标题 | “电场能的性质”难点解析 |
范文 | 杜飞 一、电场力做功与电势能 1.电场力做功的特点 (1)在电场中移动电荷时,电场力做功与路径无关,只与初、末位置有关,可见电场力做功与重力做功相似. (2)在匀强电场中,电场力做的功W=Eqd,其中d为沿电场线方向的位移. 2.電势能 (1)定义:电荷在电场中具有的势能.电荷在某点的电势能,等于把它从该点移到零势能位置时电场力所做的功. (2)电场力做功与电势能变化的关系 电场力做的功等于电势能的减少量,即WAB=EpA- EpB (3)电势能的相对性:电势能是相对的,通常把电荷在离场源电荷无限远处的电势能规定为零,或把电荷在大地表面上的电势能规定为零. 二、电势 1.电势 (1)定义:电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值. (2)定义式:φ=Ep/q. (3)标矢性:电势是标量,其大小有正负之分,其正(负)表示该点电势比零电势点高(低). (4)相对性:电势具有相对性,同一点的电势因零电势点选取的不同而不同. (5)沿着电场线方向电势逐渐降低. 2.等势面 (1)定义:电场中电势相等的各点构成的面. (2)特点 ①电场线跟等势面垂直,即场强的方向跟等势面垂直. ②在等势面上移动电荷时电场力不做功. ③电场线总是从电势高的等势面指向电势低的等势面. ④等差等势面越密的地方电场强度越大;反之越小, ⑤任意两等势面不相交. 无论正、负电荷,只要电场力做正功,电荷的电势能一定减小;只要电场力做负功,电荷的电势能一定增大. (2)电场线判断法 ①正电荷顺着电场线的方向移动时,电势能逐渐减小;逆着电场线的方向移动时,电势能逐渐增大. ②负电荷顺着电场线的方向移动时,电势能逐渐增大;逆着电场线的方向移动时,电势能逐渐减小. (3)电势判断法 由公式Ep= qφ,正电荷在电势高的地方电势能大,负电荷在电势高的地方电势能小. (4)能量守恒法 只有电场力做功时,电荷的动能和电势能互相转化,动能与电势能的和不变,动能减少多少,电势能就增加多少,反之亦然. 例1 如图1所示,两个等量的正点电荷分别置于P、Q两位置,在P、Q连线的垂直平分线上有M、N两点,另有一试探电荷q,则 A.若q是正电荷,q在N点的电势能比在M点的电势能大 B.若q是负电荷,q在朋点的电势能比在N点的电势能大 C.无论q是正电荷,还是负电荷,q在M、N两点的电势能都一样大 D.无论q是正电荷还是负电荷,q在M点的电势能都比在Ⅳ点的电势能小 解析 由两个等量的正点电荷周围的电场线的分布情况可知,两点电荷连线的中垂线上的电场方向是:由连线的中点沿中垂线指向无穷远处,正电荷从N点移到M点,电场力做正功,电势能减小;负电荷从Ⅳ点移到M点,电场力做负功,电势能增大. 答案A、B. 考点二电场线、等势面及带电粒子的运动轨迹问题 1.几种常见的典型电场的等势面比较 2.等势面的特点 (1)在等势面内任意两点间移动电荷,电场力不做功. (2)在空间中两等势面不相交. (3)电场线总是和等势面垂直,且从电势较高的等势面指向电势较低的等势面. (4)在电场线密集的地方,等差等势面密集;在电场线稀疏的地方,等差等势面稀疏. (5)等势面是为描述电场的性质而假想的面. (6)等势面的分布与电势零点的选取无关. 3.等势面的应用规律 (1)由等势面可以判断电场中各点电势的高低及差别. (2)由于等势面和电场线垂直,已知等势面的形状分布,可以绘制电场线,从而确定电场大体分布. (3)由等差等势面的疏密,可以定性地确定某点场强的大小. 4.带电粒子在电场中运动轨迹问题的分析方法 (1)从轨迹的弯曲方向判断受力方向(轨迹向合外力方向弯曲),从而分析电场方向或电荷的正负; (2)结合轨迹、速度方向与静电力的方向,确定静电力做功的正负,从而确定电势能、电势和电势差的变化等; (3)根据动能定理或能量守恒定律判断动能的变化情况. 解析 由等势面的分布规律可知,该电场为点电荷的电场.由运动轨迹可知,运动的正粒子跟场源电荷的相互作用是排斥,所以场源电荷是正电荷.根据电场线与等势面垂直,电场的分布是发散状辐射向外的.正电荷从K到L受静电力的方向背离同心,与移动方向夹角大于90°,静电力做负功,电荷的电势能增加,选项A正确;从L到M,可看做从跟轨迹有交点的同一等势面的点到M,受到的静电力与移动方向夹角小于90°,静电力做正功,电荷的电势能减少,选项B错误;根据电场线的方向是电势降低的方向可知选项C错误、D正确. 答案AD 例3 如图3所示,虚线a、b、c表示电场中的三个等势面,相邻等势面间的电势差相等,实线为一个带正电的质点仅在电场力作用下,通过该区域的运动轨迹,P、Q是轨迹上的两点.下列说法中正确的是() A.三个等势面中,等势面a的电势最高 B.带电质点一定是从P点向p点运动 C.带电质点通过P点时的动能比通过Q点时的小 D.带电质点通过P点时的加速度比通过Q点时的小 解析 带电质点可以由P到Q,也可以由Q到P,由图示条件不能具体确定,故B錯;电荷所受电场力指向轨迹内侧,大致向左下方,由于电荷带正电,因此电场线指向左下方,沿电场线电势降低,故a等势面的电势最低,A错;从P到Q过程中电场力做正功,电势能降低,动能增大,故P点的动能小于Q点的动能,故C对;等势线密的地方电场线密,电场强度大,则P点场强大于Q点场强,质点在P点所受电场力较大,则通过P点时的加速度比通过Q点时大,故D错. 答案C 考点三匀强电场中电势差与电场强度的关系 1.在匀强电场中电势差与电场强度的关系式为U= Ed,其中d为两点沿电场线方向的距离.由公式U= Ed可以得到下面两个结论: 2.在非匀强电场中,不能用U= Ed进行计算,但可以进行定性分析,一般沿电场线方向取相同的长度d,线段处于场强较大的区域所对应的电势差U较大. 例4 如图5所示,A、B、C三点都在匀强电场中,已知AC⊥BC, ∠ABC=60°, BC=20 cm,把一个电荷量q=10-5 C的正电荷从A移到B,静电力做功为零,从B移到C,静电力做功为-1.73×10-3 J,则该匀强电场的电场强度的大小和方向是 () A.865 V/m,垂直AC向左 B.865 V/m,垂直AC向右 C.1000 V/m,垂直AB斜向上 D.1 000 V/m,垂直AB斜向下 解析 把电荷q从A移到B,静电力不做功,说明A、B两点在同一等势面上,因该电场为匀强电场,等势面应为平面,故图中AB即为等势线,场强方向垂直于等势面,可见,选项A、B错误. 考点四 用功能关系分析带电粒子的能量转化 1.功能关系 (1)若只有电场力做功,电势能与动能之和保持不变; (2)若只有电场力和重力做功,电势能、重力势能、动能之和保持不变; (3)除重力外,其他各力对物体做的功等于物体机械能的变化. (4)所有力对物体做功的代数和等于物体动能的变化. 2.电场力做功的计算方法 (1)由公式W=Flcos α计算,此公式只适用于匀强电场,可变形为:W= qElcos α. (2)由W=qU来计算,此公式适用于任何形式的静电场. (3)由动能定理来计算: W电场力+W其他力=△EK. (4)由电势能的变化来计算: WAB= EpA - EpB. 例5 如图6所示,竖直向上的匀强电场中,绝缘轻质弹簧竖直立于水平地面上,上面放一质量为m的带正电小球,小球与弹簧不连接,施加外力F将小球向下压至某位置静止,现撤去F,小球从静止开始运动到离开弹簧的过程中,重力、电场力对小球所做的功分别为W1和W2,小球离开弹簧时速度v,不计空气阻力,则上述过程中 () A.小球与弹簧组成的系统机械能守恒 B.小球的重力势能增加-W1 c.小球的机械能增加W1+1/2mv2 D.小球的电势能减少W2 解析 本题考查势能大小的计算和机械能守恒定律,由于电场力做正功,故小球与弹簧组成的系统机械能增加,机械能不守恒,故A选项错误;重力做功是重力势能变化的量度,由题意知重力做负功,重力势能增加,故B选项正确;小球增加的机械能等于重力势能的增加量与小球动能的增加量之和,即-W1+1/2mv2,故c选项错误;根据电场力做功是电势能变化的量度,电场力做正功电势能减少,电场力做负功电势能增加,故D选项正确. 答案 BD |
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