两次偏转分别由牛顿第二定律得qE -mg =ma ,mg =ma ,解得a =g ,E =2mg q ,由U =Ed 得两极板间电压为U =2mgd q ,故A 错误,B 正确;质点在电场中向上偏转的距离y =12at 2,t =L v 0,解得y =gL 22v 02,故质点打在屏上的位置与P 点的距离为s =2y =gL 2v 02,整个过程中质点的重力势能的增加量E p =mgs =mg 2L 2v 02,故C 正确;仅增大两极板间的距离,因两极板上电荷量不变,根据E =U d =Q Cd =Q εr S 4πkd d =4πkQεr S可知,板间电场强度不变,质点在电场中受力情况不变,则运动情况不变,仍垂直打在M 上,故D 错误. 10.(2023·黑龙江佳木斯市第八中学调研)如图所示,两平行金属板A 、B 长L =8 cm ,两板间距离d =8 cm ,A 板比B 板电势高300 V ,一个不计重力的带正电的粒子电荷量q =10-10C 、质量m =10-20kg ,沿电场中心线RO 垂直电场线飞入电场,初速度v 0=2×106 m/s ,粒子飞出平行板电场后,可进入界面MN 和光屏PS 间的无电场的真空区域,最后打在光屏PS 上的D 点(未画出).已知界面MN 与光屏PS 相距12 cm ,O 是中心线RO 与光屏PS 的交点.sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,求:(1)粒子穿过界面MN 时偏离中心线RO 的距离; (2)粒子射出平行板电容器时偏转角; (3)OD 两点之间的距离.答案 (1)0.03 m (2)37° (3)0.12 m解析 (1)带电粒子垂直进入匀强电场后做类平抛运动,加速度为a =F m =qU md水平方向有L =v 0t竖直方向有y =12at 2联立解得y =qUL 22md v 02=0.03 m(2)设粒子射出平行板电容器时偏转角为θ,v y =at tan θ=v y v 0=at v 0=qUL md v 02=34,故偏转角为37°.(3)带电粒子离开电场时速度的反向延长线与初速度延长线的交点为水平位移的中点,设两界面MN 、PS 相距为L ′,由相似三角形得L 2L 2+L ′=yY ,解得Y =4y =0.12 m.11.(2023·辽宁大连市第八中学高三检测)如图甲所示,真空中的电极可连续不断均匀地逸出电子(设电子的初速度为零),经加速电场加速,由小孔穿出,沿两个彼此绝缘且靠近的水平金属板A 、B 的中线射入偏转电场,A 、B 两板距离为d ,A 、B 板长为L ,AB 两板间加周期性变化的电场U AB ,如图乙所示,周期为T ,加速电压U 1=2mL 2eT 2,其中m 为电子质量、e 为电子电荷量,T 为偏转电场的周期,不计电子的重力,不计电子间的相互作用力,且所有电子都能离开偏转电场,求:(1)电子从加速电场U 1飞出后的水平速度v 0的大小;(2)t =0时刻射入偏转电场的电子离开偏转电场时距A 、B 间中线的距离y ;(3)在0~T2内射入偏转电场的电子中从中线上方离开偏转电场的电子占离开偏转电场电子总数的百分比.答案 (1)2L T (2) eU 0T 28md (3)50%解析 (1)电子在加速电场中加速, 由动能定理得eU 1=12m v 02-0解得v 0=2LT(2) 电子在偏转电场中做类平抛运动,水平方向L =v 0t ,解得t =T2,t =0时刻进入偏转电场的电子加速度a =eE m =eU 0md ,电子离开电场时距离A 、B 中心线的距离y =12at 2,解得y =eU 0T 28md(3)在0~T2内射入偏转电场的电子,设向上的方向为正方向,设电子恰在A 、B 间中线离开偏转电场,则电子先向上做初速度为零、加速度大小为a 的匀加速直线运动,经过时间t ′后速度v =at ′,此后两板间电压大小变为3U 0,加速度大小变为a ′=eE ′m =3eU 0md =3a电子向上做加速度大小为3a 的匀减速直线运动,速度减为零后,向下做初速度为零、加速度大小为3a 的匀加速直线运动,最后回到A 、B 间的中线,经历的时间为T 2,则12at ′2+v (T2-t ′)-12×3a (T 2-t ′)2=0,解得t ′=T4,则能够从中线上方向离开偏转电场的电子的发射时间为t ″=T 4,则在0~T2时间内,从中线上方离开偏转电场的电子占离开偏转电场电子总数的百分比η=T 4T 2×100%=50%.12.(多选)如图,质量为m 、带电荷量为q 的质子(不计重力)在匀强电场中运动,先后经过水平虚线上A 、B 两点时的速度大小分别为v a =v 、v b =3v ,方向分别与AB 成α=60°角斜向上、θ=30°角斜向下,已知AB =L ,则( )A .质子从A 到B 的运动为匀变速运动 B .电场强度大小为2m v 2qLC .质子从A 点运动到B 点所用的时间为2Lv D .质子的最小速度为32v 答案 ABD解析 质子在匀强电场中受力恒定,故加速度恒定,则质子从A 到B 的运动为匀变速运动,A 正确;质子在匀强电场中做抛体运动,在与电场垂直的方向上分速度相等,设v a 与电场线的夹角为β,如图所示.则有v a sin β=v b cos β,解得β=60°,根据动能定理有qEL cos 60°=12m v b 2-12m v a 2,解得E =2m v 2qL ,B 正确;根据几何关系可得,AC 的长度为L sin 60°=32L ,则质子从A 点运动到B 点所用的时间为t =32L v a sin β=Lv ,C 错误;在匀变速运动过程中,当速度方向与电场力方向垂直时,质子的速度最小,有v min =v a sin β=32v ,D 正确.。
电荷间相互作用力电场知识点梳理一、正确理解电场概念:(1)两个有质量的物体之间存在万有引力,它们通过引力场相互作用,两个带有一定电量的电荷间存在相互作用,同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引,但电荷间并没有接触,电荷间的相互作用是通过某种物质发生的,这种物质就是电场。
电场看不见、摸不着,是一种较抽象的物质,但它是客观存在的,我们可以感觉到它对放入其中的电荷产生力的作用,以及它对物体做功导致能量的变化。
(2)只要有电荷存在,在电荷的周围就存在电场,电荷及其电场不可分割,同时存在同时消失。
电场是一种物质,它具有物质的共同属性,具有质量、能量。
电荷间的相互作用是通过电场这种物质发生的。
二、引入描述电场的力的性质的物理量——电场强度正确理解电场强度的概念:(1)电场的基本性质:对放入其中的检验电荷(电量很小的点电荷)有力的作用,这种力叫电场力。
(2)检验电荷在电场中某点受到的电场力跟它的电量的比值,由电场本身决定,还由电场中某点的位置决定,跟放入电场中该点的检验电荷无关。
同样,在电场里,某点电荷受到的力与它自身的电量的比值为一定值,如在点电荷电场里(Q为场源电荷的电量,r为到场源电荷的距离),因此,我们也可以定义一个物理量描述电场的强弱:电场强度(3)电场强度的定义。
放入电场中某点受到的电场力跟它的电量的比值,叫做这一点的电场强度,简称场强,用E表示,若F表示检验电荷q受到的电场力,那么。
①上式为场强的定义式,适用于一切电场。
②只要电场确定,电场中某点的场强E是确定的,与检验电荷q无关。
不能说,场强E跟电场力F 成正比,跟检验电荷的电量q成反比。
③电场强度是矢量,规定场强的方向是正电荷受力的方向。
这样,负电荷受力的方向跟场强的方向相反。
④场强的单位是牛/库,国际符号N/C。
⑤点电荷Q在真空中形成的电场中,在距离Q为r的P点的场强E的大小为。
⑥如果有几个点电荷同时存在,它们的电场就互相叠加,形成合电场,这时某点的场强,就等于各个点电荷在该点产生的场强的矢量和。
高中物理一轮复习知识点汇总第八章静电场第八章静电场是高中物理课程中的一个重要章节,包含了静电场的基本概念、公式以及相关应用。
下面是高中物理一轮复习中的静电场的主要知识点汇总:1.静电场的基本概念-静电场是指存在电荷时产生的电场状态,其影响范围无限远。
-电场是一种物理量,描述电荷对于其他电荷的作用力。
-电场强度E表示单位正电荷在电场中所受的力的大小和方向。
2.静电场的性质-电场具有叠加原理,即多个电荷产生的电场可以叠加。
-电场强度矢量方向与正电荷所受力方向相同,与负电荷所受力方向相反。
-电场强度E与距离r的关系为E∝1/r^23.电场强度的计算-均匀带电直线:E=λ/(2πε₀r),其中λ为直线上的电荷线密度,ε₀为真空介电常数。
-均匀带电圆环:E=Q/(2πε₀R^2),其中Q为总电荷量,R为圆环半径。
-均匀带电平面:E=σ/(2ε₀),其中σ为平面上的面电荷密度。
4.静电场的电势-电场电势能表示电荷在电场中具有的能量。
-静电场中,电势能转化为电势能,电场电势表示单位正电荷在电场中所具有的电势能。
-电场电势V与电场强度E的关系为V=-Ed,其中d为电荷的位移,负号表示电势降低。
5.电势的计算- 均匀带电直线产生的电势:V = λ/(2πε₀) * ln(r₂/r₁),其中r₁和r₂为直线上两点到电荷的距离。
-均匀带电圆环产生的电势:V=Q/(4πε₀R),其中R为圆环半径。
-均匀带电球壳产生的电势:V=Q/(4πε₀R),其中R为球壳半径。
6.电势能与电势的关系-电荷在电场中的电势能与电荷在电场中的电势有直接关系,即U=qV,其中U为电势能,q为电荷量,V为电势。
7.静电场中的电荷运动-在静电场中,电荷会受到电场力的作用而产生运动。
-A点电势高于B点时,电荷会从A点运动到B点;反之,电荷会从B点运动到A点。
-电势差ΔV表示A点与B点之间的电势差,ΔV=V(A)-V(B)。
8.可充电体与电位-可充电体是指具有一定电荷的导体物体。
第八章电场本章学习要求1.自然界存在正、种电荷。
物体带电的多少叫做电荷量,电荷量的单位是库仑。
物体带电的最小电荷量叫做元电荷。
2.电荷间有相互作用,决定电荷间相互作用的因素是电荷量和电荷间的距离。
点电荷是理想模型。
电场是一种物质,电荷间的相互作用是通过电场发生的。
3.电场强度、电场线是用来描述电场的强弱和方向的。
电场线只是形象、粗略地描述电场,电场强度则可以精确地描述。
电场强度的大小和方向就是单位正电荷在电场中某点所受的电场力的大小和方向。
4.静电可以利用,也需要防范。
静电的利用有静电除尘、静电喷涂、静电复印等,防范的方法有保持空气潮湿、装避雷针、良好接地等。
本章将探讨静电学的基本概念,这实际上是电学乃至整个电磁学的基础。
我们将深入研究另一种物质形态——场,并学习如何通过分析带电体之间的相互作用来理解这种现象。
此外,本章还将通过回顾电子发现的历史,来感受科学家的敬业精神。
A 静电现象电荷一、学习要求了解摩擦起电现象及其成因,掌握产生静电的常用设备,理解电荷量与元电荷的概念,认识获取和测量静电的方法。
通过生活中的静电现象体验静电学与生活的密切联系,通过对静电现象的观察与分析,激发对科学的兴趣。
二、要点辨析1.电荷和电荷量自然界中只有两种电荷,分别叫做正电荷和负电荷。
电荷之间有相互作用,同种电荷相斥,异种电荷相吸。
由于历史的原因,我们规定擦橡胶棒,橡胶棒带负电;丝绸摩擦玻璃棒,玻璃棒带正电。
物体所带电荷的多少叫做电荷量,实际上这里所指的带电体的带电量是物体所带的净电荷的量,就是说一个物体里的正电荷和负电荷中和以后的多余的电荷量。
电荷量的单位是C,读作库仑,简称库。
2.摩擦起电摩擦起电的过程实际上是电荷转移的过程,而非产生电荷。
在某些情况下,一个物体相对于另一个物体更容易失去电子。
因此,当这两种物体相互摩擦时,失去电子的物体会将电子传递给另一个物体,导致一个物体出现多余的电荷。
这种现象使得物体表现出带正电或负电的特征。
高二物理第八章知识点总结:电场高二物理第八章知识点总结:电场第八章电场一、三种产生电荷的方式:1、摩擦起电:(1)正点荷:用绸子摩擦过的玻璃棒所带电荷;(2)负电荷:用毛皮摩擦过的橡胶棒所带电荷;(3)实质:电子从一物体转移到另一物体;2、接触起电:(1)实质:电荷从一物体移到另一物体;(2)两个完全相同的物体相互接触后电荷平分;(3)、电荷的中和:等量的异种电荷相互接触,电荷相合抵消而对外不显电性,这种现象叫电荷的中和;3、感应起电:把电荷移近不带电的导体,可以使导体带电;(1)电荷的基本性质:同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引;(2)实质:使导体的电荷从一部分移到另一部分;(3)感应起电时,导体离电荷近的一端带异种电荷,远端带同种电荷;4、电荷的基本性质:能吸引轻小物体;二、电荷守恒定律:电荷既不能被创生,亦不能被消失,它只能从一个物体转移到另一物体,或者从物体的一部分转移到另一部分;在转移过程中,电荷的总量不变。
三、元电荷:一个电子所带的电荷叫元电荷,用e 表示。
1、e=1.6×10-19c;2、一个质子所带电荷亦等于元电荷;3、任何带电物体所带电荷都是元电荷的整数倍;四、库仑定律:真空中两个静止点电荷间的相互作用力,跟它们所带电荷量的乘积成正比,跟它们之间距离的二次方成反比,作用力的方向在它们的连线上。
电荷间的这种力叫库仑力。
1、计算公式:F=kQ1Q2/r2(k=9.0×109N.m2/kg2)2、库仑定律只适用于点电荷(电荷的体积可以忽略不计)3、库仑力不是万有引力;五、电场:电场是使点电荷之间产生静电力的一种物质。
1、只要有电荷存在,在电荷周围就一定存在电场;2、电场的基本性质:电场对放入其中的电荷(静止、运动)有力的作用;这种力叫电场力;3、电场、磁场、重力场都是一种物质六、电场强度:放入电场中某点的电荷所受电场力F跟它的电荷量Q的比值叫该点的电场强度;1、定义式:E=F/q;E是电场强度;F是电场力;q是试探电荷;2、电场强度是矢量,电场中某一点的场强方向就是放在该点的正电荷所受电场力的方向(与负电荷所受电场力的方向相反)3、该公式适用于一切电场;4、点电荷的电场强度公式:E=kQ/r2七、电场的叠加:在空间若有几个点电荷同时存在,则空间某点的电场强度,为这几个点电荷在该点的电场强度的矢量和;解题方法:分别作出表示这几个点电荷在该点场强的有向线段,用平行四边形定则求出合场强;八、电场线:电场线是人们为了形象的描述电场特性而人为假设的线。
2023-2024学年上海版高中物理单元测试学校:__________ 班级:__________ 姓名:__________ 考号:__________注意事项:1.答题前填写好自己的姓名、班级、考号等信息;2.请将答案正确填写在答题卡上;一、选择题(本大题共计9小题,每题3分,共计27分)1.关于电荷的说法正确的是()A. 电荷量很小的电荷就是元电荷B. 点电荷是一种理想化模型,实际不存在C. 质子和正电子都是元电荷D. 物体所带的电荷量可以是任意值【答案】B【解析】解: A.元电荷是最小的电量单位,电荷量很小的电荷不是元电荷,选项 A错误;B.点电荷是一种理想化模型,实际不存在,选项 B正确;C.质子和正电子都带元电荷的电量,但不是元电荷,选项 C错误;D.物体所带的电荷量必须是元电荷的整数倍,不可以是任意值,选项 D错误;故选 B.2.静电除尘原理是设法使空气中的尘埃带电,在静电力作用下,尘埃到达电极而被收集起来。
如图所示,静电除尘器由板状收集器A和线状电离器B组成,A、B间接有高压电源,它们之间形成很强的电场,能使空气中的气体分子电离,进而使通过除尘器的尘埃带电,最后被吸附到正极A上。
下列选项正确的是()A. 收集器A吸附大量尘埃的原因是尘埃带上了正电B. 收集器A吸附大量尘埃的原因是尘埃带上了负电C. 收集器A和电离器B之间形成的是匀强电场D. 静电除尘过程是机械能向电场能转化的过程【答案】B【解析】AB、电极A,之间产生了很强的电场,电子被粉尘吸附,被正极A吸引,B正确;C 、越靠近线状电离器B,所以收集器A和电离器B之间形成的不是匀强电场;D、带负电的粉尘在电场力的作用下加速,电势能减小,所以应该是静电除尘过程是电势能向机械能转化的过程。
3.如图所示,为一带负电的油滴在匀强电场中运动的轨迹,其轨迹在竖直平面(纸面)内,且相对于过轨迹最低点P的竖直线对称,忽略空气阻力.由此可判断()A. 电场的方向竖直向上B. Q点的电势比P点低C. 油滴在Q点的电势能比它在P点的大D. 油滴在Q、P两点的加速度大小相等【答案】D【解析】4.在一点电荷电场中a、b两点电场强度的方向如图所示,现将一带负电的粒子以某一初速度由a射出,仅在电场力作用下运动到b,忽略空气阻力及重力,则下列说法正确的是()A. 该点电荷可能带负电B. a、b两点的电场强度E_ alt 3E_ bC. 该粒子在a、b两点的动能E_\ kalt E_\ kbD. 该粒子在a、b两点的电势能E_\ palt E_\ pb【答案】D【解析】解:由点电荷的电场分布特点,可知该点电荷一定带正电,故 A错误;将a、b两点的电场方向反向延长,交于O点,则O点即为点电荷所在位置,则有a 点到O点的距离R_a=L_a\cos60^\circ =\dfrac12L_ab,b点到O点距离R_b=L_b\cos30^\circ =\dfrac\sqrt32L_ab,根据点电荷的场强公式E=\dfrackQr^2,可得\dfracE_aE_b=\dfracr^2_br^2_a=(\dfrac\sqrt32)^2:(\dfrac12)^2=\dfrac31,故E_a=3E_b,故 B错误;在正电荷的周围越靠近场源电势越高,故有\varphi _a\gt \varphi _b,a点的电势高,负电荷在电势高处的电势能小,即E_ pa\lt E_ pb,带负电粒子在a、b两点的动能E_ka\lt E_ kb,故 C错误、 D正确.故选 D.5.如图所示,两个固定的等量异种点电荷,O是它们连线的中点,在它们连线的某条垂线上有A、B、C三点,AB与BC间的距离相等,其中C点是交点,则()A. \A 、B、C三点的场强方向相同B. \A 、B、C三点与无穷远处电势相等C. \A 点的电势比B点的电势高D. 把带正电的粒子从A点移到B点电场力做的功大于从B点移到C点电场力做的功【答案】C【解析】6.关于电场强度、电势和电势能,下列说法中正确的是()A. 在电场中,电势高的地方,电荷在该点具有的电势能就大B. 在电场中,电势高的地方,放在该点的电荷的电荷量越大,它所具有的电势能也越大C. 在电场中电势高的点,电场强度一定大D. 负电荷所产生的电场中的任何一点上,正电荷所具有的电势能一定小于负电荷所具有的电势能【答案】D【解析】解: A.根据电势能公式E_ p= q\varphi 知:正电荷在电势越高的地方,其电势能越大,负电荷在电势越高的地方,其电势能越小,故 A错误.B.根据电势能公式E_ p= q\varphi 知:在电场中,电势高的地方,放在该点的正电荷的电荷量越大,电势能越大,放在该点的负电荷的电荷量越大,电势能越小,故 B错误.C .电场线密的地方,电场强度大,电场线疏的地方电场强度小,可知电势高的地方电场强度不一定大,故 C错误.D.取无穷远电势为零,则在负的点电荷所产生的电场中的任何一点的电势均为负值,由E_ p= q\varphi 知正电荷所具有的电势能为负值,负电荷所具有的电势能为正值,所以正电荷在某点所具有的电势能一定小于负电荷在该点所具有的电势能,故 D正确.故选: D.7.雨季乌云滚滚,常有雷电发生,这是因为()A. 乌云滚滚,摩擦生热B. 带有相同电荷的云团相遇相互作用C. 乌云将积蓄的大量太阳能一下子释放出来D. 带有异种电荷的云团之间或云团与地面之间产生放电现象【答案】D【解析】解:两块云团相互摩擦的结果会使云团带上异种电荷,带有异种电荷的云团相遇发生相互作用,产生雷电;或者带电的云团与地面之间形成高电势差时,产生放电现象,故ABC错误,D正确.故选D.8.如图所示,平面直角三角形ABC中\angle A=30^\circ,D、E分别是AB和BC的中点,平面内有一点电荷,若A、B、C、E四点的电势满足\varphi_A=\varphi_B=\varphi _C\lt\varphi_E,以下说法中正确的是()A. 该点电荷一定带负电B. D点电势比E点电势低C. 一带负电的电荷从B点沿BA移到A点,电势能逐渐减小D. D点的电场强度比E点的电场强度大【答案】D【解析】解:A.由于A、B、C三点在点电荷电场中电势相等,则这三点到点电荷的距离相等,故点电荷在AC的中点,几何关系如图,由E点电势比A点电势高,可知点电荷带正电, A错误;BD.由于D点比E点离点电荷近,因此D点电势比E点电势高,场强比E点大, B错误, D正确;C.带负电的电荷从B沿BA移到A,电场力先做正功后做负功,电势能先减小后增大,C错误.故选 D.9.下列做法属于利用静电的是()A. 在高大的烟囱中安装静电除尘器B. 在印染车间保持适当的湿度C. 运油料的油罐车后有一条拖地的铁链D. 高大建筑物上装有避雷针【答案】A【解析】解:A、水泥厂利用静电除去废气中的粉尘,这是对于静电的应用,故A正确;B、印染厂车间保持湿度,目的是防止在生产过程中产生静电对布有吸引作用或由于静电而引起火灾,是静电的防止.故B错误;C 、油罐车在运输过程中产生静电,若不及时导走,会对车或接触的人带来危害,通过连接地线导走是静电的防止,故C错误;D、高大建筑物上装有避雷针是为了防止静电对建筑物带来危害,属于静电的防止;故D错误;故选:A.二、多选题(本大题共计2小题,每题3分,共计6分)10.下列叙述正确的是()A. 任何起电方式都是电荷转移的过程B. 摩擦起电是转移电荷的过程C. 玻璃棒无论和什么物体摩擦都会带正电D. 带等量异号电荷的两个导体接触后,两个导体将不带电,原因是电荷中和了【答案】A, B, D【解析】A 、根据电荷守恒定律可知,任何起电方式都是电荷转移的过程,故A正确;B、摩擦起电过程是得到和失去电子的过程,因此其实质是电子的转移。
第八章电场一、主要内容本章内容包括电荷、电场、电场力、电场强度、电场线、电势、电势差、电场力功、电容器、电容的定义和平行板电容器电容的决定条件等基本概念,以及库仑定律、静电感应、电场强度与电势差的关系、带电粒子在电场中的运动规律等。
二、基本方法本章涉及到的基本方法有,运用电场线、等势面几何方法形象化地描述电场的分布;将运动学动力学的规律应用到电场中,分析解决带电粒子在电场中的运动问题、解决导体静电平衡的问题。
本章对能力的具体要求是概念准确,不乱套公式懂得规律的成立条件适用的范围。
从规律出发进行逻辑推理,把相关知识融会贯通灵活处理物理问题。
三、错解分析在本章知识应用的过程中,初学者常犯的错误主要表现在:不善于运用电场线、等势面为工具,将抽象的电场形象化后再对电场的场强、电势进行具体分析;对静电平衡内容理解有偏差;在运用力学规律解决电场问题时操作不规范等。
例1如图8-1所示,实线是一个电场中的电场线,虚线是一个负检验电荷在这个电场中的轨迹,若电荷是从a处运动到b处,以下判断正确的是: [ ]A.电荷从a到b加速度减小B.b处电势能大C.b处电势高D.电荷在b处速度小【错解】由图8-1可知,由a→b,速度变小,所以,加速度变小,选A。
因为检验电荷带负电,所以电荷运动方向为电势升高方向,所以b处电势高于a点,选C。
【错解原因】选A的同学属于加速度与速度的关系不清;选C的同学属于功能关系不清。
【分析解答】由图8-1可知b处的电场线比a处的电场线密,说明b处的场强大于a处的场强。
根据牛顿第二定律,检验电荷在b处的加速度大于在a处的加速度,A选项错。
由图8-1可知,电荷做曲线运动,必受到不等于零的合外力,即Fe≠0,且Fe的方向应指向运动轨迹的凹向。
因为检验电荷带负电,所以电场线指向是从疏到密。
再利用“电场线方向为电势降低最快的方向”判断a,b处电势高低关系是U a>U b,C选项不正确。
根据检验电荷的位移与所受电场力的夹角大于90°,可知电场力对检验电荷做负功。
功是能量变化的量度,可判断由a→b电势能增加,B选项正确;又因电场力做功与路径无关,系统的能量守恒,电势能增加则动能减小,即速度减小,D选项正确。
【评析】理解能力应包括对基本概念的透彻理解、对基本规律准确把握。
本题就体现高考在这方面的意图。
这道小题检查了电场线的概念、牛顿第二定律、做曲线运动物体速度与加速度的关系、电场线与等势面的关系、电场力功(重力功)与电势能(重力势能)变化的关系。
能量守恒定律等基本概念和规律。
要求考生理解概念规律的确切含义、适用条件,鉴别似是而非的说法。
例2将一电量为q=2×106C的点电荷从电场外一点移至电场中某点,电场力做功4×10-5J,求A点的电势。
【错解】【错解原因】错误混淆了电势与电势差两个概念间的区别。
在电场力的功的计算式W=qU 中,U系指电场中两点间的电势差而不是某点电势。
【分析解答】解法一:设场外一点P电势为U P所以U P=0,从P→A,电场力的功W=qU PA,所以W=q(U P-U A),即4×10-5=2×10-6(0-U A) U A=-20V解法二:设A与场外一点的电势差为U,由W=qU,因为电场力对正电荷做正功,必由高电势移向低电势,所以U A= -20V【评析】公式W=qU有两种用法:(1)当电荷由A→B时,写为W=qU AB=q(U A-U B),强调带符号用,此时W的正、负直接与电场力做正功、负功对应,如“解法一”;(2)W,q,U三者都取绝对值运算,如“解法二”,但所得W或U得正负号需另做判断。
建议初学者采用这种方法。
例3点电荷A和B,分别带正电和负电,电量分别为4Q和Q,在AB连线上,如图8-2,电场强度为零的地方在[ ]A.A和B之间 B.A右侧C.B左侧 D.A的右侧及B的左侧【错解】错解一:认为A,B间一点离A,B距离分别是2r和r,则A,B错解二:认为在A的右侧和B的左侧,由电荷产生的电场方向总相反,因而都有可能抵消,选D。
【错解原因】错解一忽略了A,B间E A和E B方向都向左,不可能抵消。
错解二认为在A的右侧和B的左侧,由两电荷产生的电场方向总相反,因而都有可能抵消,却没注意到A的右侧E A总大于E B,根本无法抵消。
【分析解答】因为A带正电,B带负电,所以只有A右侧和B左侧电场强度方向相反,因为Q A>Q B,所以只有B左侧,才有可能E A与E B等量反向,因而才可能有E A和E B 矢量和为零的情况。
【评析】解这类题需要的基本知识有三点:(1)点电荷场强计算公式点电荷而来;(3)某点合场强为各场源在该点场强的矢量和。
例4如图8-3所示,Q A=3×10-8C,Q B=-3×10-8C,A,B两球相距5cm,在水平方向外电场作用下,A,B保持静止,悬线竖直,求A,B连线中点场强。
(两带电小球可看作质点)【错解】以A为研究对象,B对A的库仑力和外电场对A的电场力相等,所AB中点总场强E总=E+E A+E B=E外=1.8×105(N/C),方向向左。
【错解原因】在中学阶段一般不将Q B的电性符号代入公式中计算。
在求合场强时,应该对每一个场做方向分析,然后用矢量叠加来判定合场强方向,【分析解答】以A为研究对象,B对A的库仑力和外电场对A的电场力平衡,E外方向与A受到的B的库仑力方向相反,方向向左。
在AB的连线中点处E A,E B的方向均向右,设向右为正方向。
则有E总=E A+E B-E外。
【评析】本题检查考生的空间想象能力。
对于大多数同学来说,最可靠的办法是:按照题意作出A,B的受力图。
从A,B的电性判断点电荷A,B的场强方向,从A 或B的受力判断外加匀强电场的方向。
在求合场强的方向时,在A,B的连线中点处画出每一个场强的方向,最后再计算。
这样做恰恰是在按照物理规律解决问题。
例5在电场中有一条电场线,其上两点a和b,如图8-4所示,比较a,b两点电势高低和电场强度的大小。
如规定无穷远处电势为零,则a,b处电势是大于零还是小于零,为什么?【错解】顺电场线方向电势降低,∴U a>U b,因为无穷远处电势为零,顺电场线方向电势降低,∴U a>U b>0。
【错解原因】由于把所给电场看成由正点电荷形成的电场,认为从正电荷出发,顺电场线电势逐渐减小到零,从而得出U a,U b均大于零。
【分析解答】顺电场线方向电势降低,∴U a>U b,由于只有一条电力线,无法看出电场线疏密,也就无法判定场强大小。
同样无法判定当无穷远处电势为零时,a,b的电势是大于零还是小于零。
若是由正电荷形成的场,则E a>E b,U a>U b>0,若是由负电荷形成的场,则E a<E b,0>U a>U b。
【评析】只有一条电场线,可以判定各点电势高低,但无法判定场强大小及电势是否大于零。
例6如图8-5所示,把一个不带电的枕型导体靠近带正电的小球,由于静电感应,在a,b端分别出现负、正电荷,则以下说法正确的是:A.闭合K1,有电子从枕型导体流向地B.闭合K2,有电子从枕型导体流向地C.闭合K1,有电子从地流向枕型导体D.闭合K2,没有电子通过K2【错解】枕型导体电荷总是守恒的,没有电子流过K2。
选D。
【错解原因】由于对没有正确理解电荷守恒的相对性,所以在本题中认为枕型导体的电荷总是守恒的,便错选答案D。
【分析解答】在K1,K2都闭合前,对于枕型导体它的电荷是守恒的,a,b出现的负、正电荷等量。
当闭合K1,K2中的任何一个以后,便把导体与大地连通,使大地也参与了电荷转移。
因此,导体本身的电荷不再守恒,而是导体与大地构成的系统中电荷守恒。
由于静电感应,a端仍为负电荷,大地远处感应出等量正电荷,因此无论闭K1还是K2,都是有电子从地流向导体,应选答案C。
【评析】在解决此类静电平衡问题时,对电荷守恒的理解应为:电荷守恒定律有相对性,一个物理过程中,某个物体或某些物体的电荷并不守恒,有增或有减,而这一过程中必有另一些物体的电荷有减或有增,其中的增量和减量必定相等,满足全范围内的守恒。
即电荷是否守恒要看是相对于哪一个研究对象而言。
电荷守恒是永恒的,是不需要条件的。
电荷守恒定律也是自然界最基本的规律之一。
在应用这个定律时,只要能够全面地考察参与电荷转移的物体,就有了正确地解决问题的基础。
例7如图8-6所示,两个质量均为m的完全相同的金属球壳a与b,其壳层的厚度和质量分布均匀,将它们固定于绝缘支座上,两球心间的距离为l,为球半径的3倍。
若使它们带上等量异种电荷,使其电量的绝对值均为Q,那么,a、b两球之间的万有引力F引库仑力F库分别为:【错解】(1)因为a,b两带电球壳质量分布均匀,可将它们看作质量集中在球心的质点,也可看作点电荷,因此,万有引力定律和库仑定律对它们都适用,故其正确答案应选A。
(2)依题意,a,b两球中心间的距离只有球半径的3倍,它们不能看作质点,也不能看作点电荷,因此,既不能用万有引力定律计算它们之间的万有引力,也不能用库仑定律计算它们之间的静电力,故其正确答案应选B。
【错解原因】由于一些同学对万有引力定律和库仑定律的适用条件理解不深刻,产生了上述两种典型错解,因库仑定律只适用于可看作点电荷的带电体,而本题中由于a,b两球所带异种电荷的相互吸引,使它们各自的电荷分布不均匀,即相互靠近的一侧电荷分布比较密集,又因两球心间的距离l只有其半径r的3倍,不满足l >>r的要求,故不能将两带电球壳看成点电荷,所以不能应用库仑定律。
万有引力定律适用于两个可看成质点的物体,虽然两球心间的距离l只有其半径r的3倍,但由于其壳层的厚度和质量分布均匀,两球壳可看作质量集中于球心的质点。
因此,可以应用万有引力定律。
综上所述,对于a,b两带电球壳的整体来说,满足万有引力的适用条件,不满足库仑定律的适用条件,故只有选项D正确。
【评析】用数学公式表述的物理规律,有它的成立条件和适用范围。
也可以说物理公式是对应着一定的物理模型的。
应用物理公式前,一定要看一看能不能在此条件下使用该公式。
例8如图8-7中接地的金属球A的半径为R,A点电荷的电量Q,到球心距离为r,该点电荷的电场在球心O处的场强等于: [ ]【错解】根据静电平衡时的导体内部场强处处为零的特点,Q在O处场强为零,选C。
【错解原因】有些学生将“处于静电平衡状态的导体,内部场强处处为零”误认为是指Q 电荷电场在球体内部处处为零。
实际上,静电平衡时O处场强相等,方向相反,合场强为零。
【分析解答】静电感应的过程,是导体A(含大地)中自由电荷在电荷Q所形成的外电场下重新分布的过程,当处于静电平衡状态时,在导体内部电荷Q所形成的外电场E与感应电荷产生的“附加电场E'”同时存在的,且在导体内部任何一点,外电场电场场强E与附加电场的场强E'大小相等,方向相反,这两个电场叠加的结果使内部的合场强处处为零。