静电场中“两线一面”问题例讲

王玮



静电场的知识是高中物理的重点内容,同时又因涉及的概念繁多且抽象而成为学生学习的难点,特别是遇到“两线一面”问题时更是无从下手。
“两线一面”指的是带电粒子在电场中的轨迹线、电场线和等势面。这类问题综合性比较强,往往涉及带电粒子的电性、受力、运动、做功问题以及能量变化问题等等。要解决这类问题就需要熟练掌握几种典型电场的电场线、等势面的分布规律,并能灵活运用所学静电场的相关知识。
知识储备
静电场相关知識及规律
1.电场中某点的场强方向就是正电荷在该点所受电场力的方向;
2.做曲线运动时,带电粒子所受合力(往往仅受电场力)指向轨迹的内侧;
3.电场线或等差等势面密集的地方场强大;
4.电场线与等势面处处垂直,且沿着电场线的方向电势逐渐降低;
5.电场力做正功,电势能减少;电场力做负功,电势能增加。
明确“两线一面”的切线方向
1.电场线某点的切线方向即为该点的场强方向;
2.运动轨迹的切线方向为该点的瞬时速度方向;
3.电场线的切线与等势面的切线方向处处垂直;
例题选讲
电场线与轨迹线的关系
例1 如图1所示,实线表示电场线,虚线表示只受电场力作用的带电粒子的运动轨迹。粒子先经过M点,再经过N点。可以判定( )
A.粒子在M点受到的电场力大于在N点受到的电场力
B.M点的电势高于N点的电势
C.粒子带正电
D.粒子在M点的动能大于在N点的动能
解析 电场线的疏密表示场强的大小,电场线越密集,场强越大。可知M点的场强小,由F=Eq得粒子在M点受到的电场力小,由F=ma可知M点的加速度也小,A错误。
沿电场线方向,电势逐渐降低。所以M点的电势高于N点的电势,B正确。
如图2所示,用“速度线与力线”的方法,即在粒子运动的始点M作上述两条线,由电场力的方向与场强方向相同,可知粒子带正电,C正确。由于力与速度的夹角为锐角,所以电场力做正功,粒子的电势能减小,由能量守恒知其动能增加,D错误。
答案BC
小结:带电粒子运动轨迹类问题的解题技巧
1.“运动与力两线法”——画出“速度线”(轨迹在初始位置的切线)与“力线”(在初始位置电场线的切线方向),由合力方向指向轨迹曲线的内侧确定电场力的方向,从而分析电场方向或电荷的正负;
2.判断电场力做功的正负:若电场力与速度方向成锐角,则电场力做正功,电势能减少;若电场力与速度方向成钝角,则电场力做负功,电势能增加;
3.根据动能定理或能量守恒定律判断动能的变化情况。
等势面与轨迹线的关系
例2 一粒子从A点射入电场,从B点射出,电场的等势面和粒子的运动轨迹如图3所示,图中左侧前三个等势面彼此平行,不计粒子的重力。下列说法正确的有( )
A.粒子带负电荷
B.粒子的加速度先不变,后变小
C.粒子的速度不断增大
D.粒子的电势能先减小,后增大
解析 电场线(与等势面处处垂直)如图4所示,由于合力总是指向运动轨迹的内侧,则电场力与场强方向相反,所以粒子带负电,A正确;
因为等势面先平行并且密,后变疏,说明电场强度先不变,后变小,则电场力先不变,后变小,由F=ma得加速度先不变,后变小,B正确;
由力与速度的夹角知电场力一直做负功,粒子的速度一直减小,电势能一直增大,C、D错误。
答案AB
小结:根据所给的等势面,明确电场分布情况,画出电场线,再根据电场线与轨迹线的方向判定电荷的电性、找到电荷的受力方向、受力大小变化;根据运动轨迹,判断功的正负、动能及电势能的变化。
电场线与等势面的关系
例3 如图5所示,在平面直角坐标系中,有一个方向平行于坐标平面的匀强电场,其中坐标原点0处的电势为0V,点A处的电势为6V,点B处的电势为3V,则电场强度的大小为( )
A.200V/m B.200√3V/m
C.100V/m D.100√3V/m
解析
小结
1.在匀强电场中,电势沿直线均匀变化,由U=Ed知直线上等距离的两段电势差相等;
2.等分线段找等势点法:将电势最高点和电势最低点连接后根据需要平分成若干段,必能找到第三点电势的等势点,它们的连线即为等势面,与其垂直的线就是电场线,且沿着电场线的方向电势逐渐降低。
学法总结
关于静电场中的“两线一面”问题,牢牢抓住以下几点:由电场线的疏密定电场力(加速度)的大小;由轨迹的内侧判断力的方向;由电场力与电场强度的方向是否相同判断粒子的电性;由力与速度的夹角大小判断正负功;由电场力做功与电势能的变化关系得电势能的增减、动能的增减等有关问题。
相信通过多想、多问、多练,静电场中的这类问题定能迎刃而解。
相关文章!
  • 云阳李家坝巴人墓地聚落分析

    施韵琦摘要:重庆云阳李家坝遗址是巴文化中的一处重要遗址,对巴文化尤其是晚期巴文化的研究有着深刻意义。其中发现的东周巴人墓地更是

  • 物理课堂教学中挑战性学习活动

    吕思俊在初中物理课堂上,设计有效的学习活动不仅可以锻炼学生的自主学习与探究能力,也能够让学生在活动过程中将相应的理论知识加以利

  • 质谱法测定水中溶解氙的含量及

    李军杰+刘汉彬 张佳+韩娟+金贵善+张建锋<br />
    <br />
    <br />
    <br />
    摘要 利用设计的一套水样中提取并分离Xe的装置,与稀有气体质谱