物理选修31静电场专题讲座.docx

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1、物理选修3-1静电场专题讲座谷城一中 高二物理组王明汉一、电场根底学问学习的总思路电场描绘电场性质的物理量电场强度：描绘电场力学性质的物理量描绘放入电场中的电荷的物理量电场力：电场对放入其中的电荷的作用力电势能：电场赐予电荷的能量+q电势（电势差）：描绘电场能的性质的物理量摸索电荷在场中某点受的电场力及电荷量的比值跟摸索电荷无关和重力及重力势能类比WAB=EPA-EpB摸索电荷在电场中某点的电势能及电荷量的比值跟摸索电荷无关=EP/q电场力做功及途径无关电场力电场力的功电场强度电势差电势电势能电场中两点电势之差叫电势差UAB=A-B等势面电场线电场力做功及电势差关系WAB=qUABE=F/qE

2、数值等于沿场强方向单位间隔 的电势差E=U/d二、电场力的性质1、点电荷：带点的质点，是一种志向化的物理模型。2、库仑定律：内容（略）；表达式：，其中静电力常量；适用条件：真空中的点电荷。3、电场：带电体四周客观存在的一种物质，它是电荷互相作用的媒体，具有力和能的性质。4、电场强度：物理意义：描绘电场强弱和方向的物理量；定义：放入电场中某点的点电荷所受电场力F跟它的电荷量q的比值；定义式：，单位N/C或V/m；方向：正电荷在该点的受力方向，是矢量。5、关于场强的三个公式： （定义式，适用于任何电场，场强E及检验电荷受力F、电量q无关）；（点电荷产生电场的确定式，E及Q成正比）；（电场强度及电势

3、差间的关系，适用于匀强电场，d是两点间间隔 在场强方向上的投影）。6、场强叠加原理：遵从矢量的平行四边形法则或三角形法则。7、电场力：F=qE 正电荷受力方向及场强方向一样，负电荷受力方向及场强方向相反。8、电场线：推断场强方向；描绘场强的大小；描绘电势的变更（沿着电场线方向电势渐渐降低）；电场线是为了形象的描绘电场而假想的、实际并不存；熟识正、负点电荷、匀强电场、等量异种电荷、等量同种电荷的电场线分布图（略）。【例题1】如图所示，两个完全一样的绝缘金属壳a、b的半径为R，质量为m，两球心之间的间隔 为l=3R。若使它们带上等量的异种电荷，电荷为q，那么两球之间的万有引力F引，库仑力F库分别为

4、：ABC D解析：万有引力定律适用于两个可看成质点的物体，而匀称的球体可将其质量集中在球心考虑；库仑定律适用于点电荷，两球壳带等量异种电荷但由于电荷间的互相作用力使其电荷集中在两球壳的内侧，它们之间间隔 小于l，故此时的库仑力大于电荷集中在球心时的库仑力答案：D解析：依据库仑定律，球3未及球1、球2接触前，球1、2间的库仑力为：Fk，三个金属小球一样，接触后电量均分，球3及球2接触后，球2和球3的带电量q2q3，球3再及球1接触后，球1的带电量q1，此时1、2间的作用力Fkk， 由题意知FF， 即n， 解得n6. 故D正确【例题2】三个一样的金属小球1、2、3分别置于绝缘支架上，各球之间的间隔

5、 远大于小球的直径球1的带电量为q，球2的带电量为nq，球3不带电且离球1和球2很远，此时球1、2之间作用力的大小为F.现使球3先及球2接触，再及球1接触，然后将球3移至远处，此时1、2之间作用力的大小仍为F，方向不变由此可知()An3 Bn4 Cn5 Dn6【例题3】如图所示，位于正方形四个顶点处分别固定有点电荷A、B、C、D，四个点电荷的带电量均为q，其中点电荷A、C带正电，点电荷B、D带负电，试确定过正方形中心O并及正方形垂直的直线上到O点间隔 为x的P点处的电场强度的大小和方向。 解析：四个点电荷各自由P点的电场强度EA、EB、EC、ED如图所示，依据对称性可知，EA、EC的合场强E1

6、沿OP向外，EB、ED的合场强E2沿OP指向O，由对称性可知，E1、E2大小相等，所以P点的场强为零。【例题4】一负电荷从电场中A点由静止释放，只受电场力作用，沿电场线运动到B点，它运动的vt图象如图所示，则两点A、B所在区域的电场线分布状况可能是下图中的()解析：该电荷为负电荷，所受电场力方向及电场线方向相反，所以，将电荷由静止释放不行能顺着电场线挪动，故A、D错误。由vt图象可知，电荷由A到B运动过程中，加速度渐渐增大，即电场力增大，即A处电场线比B处稀疏故B项错误、C项正确答案：C【例题5】如图所示，A为带正电的金属板，沿金属板的垂直平分线距板r处有一质量为m、电荷量为q的小球(小球受程

7、度向右的电场力偏转角而静止，小球用绝缘丝线悬挂于O点)，试求小球所在处的电场强度解析：分析小球受力如图所示由平衡条件可知mg、F电的合力及FT是一对平衡力。由图中几何关系有： F电mg tan所以小球所在处的电场强度E 又小球带正电，因此电场强度方向程度向右【例题6】如图所示，一根长L1.5 m的光滑绝缘细直杆MN，竖直固定在场强为E1.0105 N/C、及程度方向成30角的倾斜向上的匀强电场中杆的下端M固定一个带电小球A，电荷量Q4.5106C；另一带电小球B穿在杆上可自由滑动，电荷量q1.0106C，质量m1.0102kg.现将小球B从杆的上端N静止释放，小球B开场运动(静电力常量k9.0

8、109 Nm2/C2，取g10 m/s2)求：(1)小球B开场运动时的加速度为多大？(2)小球B的速度最大时，距M端的高度h1为多大？(3)小球B从N端运动到距M端的高度h20.61 m时，速度为v1.0 m/s，求此过程中小球B的电势能变更了多少？解析：（1）开场运动时小球B受重力、库仑力、杆的弹力和电场力，沿杆方向运动，由牛顿第二定律得：解得：代入数据解得：a3.2 m/s2（2）小球B速度最大时合力为零，即解得：代入数据解得：h10.9 m（3）小球B从开场运动到速度为v的过程中，设小球B的电势能变更了Ep，由能量守恒有：代入数据解得： 三、电场能的性质1、电势：定义：电荷在电场中某一点

9、的电势能及它的电荷量的比值，叫做这一点的电势；定义式：(由电场中这点的性质确定，及摸索电荷的q、EP无关)；相对性：电势具有相对性，及零势点的选取有关；沿着电场线方向电势降低，或电势降低最快的方向就是电场强度的方向。2、电势差：定义式：（UAB由电场中A、B两点的性质确定，及摸索电荷的q、WAB无关)；电势差及电势的关系式为：；匀强电场中电势差及电场强度的关系为：；电势差是肯定的，及零电势点的选取无关。3、电势能、电势能变更及电场力做功关系：摸索电荷在电场中某点的电势能大小为：，电势能有正有负，但是标量；电场力做功及电势能变更的关系式为：，即当电场力做多少正功，电势能就减小多少；当电场力做多少

10、负功，电势能就增加多少。4、静电力做功及电势差的关系式为：。说明：电荷在某点的电势能等于静电力把它从该点挪动到零势能位置时所做的功（通常选大地或无限远处电势能为零）。5、等势面：电场中电势相等的点构成的面。性质：沿同一等势面挪动电荷时静电力不做功；电场线及等势面垂直，且由电势高的等势面指向电势低的等势面；在相邻等势面间电势差相等的状况下，等势面的疏密表示电场的强弱（密强弱疏）。注：WAB、q、UAB、EP、等都是标量，但都有正有负，计算时将正负号代入。 【例题7】如图所示，一电荷仅在电场力作用下，从A点运动到B点。运动电荷所带电荷的电性是 。比拟A、B两点的：速度vA vB；动能EkA EkB

11、；电势能EpA EpB。解析：曲线运动物体，合力应指向轨迹凹侧。答案：正电荷；小于；小于；大于。变形：不给起点和终点，只给出虚线是轨迹，如何分析？再利用功能关系或能量守恒断定粒子动能变更、电势能变更、电势凹凸等有关问题常见的电场线及轨迹相关问题的推断步骤1、比拟电势凹凸的方法：（1）沿电场线的方向，电势降低；（2）当电场中两点间的电势差大于零时，电势降低。反之上升；（3）依据电势能的变更看来推断电势变更。 2、比拟电荷电势能的大小：方法一: 依据电场力做功的正负推断，若电场力对挪动电荷做正（负）功，则电势能削减（增加）；方法二: 依据公式 Ep=q ；WABqUAB计算。解析：物体做曲线运动时

12、，合力方向指向轨迹的凹侧，说明粒子带正电，A错；由库仑定律Fk知离圆心越远， 粒子所受的力越小，B错误；粒子从b点到c点过程中，静电力做正功，电势能减小，C正确；点电荷的等势面及虚线重合，依题意得UabUbc，又电场力做功WqU，则WabWbc，由动能定理得粒子由a点到b点的动能变更大于由b点到c点的动能变更，D正确答案：CD【例题8】图中虚线为一组间距相等的同心圆，圆心处固定一带正电的点电荷一带电粒子以肯定初速度射入电场，实线为粒子仅在电场力作用下的运动轨迹，a、b、c三点是实线及虚线的交点则该粒子()A带负电B在c点受力最大C在b点的电势能大于在c点的电势能D由a点到b点的动能变更大于由b

13、点到c点的动能变更【例题9】如图所示，甲图是某电场中的一条电场线，a、b是这条线上的两点，一负电荷只受电场力作用，沿电场线从a运动到b，在这个过程中，电荷的速度时间图象如乙图所示，比拟a、b两点电势的凹凸和场强的大小A、ab EaEbB、ab Ea = EbC、ab EaEbD、ab Ea = Eb解析：分析速度图像可知电荷的加速度是恒定的，说明电场应当是匀强电场。速度渐渐减小说明动能在渐渐减小电场力是由b指向a的。场强方向由 a到b。答案：B【例题10】如图所示，圆O在匀强电场中，场强方向及圆O所在平面平行，带正电的微粒以一样的初动能沿着各个方向从A点进入圆形区域中，只在电场力作用下运动，从

14、圆周上不同点分开圆形区域，其中从C点分开圆形区域的带正电微粒的动能最大，图中O是圆心，AB是圆的直径，AC是及AB成锐角的弦，则匀强电场的方向为（ ）A沿AB方向B沿AC方向C沿OC方向D沿BC方向解析：从C点分开圆形区域的带正电微粒的动能最大，说明微粒从圆上C点分开时电势能最小，由此可知，圆上C点电势最低，过C点做圆的切线，此切线肯定是一条等势线（如图）。又由电场线及等势面（线）的关系可知场强方向沿OC方向。答案选C。反思：本题考察考生对场的空间分布和等势面的相识。解析:靠近P、Q两电荷时均受到斥力，所以P、Q电性一样，A错；由于a点等势面比b点等势面密，故a点场强大，选项B正确； 由于两点

15、电荷带等量同种电荷，从对称性可知c点及a点电势相等，经推断可知带电粒子在a点的电势能等于在c点的电势能，选项C错误；若带电粒子从b点向a点运动，电场力做负功，其电势能增加，动能减小，选项D正确答案选BD 【例题11】如图所示，实线是两个等量点电荷P、Q形成电场的等势面，虚线是一带电粒子仅在电场力作用下运动的轨迹，a、b、c是轨迹上的三个点，b位于P、Q连线的中点则()A. 两点电荷P、Q电性相反B. a点的电场强度大于b点的电场强度C. 带电粒子在a点的电势能大于在c点的电势能D. 带电粒子在a点的动能小于在b点的动能解析： (1)因B、C两点电势相等，小球由B到C只有重力做功，由动能定理得：

16、mgRsin 30mvmv2 解得：vC (2)由A到C应用动能定理得：WACmghmv0 由电势能变更及电场力做功的关系得：EPWAC 解得：EPmghmv2mgR 【例题12】如图所示，在O点放置一个正电荷，在过O点的竖直平面内的A点，自由释放一个带正电的小球，小球的质量为m、电荷量为q。小球落下的轨迹如图中虚线所示，它及以O为圆心、R为半径的圆(图中实线表示)相交于B、C两点，O、C在同一程度线上，BOC30，A间隔 OC的竖直高度为h。若小球通过B点的速度为v，试求：(1)小球通过C点的速度大小。(2)小球由A到C的过程中电势能的增加量。第（2）问或由能量守恒定律列出方程：mghmv+

17、EP也可求出EP解析：电场线及等势面垂直，而x轴上各点电势并不完全相等，所以空间各点场强的方向并不都及x轴垂直，A错；电荷沿x轴从O移到x1的过程中，电荷的电势及电势能均不变，所以电场力对电荷不做功，但并不意味着电荷不受电场力的作用，B错误；正电荷沿x轴从x2移到x3的过程中，因为电势上升，故正电荷的电势能增大，所以电场力做负功，C正确；负电荷沿x轴从x4移到x5的过程中，因为电势降低，故负电荷的电势能增大，电场力做负功，D正确。答案：CD【例题13】假设空间某一静电场的电势随x变更状况如图所示，依据图中信息可以确定下列说法中正确的是()A空间各点场强的方向均及x轴垂直B电荷沿x轴从O移到x1

18、的过程中，肯定不受电场力的作用C正电荷沿x轴从x2移到x3的过程中，电场力做负功，电势能增大D负电荷沿x轴从x4移到x5的过程中，电场力做负功，电势能增大【例题14】如图所示，虚线表示等势面，相邻两等势面间的电势差相等，有一带正电的小球在电场中运动，实线表示该小球的运动轨迹小球在a点的动能等于20eV，运动到b点时的动能等于2eV.若取c点为零势点，则当这个带电小球的电势能等于6eV时(不计重力和空气阻力)，它的动能等于()解析：从a到b由动能定理可知，电场力做功Wab18eV，则从a到b电势能增加量Epab18eV，由等势面特点及c点为零势点可知：a点电势能Epa12eV，又由动能和电势能之

19、和不变，可推断B正确。A. 16eV B14eV C. 6eV D4eV四、电容器和电容1、电容器：任何两个彼此绝缘又相距很近的导体就组成一个电容器（包容电荷）。电容器带电荷量为一个极板所带电荷量的肯定值。 2、电容：定义：电容器所带的电荷量Q及电容器两极板间的电势差U的比值，叫做电容器的电容；表示电容器包容电荷本事的物理量；定义式：，国际单位制中单位为法拉（F），。场强E不变U不变d不变受力不变静止放电3、平行板电容器的电容：。熟记两点：保持两极板及电源相连，则电压U不变，；不变。充电后断开电源，则电荷量Q不变，；。（会娴熟推导） 【例题15】两个较大的平行金属板A、B相距为d，分别接在电压

20、为U的电源正、负极上，这时质量为m，带电荷量为q的油滴恰好静止在两极板之间，如图所示，在其他条件不变的状况下，假如将两极板特别缓慢地错开一些，那么在错开的过程中( D )A油滴将向上加速运动，电流表中的电流从b流向aB油滴将向下加速运动，电流表中的电流从a流向bC油滴静止不动，电流表中的电流从b流向aD油滴静止不动，电流表中的电流从a流向b五、带电粒子在电场中的运动1、带电粒子是否考虑重力：微观粒子（如质子、电子、粒子等）不计重力；宏观微粒（如带电小球、质点、油滴等）考虑重力。、解决问题的思路和方法：带电粒子在电场中的运动问题涉及电场中的规律和力学方法，本质上是一个力学问题，应顺应力学问题的探

21、讨思路和运用力学的根本规律。要留意的是：对于详细问题要分清：场的条件和运动电荷的条件；做好受力分析；加速度：如带电粒子在匀强电场，只受电场力，则加速度；图1Lv0yvv0vy由探讨问题的本质上来分析：如电荷在匀强电场中的偏转问题，关键在于探讨的方法-分解。 3、带电粒子在电场中的加速： 一平行金属板两板间电压为U，一带电粒子（q、m)仅受静电力作用从静止开场，从一板运动到另一板的速度大小？（）（此式对非匀强电场也适用）4、带电粒子在电场中的偏转：程度放置的平行金属板，板长为，板间电压为（上正下负），板间间隔 为，一电荷量为的带正电粒子（不计重力）以初速度垂直电场方向从左侧射入板间，且能从右侧飞

22、出。求偏移量和偏向角？解析：带电粒子在程度方向做匀速直线运动，在竖直方向做初速度为零的匀加速直线运动，轨迹如图1。其加速度为：程度方向： 竖直方向： 又有图中几何关系有：（或）解至得：yL/OPU1L图2【问题延长】若带正电粒子由静止释放，先经过加速电场加速，后进入偏转电场（如图2），求粒子打在荧光屏上P点距屏中心点O的间隔 。解析：粒子先在加速电场中加速，则有：粒子以速度进入偏转电场，偏移量和偏向角求解同上。可得： （由此可得出结论：电性一样的不同粒子经加速电场和偏转电场后射出时轨迹一样）粒子分开偏转电场后以速度做匀速直线运动，打在荧光屏上P点，由图中几何关系有： 或 或 最终可求出粒子打在

23、荧光屏上P点距屏中心点O的间隔 。【例题16】反射式速调管是常用的微波器件之一，它利用电子团在电场中的振荡来产生微波，其振荡原理及下述过程类似。如图19所示，在虚线MN两侧分别存在着方向相反的两个匀强电场，一带电微粒从A点由静止开场，在电场力作用下沿直线在A、B两点间来回运动。已知电场强度的大小分别是E12.0103 N/C和E24.0103 N/C，方向如图所示，带电微粒质量m1.01020 kg，带电量q1.0109 C，A点距虚线MN的间隔 d11.0 cm.不计带电微粒的重力。求：(1) B点到虚线MN的间隔 d2；(2) 带电微粒从A点运动到B点所经验的时间t.解析： (1)带电微粒

24、由A运动到B的过程中，由动能定理有：|q|E1d1|q|E2d20 由式解得：d2d10.50 cm(2)设微粒在虚线MN两侧的加速度大小分别为a1、a2，由牛顿第二定律有：|q|E1ma1 |q|E2ma2设微粒在虚线MN两侧运动的时间分别为t1、t2，由运动学公式有d1a1t d2a2t 又tt1t2 由式解得：t1.5108 s解析： (1)三对正对极板间电压之比为：U1U2U3RabRbcRcd123板间间隔 之比L1L2L3123依据E知，三个电场场强相等，其值为：E1 516.67 N/C(2)依据动能定理:qUEkmv 电子分开H点时动能:Ek3.641017 J(3)电子在竖直

25、方向受电场力不变，加速度恒定，可知电子做类平抛运动.程度方向: xv0t 竖直方向: L1L2L3 t2 解得x0.12 m.即金属板总长ABCDEFGH2x0.24 m.【例题17】如图所示，直流电源的路端电压U182 V金属板AB、CD、EF、GH互相平行、彼此靠近它们分别和变阻器上的触点a、b、c、d连接变阻器上ab、bc、cd段电阻之比为123.孔O1正对B和E，孔O2正对D和G.边缘F、H正对一个电子以初速度v04106 m/s沿AB方向从A点进入电场，恰好穿过孔O1和O2后，从H点分开电场金属板间的间隔 L12 cm，L24 cm，L36 cm.电子质量m9.11031 kg，电荷

26、量q1.61019 C正对两平行板间可视为匀强电场，不计电子重力，求：(1)各相对两板间的电场强度；(2)电子分开H点时的动能；(3)四块金属板的总长度(ABCDEFGH)【点拨提升】1要留意分析三个电场的场强是否相等，只有相等时整个过程才是类平抛运动2求解粒子的动能和速度一般利用动能定理列式求解，尽可能不用牛顿运动定律和运动学公式解析：(1)由图可知，x=0及x=d(或-d)两点间的电势差为0电场强度的大小 电场力的大小(2)设粒子在- x0，x0区间内运动，速率为v，由题意得：由图可知 由得：因动能非负，有：，得 即粒子的运动区间为：总结进步：1.擅长读图、数形结合：本题随x变更规律为直线

27、，可知电势沿x匀称变更为匀强电；2擅长构建情景：本题电场应为如图所示情景；3对于随x的变更结合图线能做数学表达。【例题18】(2011北京)静电场方向平行于x轴，其电势随x的分布可简化为如图所示的折线，图中0和d为已知量一个带负电的粒子在电场中以x0为中心、沿x轴方向做周期性运动已知该粒子质量为m、电量为q，其动能及电势能之和为A (0Aq0)忽视重力求：(1)粒子所受电场力的大小；(2)粒子的运动区间。解析：(1)设带电体到达C点时的速度为v，从A到C由动能定理得：qE(sABR)mg sABmgRmv2解得v10 m/s【例题19】(2013福建)如图所示，在竖直平面内，AB为程度放置的绝

28、缘粗糙轨道，CD为竖直放置的足够长绝缘粗糙轨道，AB及CD通过四分之一绝缘光滑圆弧形轨道平滑连接，圆弧的圆心为O，半径R0.50 m，轨道所在空间存在程度向右的匀强电场，电场强度的大小E1.0104 N/C，现有质量m0.20 kg，电荷量q8.0104 C的带电体(可视为质点)，从A点由静止开场运动，已知xAB1.0 m，带电体及轨道AB、CD的动摩擦因数均为0.5.假定带电体及轨道之间的最大静摩擦力和滑动摩擦力相等求：(取g10 m/s2)(1)带电体运动到圆弧形轨道C点时的速度；(2)带电体最终停在何处(2)设带电体沿竖直轨道CD上升的最大高度为h，从C到D由动能定理得：mghqEh0m

29、v2 解得hm在最高点，带电体受到的最大静摩擦力FfmaxqE4 N，重力Gmg2 N 因为GqE，要使小球能通过Q点且保证圆形轨道不脱离地面，速度v0应满意的关系是：v0qE，要使小球能通过Q点且保证圆形轨道不脱离地面，小球运动到Q点的最小速度满意mgqE，解得v1 , 从P到Q，由动能定理，(qEmg)2R ， 解得v01要使圆形轨道不脱离地面，小球运动到Q点对圆形轨道的压力小于mg，小球运动到Q点的最大速度满意2mgqE，解得 v2，从P到Q，由动能定理，(qEmg)2R，解得v02，要使小球能通过Q点且保证圆形轨道不脱离地面，速度v0应满意的关系是：v0，选项D正确。8cm10cm4c

30、m【例题23】如图所示，程度放置的平行板电容器及一恒定的直流电压相连，两极板间间隔 d =10 cm距下板h1=4 cm处有一质量m = 0.01g的不带电小球由静止落下小球和下极板碰撞间带上了q =-1.010-8 C的电荷，反跳的高度为h2=8cm，这时下板所带电量为Q=-1.010-6 C假如小球和下板碰撞时没有机械能损失（即速度的大小不变），（取g=10m/s2）试求：(1)该电容器极板间的电场强度多大？(2)该电容器的电容多大？解析：（1）不带电小球下落过程，设落地速度为v，有： 小球带电后反跳减速上升过程，设加速度大小为a，有：解得：a=5m/s又依据牛顿第二定律得：mg-qE=ma 解得：E=5103V/m（2）电容器两板间电压：U=Ed=51030.1V=500V电容：C=Q/U= 210-9F=2000pF