第一章 习题课二
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习题课二电场的能的性质电场线、等势面和运动轨迹的综合[精典示例][例1] 如图1所示,虚线a、b、c代表电场中的三条电场线,实线为一带负电的粒子仅在电场力作用下通过该区域时的运动轨迹,P、R、Q是这条轨迹上的三点,由此可知()图1A.带电粒子在R点时的速度大小大于在Q点时的速度大小B.带电粒子在P点时的电势能比在Q点时的电势能大C.带电粒子在R点时的动能与电势能之和比在Q点时的小,比在P点时的大D.带电粒子在R点时的加速度大小小于在Q点时的加速度大小解析根据物体做曲线运动的轨迹与速度、合外力的关系可知,带电粒子在R处所受电场力的方向为沿电场线向右。
假设粒子从Q向P运动,则电场力做正功,所以电势能减小,动能增大,速度增大;假设粒子从P向Q运动,则电场力做负功,所以电势能增大,动能减小,速度减小,所以A项正确,B项错误;由于带电粒子在运动过程中只受电场力作用,只有动能与电势能之间相互转化,则带电粒子的动能与电势能之和不变,故C项错误;根据牛顿第二定律可得qE=ma,又根据电场线的疏密程度可以得出Q、R两点处的电场强度的大小关系为E R>E Q,则带电粒子在R、Q两点处的加速度的大小关系为a R>a Q,故D项错误。
答案 A(1)已知等势面的形状分布,根据电场线和等势面相互垂直可以绘制电场线。
(2)由电场线和等差等势面的疏密,可以比较不同点的场强大小,电场线或等势面密集处,场强较大。
(3)根据电荷的运动轨迹可以判断电荷受力方向和做功的正负,从而判断电势能的变化情况,注意电场力与电场线相切,且指向运动轨迹的凹侧。
[针对训练1] 如图2,P是固定的点电荷,虚线是以P为圆心的两个圆。
带电粒子Q在P的电场中运动,运动轨迹与两圆在同一平面内,a、b、c为轨迹上的三个点。
若Q仅受P的电场力作用,其在a、b、c点的加速度大小分别为a a、a b、a c,速度大小分别为v a、v b、v c,则()图2A.a a>a b>a c,v a>v c>v bB.a a>a b>a c,v b>v c>v aC.a b>a c>a a,v b>v c>v aD.a b>a c>a a,v a>v c>v b解析由库仑定律F=kq1q2r2可知,粒子在a、b、c三点受到的电场力的大小关系为F b>F c>F a,由a=Fm,可知a b>a c>a a。
根据粒子的轨迹可知,粒子Q与场源电荷P的电性相同,二者之间存在斥力,由c→b→a运动过程中,电场力先做负功后做正功,且W ba>|W cb|,结合动能定理可知,v a>v c>v b,故选项D正确。
答案 D电场中φ-x图像的应用[精典示例][例2] (多选)(2019·黑龙江大庆实验中学期中)某静电场中的一条电场线与x轴重合,其电势的变化规律如图3所示。
在O点由静止释放一个负点电荷,该负点电荷仅受电场力的作用,则在-x0~x0区间内()图3A.该静电场是匀强电场B.该静电场是非匀强电场C.负点电荷将沿x轴正方向运动,加速度不变D.负点电荷将沿x轴负方向运动,加速度逐渐减小解析由题中图像知,电势φ沿x轴正向均匀升高,沿x轴负向均匀降低,故电知,E 场线方向向左,沿x轴负向,且为匀强电场,A正确,B错误;由a=Eqm不变,a一定不变,D错误;负点电荷受力方向与场强方向相反,即沿x轴正向,故C正确。
答案AC解答图像类问题的关键解答图像类问题时,往往要从图线斜率的物理意义上突破,在φ-x图像中,图线斜率表示电场强度E,同时图线是增函数还是减函数也是解答问题的关键。
[针对训练2] (多选)在x轴上有两个点电荷q1、q2,其静电场的电势φ在x轴上分布如图4所示。
下列说法正确的有()图4A.q1和q2带有异种电荷B.x1处的电场强度为零C.负电荷从x1移到x2,电势能减小D.负电荷从x1移到x2,受到的电场力增大解析由x1处电势为零可知,两点电荷q1和q2带有异种电荷,A正确;在φ-x 图像中,图像切线的斜率表示电场强度,则x1处的电场强度不为零,B错误;且有x1到x2电场强度逐渐减小,负电荷受到的电场力逐渐减小,D错误;由E p=qφ可知,负电荷在电势高处的电势能低,负电荷从x1移到x2,电势能减小,C正确。
答案AC电场力做功与电势差、电势能的综合[精典示例][例3] 如图5所示,在竖直平面内,光滑绝缘直杆AC与半径为R的圆周交于B、C两点,在圆心处有一固定的正点电荷,B点为AC的中点,C点位于圆周的最低点。
现有一质量为m、电荷量为-q、套在杆上的带负电小球(可视为质点)从A点由静止开始沿杆下滑。
已知重力加速度为g,A点距过C点的水平面的竖直高度为3R,小球滑到B点时的速度大小为2gR。
求:图5(1)小球滑到C点时的速度大小;(2)若以C点作为参考点(零电势点),试确定A点的电势。
解析(1)因为B、C两点电势相等,故小球从B到C运动的过程中电场力做的总功为零。
由几何关系可得BC的竖直高度h BC=32R根据动能定理有mg·32R=12mv2C-12mv2B解得v C=7gR。
(2)小球从A到C,重力做正功,电场力先做正功后做负功,由动能定理有mg·3R+W电=12mv 2C,又根据电场力做功与电势能的关系:W电=E p A-E p C=-qφA-(-qφC)。
又因为φC=0,可得φA=-mgR 2q。
答案(1)7gR(2)-mgR 2q静电力做功的四种求法[、b 间的距离与b、c间的距离相等。
在O点处有固定点电荷。
已知b点电势高于c 点电势。
若一带负电荷的粒子仅在电场力作用下先从c点运动到b点,再从b点运动到a点,则()图6A.两过程中电场力做的功相等B.前一过程中电场力做的功大于后一过程中电场力做的功C.前一过程中,粒子电势能不断减小D.后一过程中,粒子动能不断减小解析b点电势高于c点电势,表明O点处的点电荷带正电,场强方向沿abc方向。
带负电的粒子从c向a运动,电场力做正功,由于ab=bc,且越靠近点电荷,场强E越大,所以由U=Ed可知U ab>U bc,再根据电场力做功W=qU可知W cb<W ba,A、B错误;电场力做正功,粒子电势能减小,动能增大,C正确,D错误。
答案 C1.(电场线、等势线和运动轨迹)(多选)如图7所示,图中的实线表示电场线,虚线表示只受电场力作用的带正电粒子的运动轨迹,粒子先经过M点,再经过N点,可以判定()图7A.M点的电势高于N点的电势B.M点的电势低于N点的电势C.粒子在M点受到的电场力大于在N点受到的电场力D.粒子在M点的电势能大于在N点的电势能解析沿着电场线的方向电势降低,故选项A正确,B错误;电场线越密,场强越大,同一粒子受到的电场力越大,故选项C错误;粒子从M点到N点电场力做正功,所以电势能减小,选项D正确。
答案AD2.(φ-x图像的理解)(多选)某静电场沿x方向的电势分布如图8所示,则下列说法正确的是()图8A.在O~x1之间不存在沿x正方向的电场B.在O~x1之间存在着沿x正方向的匀强电场C.在x1~x2之间存在着沿x正方向的匀强电场D.在x1~x2之间存在着沿x正方向的非匀强电场解析由E=U ABd和U AB=φA-φB可知E=φA-φBd,所以φ-x图像中图线的斜率或切线斜率表示该位置的电场强度E,故选项A、C正确。
答案AC3.(电场力做功与电势差、电势能的综合)如图9所示,匀强电场的场强E=30 000 V/m,A、B两点相距0.2 m,两点连线与电场方向的夹角是60°,下列说法正确的是()图9A.A、B两点间的电势差是U=1 500 VB.若取A点的电势φA=0,则B点的电势φB=-3 000 VC.电荷量q=+2×10-4 C的电荷从A点运动到B点电势能增加0.6 JD.电荷量q=-2×10-4 C的电荷从A点运动到B点电场力做功为0.6 J解析U AB=Ed AB cos 60°=3 000 V,A错误;由U AB=φA-φB得φB=φA-U AB=-3 000 V,B正确;电荷量q=2×10-4 C的电荷由A点运动到B点电场力做功W =qEd AB cos α=0.6 J,故电势能减少0.6 J,C错误;q=-2×10-4C的电荷从A 点运动到B点,电场力做负功,D错误。
答案 B4.(能量守恒的应用)(2019·上海崇明区高二期末)在竖直向下的匀强电场中,一带电油滴在电场力和重力的作用下,沿虚线所示的运动轨迹从a运动到b。
若此带电油滴在运动过程中动能和重力势能之和为E1,重力势能和电势能之和为E2,则E1、E2的变化情况是()图10A.E1增加,E2增加B.E1增加,E2减小C.E1不变,E2减小D.E1不变,E2不变解析根据轨迹可知,粒子带负电,受到向上的电场力大于重力,合力做正功,动能增加,所以电势能和重力势能之和E2减少,电场力做正功,电势能减少,所以重力势能和动能之和E1增加,B正确。
答案 B基础过关1.(多选)某静电场中的电场线如图1所示,带电粒子在电场中仅受静电力作用,其运动轨迹如图中虚线所示,由M运动到N,以下说法正确的是()图1A.粒子必定带正电B.由于M点没有电场线,粒子在M点不受静电力的作用C.粒子在M点的加速度小于它在N点的加速度D.粒子在M点的动能小于在N点的动能解析根据粒子运动轨迹弯曲的情况,可以确定粒子受静电力的方向沿电场线方向,故此粒子带正电,选项A正确;电场线是人为画出的,没有电场线的地方,不一定没有电场,电场线越密的地方,电场强度越大,粒子受到的静电力就越大,根据牛顿第二定律可知其加速度也越大,故此粒子在N点的加速度大,选项B错误,C正确;粒子从M点运动到N点,静电力做正功,根据动能定理得此粒子在N点的动能大,故选项D正确。
答案ACD2.(多选)若在某电场中将5.0×10-8C的电荷由A点移到B点,静电力做功6.0×10-3 J,则()A.A、B两点间的电势差是1.2×105 VB.A、B两点间的电势差是3.0×10-10 VC.若在A、B两点间移动2.5×10-8 C的电荷,则静电力做功3.0×10-3 JD.若在A、B两点间移动1.0×10-7 C的电荷,则静电力做功3.0×10-17 J解析由公式W=qU可得,电势差U=W1q1=6.0×10-35.0×10-8V=1.2×105 V,选项A正确,选项B错误;若移动2.5×10-8C的电荷,静电力做功W2=q2U=2.5×10-8×1.2×105 J=3.0×10-3 J,选项C正确;若移动1.0×10-7 C的电荷,静电力做功W3=q3U=1.0×10-7×1.2×105 J=1.2×10-2 J,选项D错误。