本章知识结构
1.三个自由电荷在相互作用下均处于平衡状态时,其位置及电性可概括口诀为“两同夹异,两大夹小,近小远大”
2.电场叠加原理:若空间中几个电场同时存在,它们的电场就互相叠加,形成合场强,这时某点的场强等于它们单独存在时在该点产生场强的矢量和。
3.真空中点电荷Q在距其为r的地方产生的场强E=kQ/r2。
4.电场线可用来描述电场的性质:①它起源于正电荷(或无穷远),终止于负电荷(或无穷远);②电场线的疏密可反映电场的大小;③电场线不是电荷在电场中的运动轨迹,④电场线总是与等势面垂直,且从高等势面指向低等势面。⑤匀强电场的电场线是间距相等、相互平行的直线。
5,电势具有相对性,其数值与零电势点的选取有关,而电势差与零电势点的选取无关。电势能也具有相对性,与零电势点的选取有关。电场力做正功时电荷的电势能减小,电场力做负功时电荷的电势能增加;正电荷在高电势的地方电势能大,负电荷在低电势的地方电势能大。
6.由WAB=QUAB推知:电场力做功与路径无关,只与初末位置的电势差有关,式中WAB的“+”“一”号表示电场力做正功还是做负功;q的“+”“一”表示正负电荷。UAB的“+” “一”反映了A、B两点电势高低。
7.等量异种电荷连线的中垂线上,从中点向两边场强依次减小,中点场强最大,各点电势相等;等量同种电荷连线的中垂线上,从中点向两边场强先变大后变小,中点场强E=0,电势依次降低,场强大小和电势高低没有必然联系。
8.在匀强电场中,A、B两点电势差UAB=Ed,d表示A.B两点沿电场线方向的距离。在匀强电场中,同一方向上长度相等的线段的端点间的电势差相等。
9.平行板电容器的动态分析,关键要区分两种不同情况:电容器始终与电池相连电势差U不变;充电后电容器与电源断开,电量Q不变,然后应用电容器电容的决定式C∝S/d;电容的定义C=q/U;场强与电势差的关系UAB=Ed分析有关的问题。
10.粒子经电压为U,宽为d,长为L的电场偏转后的横向偏移量y=qL2U/2mv02d;偏转角:tanθ=qLU/mv02d。(设粒子初速度v0,质量m,电荷量q)
1、比值定义法:如电场强度,电势,电容的定义。
2、理想模型法:点电荷。
3、类比法:①点电荷—一—质点。②电势差——高度差。③电场强做功的特点——重力做功的特点。④电势能一一重力势能。⑤电势能的变化与电场力做功的关系——重力做功与重力势能变化的关系。⑥电场线——磁感线。⑦匀强电场中带电粒子的直线加速(减速)——匀变速直线运动。⑧垂直进入匀强中带电粒的偏转——重力场中的平抛。
知识点一库仑力的计算与理解
库仑力是两个点电荷间的相互作用力,一个点电荷受到其它多个点电荷的作用,可分别求出所有库仑力,再求其合力。
【例1】如图所示,一个均匀的带电圆环,带电量为+Q,半径为R,放在绝缘水平桌面上。圆心为O点,过O点做一竖直线,在此线上取一点A,使A到O点的距离为R,在A点放一检验电荷+q,则+q在A点所受的电场力为( )
A、 ,方向向上 B、 ,方向向上
C、 ,方向水平向左 D、不能确定
导示:如画所示将带电圆环等分成无数个相同的点电荷q’,由于对称性所有q’与q的作用力在水平方向分力的合力应为零,因此
且方向向上。
检验电荷+q受到的库仑力在水平方向上的合力恰好为零。解题时要注意到叠加原理的应用。
知识点二带电粒子在组合场中的运动
带电粒子在组合场中运动时,物理过程有先有后,可采用灵活多变的,有针对性的物理规律进行列式求解。
【例2】如图所示,匀强电场方向竖直向上,A、B是两个大小相同的金属小球,B球的质量是A球质量的4倍.B球不带电,放在水平台面的边缘;A球带正电荷,与台面间的动摩擦因数为0.4。开始时A球在台面上恰好能匀速运动,速度大小为5 m/s,与B球发生正碰.碰后B球落到地面上,落地时的动能等于它在下落过程中减少的重力势能.碰撞时间极短,且两球总电荷量没有损失.A、B两球始终在电场中,台面绝缘且足够大,其高度为1.6 m,g取10 m/s2.求碰撞后A球还能运动多长时间?
导示: 设电场强度为E,B球质量为4m,碰后电荷量为q则A球质量为m,A球碰前带电荷量应为2q,速度为v0,碰后带电荷量应为q.
A球在碰前有2qE=mg,则:qE=mg/2
设A、B两球碰撞后的速度分别是v1、v2,对B球碰后由动能定理得:
Ek—4mv22/2=(4mg—qE)h
由题意有:Ek=4mgh
解得:v2=2m/s
A、B两球碰撞过程中动量守恒,以v0方向为正方向,则;mv0=mv1+4mv2
解得;v1=v0—4v2=—3m/s
碰后A球返回,设经时间t停下,由动量定理得:μ(mg—qE)t=0—mv1
解得:t=1.5s
知识点三图像信息问题
图像信息问题中,题目中会给予许多相关条件,解题时要抓住对解题有用的特殊点作为解题的突破口。图中的曲线则表示一定的物理过程,所以解题时要认识这些过程与坐标点的意义。
【例3】质量为m、带电量+q的小球以水平初速度v0进入竖直向上的匀强电场中,如图甲所示,今测得小球进入电场后在竖直方向上上升的高度h与水平方向的位移x之间的关系如图乙所示,根据图乙给出的信息.求:
(1)匀强电场场强的大小.
(2)小球从进入匀强电场到上升到h高度的过程中,电场力做了多少功?
(3)小球在h高度处的动能多大?
导示: (1)根据图乙,小球上升高度h时在水平方向上的位移x,设小球上升高度h所用时间为t,小球在水平方向上做匀速直线运动,则x=v0t
在竖直方向的加速度大小为a,则h=at2/2
解得a=2hv02/t2
根据牛顿第二定律得qE一mg=ma
E=(mg+ma)/q=m(g+2hv02/t2)/q
(2)电场力做功W=gEh=m(gh+2h2v02/t2)
(3)根据动能定理,小球在A高度处的动能
知识点四竖直面内的圆周运动
一物体在竖直面内作圆周运动时,应对两个特殊位置进行研究,即最高点与最低点。由于是电场中的问题,所以还需要注意电荷的正负和电场的方向对临界状态的影响。
【例4】(08淮阴中学)如图所示,在方向竖直向下的匀强电场中,用绝缘细线拴着带负电的小球(视为质点)在竖直平面内绕O点做圆周运动,则下列判断正确的是( )
A.小球运动到最低点时,细线的拉力一定最大
B.小球运动到最低点时,小球的速度一定最大
C.小球运动到最低点时,小球的电势能一定最大
D.小球运动到最高点时,小球的机械能一定最大
导示: 小球在运动过程中受向下的重力、向上的电场力和绳子的拉力作用,但不能确定重力与电场力之间的关系,所以不能确定物理最低点,故AB错。最低点电势最低,负电荷电势最大,C对。运动到最高点的过程中电场力做功最多,机械能最多,D对。应选CD。
知识点五临界问题探究
【例5】(08南通高三调研)如图所示,真空中水平放置的两个相同极板Y和Y'长为L,相距d,足够大的竖直屏与两板右侧相距b.在两板间加上可调偏转电压U,一束质量为m、带电量为+q的粒子(不计重力)从两板左侧中点A以初速度v0沿水平方向射入电场且能穿出.
(1)证明粒子飞出电场后的速度方向的反向延长线交于两板间的中心O点;
(2)求两板间所加偏转电压U的范围;
(3)求粒子可能到达屏上区域的长度.
导示: (1)设粒子在运动过程中的加速度大小为a,离开偏转电场时偏转距离为y,沿电场方向的速度为vy,偏转角为θ,其反向延长线通过O点,O点与板右端的水平距离为x,则有:y=at2/2
联立可得
即粒子飞出电场后的速度方向的反向延长线交于两板间的中心.
(2)
解得
当 时,
则两板间所加电压的范围
(3)当 时,粒子在屏上侧向偏移的距离最大(设为y0),则
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