2022高考物理一輪復(fù)習(xí) 第七章 第1講 電場(chǎng)力的性質(zhì)學(xué)案(含解析)
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1、2022高考物理一輪復(fù)習(xí) 第七章 第1講 電場(chǎng)力的性質(zhì)學(xué)案(含解析) 知識(shí)點(diǎn) 電荷守恒 點(diǎn)電荷 Ⅰ 庫(kù)侖定律?、?.元電荷、點(diǎn)電荷 (1)元電荷:e=1.6×10-19 C,最小的電荷量,所有帶電體的電荷量都是元電荷的整數(shù)倍,其中質(zhì)子、正電子的電荷量與元電荷相同。電子的電荷量q=-1.6×10-19 C。 (2)點(diǎn)電荷:忽略帶電體的大小、形狀及電荷分布狀況的理想化模型。 (3)比荷:帶電粒子的電荷量與其質(zhì)量之比。 2.電荷守恒定律 (1)內(nèi)容:電荷既不會(huì)創(chuàng)生,也不會(huì)消失,它只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體,或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分,在轉(zhuǎn)移的過程中,電荷的總量保持不變。
2、(2)起電方法:摩擦起電、感應(yīng)起電、接觸起電。 (3)帶電實(shí)質(zhì):物體帶電的實(shí)質(zhì)是得失電子。 (4)電荷的分配原則:兩個(gè)形狀、大小相同的導(dǎo)體,接觸后再分開,二者帶等量同種電荷;若兩導(dǎo)體原來帶異種電荷,則電荷先中和,余下的電荷再平分。 3.庫(kù)侖定律 (1)內(nèi)容:真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力,與它們的電荷量的乘積成正比,與它們的距離的二次方成反比,作用力的方向在它們的連線上。 (2)表達(dá)式:F=k,式中k=9.0×109 N·m2/C2,叫靜電力常量。 (3)適用條件:真空中靜止的點(diǎn)電荷。 ①在空氣中,兩個(gè)點(diǎn)電荷的作用力近似等于真空中的情況,可以直接應(yīng)用公式。 ②當(dāng)兩個(gè)帶電體
3、的間距遠(yuǎn)大于本身的大小時(shí),可以把帶電體看成點(diǎn)電荷。 ③兩個(gè)帶電體間的距離r→0時(shí),不能再視為點(diǎn)電荷,也不遵循庫(kù)侖定律,它們之間的庫(kù)侖力不能認(rèn)為趨于無窮大。 (4)庫(kù)侖力的方向 由相互作用的兩個(gè)帶電體決定,且同號(hào)電荷相互排斥;異號(hào)電荷相互吸引。 知識(shí)點(diǎn) 靜電場(chǎng)?、? 電場(chǎng)強(qiáng)度、點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng) Ⅱ 1.電場(chǎng) (1)定義:存在于電荷周圍,能傳遞電荷間相互作用的一種特殊物質(zhì)。 (2)基本性質(zhì):對(duì)放入其中的電荷有力的作用。 2.電場(chǎng)強(qiáng)度 (1)定義:放入電場(chǎng)中某點(diǎn)的電荷所受到的靜電力F跟它的電荷量q的比值。 (2)定義式:E=,該式適用于一切電場(chǎng)。 (3)單位:N/C或V/m。
4、(4)矢量性:規(guī)定正電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)所受靜電力的方向?yàn)樵擖c(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的方向。 3.點(diǎn)電荷場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算式 (1)公式:在場(chǎng)源點(diǎn)電荷Q形成的電場(chǎng)中,與Q相距r的點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)E=k。 (2)適用條件:真空中靜止的點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)。 4.電場(chǎng)強(qiáng)度的疊加 電場(chǎng)中某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為各個(gè)點(diǎn)電荷單獨(dú)在該點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和,遵循平行四邊形定則。 5.勻強(qiáng)電場(chǎng):電場(chǎng)中各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小相等、方向相同,這樣的電場(chǎng)叫做勻強(qiáng)電場(chǎng)。 知識(shí)點(diǎn) 電場(chǎng)線 Ⅰ 1.定義:為了形象地描述電場(chǎng)中各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的大小和方向,在電場(chǎng)中畫出一系列的曲線,使曲線上各點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)方向,曲線的疏密表示場(chǎng)強(qiáng)的大小,這些曲線叫
5、做電場(chǎng)線,是假想的曲線,實(shí)際不存在。 2.電場(chǎng)線的特點(diǎn) (1)電場(chǎng)線上每一點(diǎn)的切線方向與該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)方向一致。 (2)電場(chǎng)線從正電荷或無窮遠(yuǎn)出發(fā),終止于無窮遠(yuǎn)或負(fù)電荷。 (3)電場(chǎng)線在電場(chǎng)中不相交、不閉合、不中斷。 (4)在同一電場(chǎng)中,電場(chǎng)線越密集的地方場(chǎng)強(qiáng)越大,電場(chǎng)線越稀疏的地方場(chǎng)強(qiáng)越小。 (5)沿電場(chǎng)線的方向電勢(shì)逐漸降低。 (6)電場(chǎng)線和等勢(shì)面在相交處垂直。 3.幾種典型電場(chǎng)的電場(chǎng)線 如圖所示是幾種典型電場(chǎng)的電場(chǎng)線分布圖。 一 思維辨析 1.質(zhì)子的電荷量為一個(gè)元電荷,但電子、質(zhì)子是實(shí)實(shí)在在的粒子,不是元電荷。( ) 2.相互作用的兩個(gè)點(diǎn)電荷,不論它們的電荷量
6、是否相同,它們之間的庫(kù)侖力大小一定相等。( ) 3.根據(jù)F=,當(dāng)r→∞時(shí),F(xiàn)→0。( ) 4.電場(chǎng)強(qiáng)度反映了電場(chǎng)的力的性質(zhì),所以電場(chǎng)強(qiáng)度與試探電荷所受電場(chǎng)力成正比。( ) 5.電場(chǎng)中某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)方向即為試探電荷在該點(diǎn)所受的電場(chǎng)力的方向。( ) 6.在點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)中,以點(diǎn)電荷為球心的同一球面上各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度都相同。( ) 7.電場(chǎng)線的方向即為帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向。( ) 答案 1.√ 2.√ 3.√ 4.× 5.× 6.× 7.× 二 對(duì)點(diǎn)激活 1.(人教版選修3-1·P3·實(shí)驗(yàn)改編)(多選)如圖所示,A、B為相互接觸并用絕緣支柱支持的金屬導(dǎo)體,起初都不帶電,在它們的
7、下部貼有金屬箔片,C是帶正電的小球,下列說法正確的是( ) A.把C移近導(dǎo)體A時(shí),A、B上的金屬箔片都張開 B.把C移近導(dǎo)體A,再把A、B分開,然后移去C,A、B上的金屬箔片仍張開 C.把C移近導(dǎo)體A,先把C移走,再把A、B分開,A、B上的金屬箔片仍張開 D.把C移近導(dǎo)體A,先把A、B分開,再把C移走,然后重新讓A、B接觸,A上的金屬箔片張開,而B上的金屬箔片閉合 答案 AB 解析 雖然A、B起初都不帶電,但帶正電的小球C對(duì)A、B內(nèi)的電荷有力的作用,使A、B中的自由電子向左移動(dòng),使得A端積累了負(fù)電荷,B端積累了正電荷,其下部的金屬箔片因?yàn)榻佑|帶電,也分別帶上了與A、B相同的電
8、荷,所以金屬箔片都張開,A正確。帶正電的小球C只要一直在A、B附近,A、B上的電荷因受C的作用力而使A、B帶等量的異種感應(yīng)電荷,把A、B分開,因A、B已經(jīng)絕緣,此時(shí)即使再移走C,所帶電荷量也不能變,金屬箔片仍張開,B正確。但如果先移走C,A、B上的感應(yīng)電荷會(huì)馬上中和,不再帶電,所以金屬箔片都不會(huì)張開,C錯(cuò)誤。先把A、B分開,再移走C,A、B仍然帶電,但重新讓A、B接觸后,A、B上的感應(yīng)電荷完全中和,金屬箔片都不會(huì)張開,D錯(cuò)誤。 2.(人教版選修3-1·P9·T3改編)真空中兩個(gè)相同的帶等量異號(hào)電荷的金屬小球A和B(均可看做點(diǎn)電荷),分別固定在兩處,兩球間靜電力大小為F?,F(xiàn)用一個(gè)不帶電的同樣的
9、金屬小球C先與A接觸,再與B接觸,然后移開C,再將A、B間距離增大為原來的2倍,則A、B間的靜電力大小為( ) A. B. C. D. 答案 B 解析 設(shè)A、B原來所帶電荷量分別為+Q、-Q,A、B間靜電力大小F=,將不帶電的同樣的金屬球C先與A接觸,再與B接觸后,A所帶電荷量變?yōu)椋?,B所帶電荷量變?yōu)椋?,A、B間靜電力大小F′==,故F′=F,故B正確。 3.(人教版選修3-1·P15·T5改編)如圖所示為某區(qū)域的電場(chǎng)線分布,下列說法正確的是( ) A.這個(gè)電場(chǎng)可能是正點(diǎn)電荷形成的 B.D處的場(chǎng)強(qiáng)為零,因?yàn)槟抢餂]有電場(chǎng)線 C.點(diǎn)電荷q在A點(diǎn)所受的電場(chǎng)力比在B點(diǎn)所受電
10、場(chǎng)力小 D.負(fù)電荷在C點(diǎn)受到的電場(chǎng)力方向沿C點(diǎn)切線方向 答案 C 解析 正點(diǎn)電荷的電場(chǎng)線是從正電荷出發(fā)的直線,故A錯(cuò)誤;電場(chǎng)線是為了更形象描述電場(chǎng)而人為畫出的,沒有電場(chǎng)線的地方,電場(chǎng)強(qiáng)度不一定為零,故B錯(cuò)誤;由圖知B點(diǎn)處電場(chǎng)線比A點(diǎn)處電場(chǎng)線密集,故EB>EA,所以點(diǎn)電荷在A處所受的電場(chǎng)力小于在B處所受的電場(chǎng)力,故C正確;負(fù)電荷在C點(diǎn)所受電場(chǎng)力方向與C點(diǎn)切線方向相反,故D錯(cuò)誤。 4.(人教版選修3-1·P15·T6)用一條絕緣輕繩懸掛一個(gè)帶電小球,小球質(zhì)量為1.0×10-2 kg,所帶電荷量為+2.0×10-8 C?,F(xiàn)加一水平方向的勻強(qiáng)電場(chǎng),平衡時(shí)絕緣繩與鉛垂線成30°夾角(如圖所示)。
11、求這個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。 答案 2.9×106 N/C 解析 小球受到重力mg、靜電力F,輕繩拉力FT的作用處于平衡狀態(tài),它的受力情況如圖所示,則 ==tan30° E=tan30°=× N/C≈2.9×106 N/C。 考點(diǎn)細(xì)研 悟法培優(yōu) 考點(diǎn)1 庫(kù)侖力作用下的平衡問題 庫(kù)侖定律的表達(dá)式為F=k,其適用條件是真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間相互作用的靜電力。庫(kù)侖定律與平衡問題聯(lián)系比較密切,因此關(guān)于靜電力的平衡問題是高考的熱點(diǎn)內(nèi)容,題型以選擇題為主。對(duì)于這部分內(nèi)容,需要注意以下幾點(diǎn):一是明確庫(kù)侖定律的適用條件;二是知道完全相同的導(dǎo)體小球接觸時(shí)電荷量的分配規(guī)律;三是進(jìn)行受力分析,
12、靈活應(yīng)用平衡條件。 例1 (2014·浙江高考)(多選)如圖所示,水平地面上固定一個(gè)光滑絕緣斜面,斜面與水平面的夾角為θ。一根輕質(zhì)絕緣細(xì)線的一端固定在斜面頂端,另一端系有一個(gè)帶電小球A,細(xì)線與斜面平行。小球A的質(zhì)量為m、電量為q。小球A的右側(cè)固定放置帶等量同種電荷的小球B,兩球心的高度相同、間距為d。靜電力常量為k,重力加速度為g,兩帶電小球可視為點(diǎn)電荷。小球A靜止在斜面上,則( ) A.小球A與B之間庫(kù)侖力的大小為 B.當(dāng)=時(shí),細(xì)線上的拉力為0 C.當(dāng)=時(shí),細(xì)線上的拉力為0 D.當(dāng)=時(shí),斜面對(duì)小球A的支持力為0 解題探究 (1)小球A受力情況怎樣? 提示:如圖
13、所示,受豎直向下的重力、水平向左的庫(kù)侖力、垂直斜面向上的支持力,還可能受細(xì)線的拉力。 (2)當(dāng)拉力為0時(shí),A受3個(gè)力平衡,用哪種方法更方便? 提示:矢量三角形法。 嘗試解答 選AC。 由庫(kù)侖定律知A與B之間庫(kù)侖力大小為F=,A正確;如果細(xì)線上的拉力為0,則小球A所受重力mg、支持力FN、庫(kù)侖力F的合力為零,這三個(gè)力可構(gòu)成一個(gè)力的矢量三角形,如圖所示,由圖中幾何關(guān)系有F==mgtanθ,解得=,B錯(cuò)誤,C正確;斜面對(duì)小球A的支持力不可能為零,D錯(cuò)誤。 總結(jié)升華 求解帶電體平衡問題的方法 分析帶電體平衡問題的方法與力學(xué)中分析物體受力平衡問題的方法相同。 (1)當(dāng)兩個(gè)力在同一
14、直線上使帶電體處于平衡狀態(tài)時(shí),根據(jù)二力平衡的條件求解;
(2)在三個(gè)力作用下帶電體處于平衡狀態(tài)時(shí),一般運(yùn)用勾股定理、三角函數(shù)關(guān)系以及矢量三角形等知識(shí)求解;
(3)在三個(gè)以上的力作用下帶電體處于平衡狀態(tài)時(shí),一般用正交分解法求解。
[變式1-1] 如圖所示,兩條不等長(zhǎng)的細(xì)線一端拴在同一點(diǎn),另一端分別拴兩個(gè)帶同種電荷的小球,電荷量分別是q1、q2,質(zhì)量分別為m1、m2,當(dāng)兩小球處于同一水平面時(shí)恰好靜止,且α>β,則造成α、β不相等的原因是( )
A.m1
15、,根據(jù)平衡條件有tanα=,tanβ=,兩者之間庫(kù)侖力F大小相等,因α>β,所以m1 16、個(gè)點(diǎn)電荷分布在同一條直線上;“兩同夾異”——正、負(fù)電荷相互間隔;“兩大夾小”——中間電荷的電荷量最??;“近小遠(yuǎn)大”——中間電荷靠近電荷量較小的電荷。依據(jù)該規(guī)律知點(diǎn)電荷C應(yīng)在A左側(cè),帶負(fù)電。設(shè)在A左側(cè)距A為x處,由于處于平衡狀態(tài),所以k=,解得x=0.2 m,C正確。
考點(diǎn)2 電場(chǎng)強(qiáng)度的理解及計(jì)算
1.電場(chǎng)強(qiáng)度的性質(zhì)
2.電場(chǎng)強(qiáng)度三個(gè)表達(dá)式的比較
3.等量同號(hào)和異號(hào)點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度的比較
例2 圖所示,在水平向右、大小為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)中,在O點(diǎn)固定一電荷量為Q的正電荷,A、B、C、D為以O(shè)為圓心、半徑為r的同一圓周上的四點(diǎn),B、D連線與電場(chǎng)線平行,A、C連 17、線與電場(chǎng)線垂直。則( )
A.A點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為
B.B點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E-k
C.D點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小不可能為0
D.A、C兩點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度相同
解題探究 (1)電場(chǎng)強(qiáng)度是矢量,場(chǎng)強(qiáng)的疊加遵循什么定則?真空中靜止點(diǎn)電荷場(chǎng)強(qiáng)決定式是什么?
提示:平行四邊形定則,E=k。
(2)兩點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小相等就可以說場(chǎng)強(qiáng)相同嗎?
提示:兩點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)相同必須大小相等,方向相同。判斷兩點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)是否相同先看方向是否相同。
嘗試解答 選A。
+Q在A點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度沿OA方向,大小為k,所以A點(diǎn)的合電場(chǎng)強(qiáng)度大小為 ,A正確;同理,B點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E+k,B錯(cuò)誤;如果E=k,則D點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為0, 18、C錯(cuò)誤;A、C兩點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小相等,但方向不同,D錯(cuò)誤。
總結(jié)升華
分析電場(chǎng)疊加問題的一般步驟
電場(chǎng)強(qiáng)度是矢量,疊加時(shí)遵循平行四邊形定則。分析電場(chǎng)的疊加問題的一般步驟是:
(1)確定要分析計(jì)算的空間位置;
(2)分析該點(diǎn)有幾個(gè)分電場(chǎng),確定各個(gè)分電場(chǎng)在該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和方向;
(3)利用平行四邊形定則求出各分電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和。
[變式2-1] (2018·廣東六校聯(lián)考)真空中某一點(diǎn)電荷Q在自己周圍產(chǎn)生電場(chǎng),a、b分別是該電場(chǎng)中的兩點(diǎn),如圖,其中a點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為Ea,方向與a、b兩點(diǎn)連線成120°角;b點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為Eb,方向與a、b兩點(diǎn)連線成150°角,檢 19、驗(yàn)電荷q分別放在a點(diǎn)和b點(diǎn),則( )
A.點(diǎn)電荷Q是負(fù)電荷
B.a(chǎn)、b兩點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小之比為3∶1
C.檢驗(yàn)電荷在a、b兩點(diǎn)受到的電場(chǎng)力大小相等
D.a(chǎn)、b兩點(diǎn)可能處于同一等勢(shì)面上
答案 B
解析 將兩條電場(chǎng)線反向延長(zhǎng)后相交于一點(diǎn),即為點(diǎn)電荷Q的位置,設(shè)a、b兩點(diǎn)到Q的距離分別為ra和rb,由幾何知識(shí)得到,rb=ra,根據(jù)公式E=得,Ea=3Eb,故B正確;因?yàn)閎點(diǎn)距離點(diǎn)電荷Q遠(yuǎn),檢驗(yàn)電荷在a、b兩點(diǎn)受到的電場(chǎng)力大小不相等,a、b兩點(diǎn)不可能處于同一等勢(shì)面上,C、D錯(cuò)誤;由電場(chǎng)線方向及點(diǎn)電荷位置可知該點(diǎn)電荷為正電荷,A錯(cuò)誤。
[變式2-2] (人教版選修3-1·P15·T7 20、改編)如圖所示,在x軸上關(guān)于原點(diǎn)O對(duì)稱的兩點(diǎn)A、B分別固定放置點(diǎn)電荷+Q1和-Q2,x軸上的P點(diǎn)位于B點(diǎn)的右側(cè),且P點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度為零,則下列判斷正確的是( )
A.x軸上P點(diǎn)右側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度方向沿x軸正方向
B.Q1 21、,M點(diǎn)和P點(diǎn)關(guān)于O點(diǎn)對(duì)稱,P點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度為零,由點(diǎn)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度公式和場(chǎng)強(qiáng)疊加原理可知,M點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度一定不為零,D錯(cuò)誤。
考點(diǎn)3 電場(chǎng)線的應(yīng)用
1.判斷電場(chǎng)強(qiáng)度的方向——電場(chǎng)線上任意一點(diǎn)的切線方向即為該點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的方向。
2.判斷電場(chǎng)力的方向——正電荷的受力方向和電場(chǎng)線在該點(diǎn)切線方向相同,負(fù)電荷的受力方向和電場(chǎng)線在該點(diǎn)切線方向相反。
3.判斷電場(chǎng)強(qiáng)度的大小(定性)——同一電場(chǎng),電場(chǎng)線密處電場(chǎng)強(qiáng)度大,電場(chǎng)線疏處電場(chǎng)強(qiáng)度小。
4.判斷電勢(shì)的高低與電勢(shì)降低的快慢——沿電場(chǎng)線方向電勢(shì)逐漸降低,電場(chǎng)強(qiáng)度的方向是電勢(shì)降低最快的方向。
例3 電場(chǎng)的電場(chǎng)線分布如圖所示,下列說法正確的是( 22、 )
A.c點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大于b點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度
B.若將一試探電荷+q由a點(diǎn)釋放,它將沿電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)
C.b點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大于d點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度
D.a(chǎn)點(diǎn)和b點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度方向相同
解題探究 (1)在電場(chǎng)線分布圖中,用什么表示電場(chǎng)強(qiáng)度的大小?
提示:電場(chǎng)線的疏密程度。
(2)沿曲線運(yùn)動(dòng)的粒子合力沿什么方向?
提示:曲線的凹側(cè)。
嘗試解答 選C。
電場(chǎng)線的疏密表示了電場(chǎng)強(qiáng)度的大小,由題圖可知Eb>Ec,Eb>Ed,C正確,A錯(cuò)誤;由于電場(chǎng)線是曲線,由a點(diǎn)釋放的正電荷如果沿電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng),則合力沿軌跡切線,這是不可能的,B錯(cuò)誤;電場(chǎng)線的切線方向?yàn)樵擖c(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的方向,a點(diǎn)和b點(diǎn)的切線不同 23、向,D錯(cuò)誤。
總結(jié)升華
電場(chǎng)線的應(yīng)用
熟悉幾種典型的電場(chǎng)線分布有利于我們對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)做出迅速判斷,且可以進(jìn)一步了解電荷在電場(chǎng)中的受力和運(yùn)動(dòng)情況、電場(chǎng)力做功及伴隨的能量轉(zhuǎn)化情況。
[變式3] 在如圖所示的四種電場(chǎng)中,分別標(biāo)記有a、b兩點(diǎn)。其中a、b兩點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度大小相等、方向相反的是( )
A.甲圖中與點(diǎn)電荷等距的a、b兩點(diǎn)
B.乙圖中兩等量異種點(diǎn)電荷連線的中垂線上與連線等距的a、b兩點(diǎn)
C.丙圖中兩等量同種點(diǎn)電荷連線的中垂線上與連線等距的a、b兩點(diǎn)
D.丁圖中非勻強(qiáng)電場(chǎng)中的a、b兩點(diǎn)
答案 C
解析 甲圖中與點(diǎn)電荷等距的a、b兩點(diǎn),電場(chǎng)強(qiáng)度大小相同, 24、方向不相反,A錯(cuò)誤;對(duì)乙圖,根據(jù)電場(chǎng)線的疏密及對(duì)稱性可判斷,a、b兩點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小相等,方向相同,B錯(cuò)誤;丙圖中兩等量同種點(diǎn)電荷連線的中垂線上與連線等距的a、b兩點(diǎn),電場(chǎng)強(qiáng)度大小相同,方向相反,C正確;對(duì)丁圖,根據(jù)電場(chǎng)線的疏密可判斷,b點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大于a點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度,D錯(cuò)誤。
考點(diǎn)4 帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡判斷
1.沿軌跡的切線找出速度方向,依據(jù)粒子所受合力的方向指向軌跡的凹側(cè)來判斷電場(chǎng)力的方向,由此判斷電場(chǎng)的方向或粒子的電性。
2.由電場(chǎng)線的疏密情況判斷帶電粒子的受力大小及加速度大小。
3.由動(dòng)能定理判斷速度變化:如果帶電粒子在運(yùn)動(dòng)中僅受電場(chǎng)力作用,若電場(chǎng)力做正功,則粒子動(dòng)能增大;電場(chǎng) 25、力做負(fù)功,則動(dòng)能減小。電場(chǎng)力做正功還是負(fù)功依據(jù)力與速度的夾角是銳角還是鈍角來判斷。
例4 (多選)如圖所示,圖中實(shí)線是一簇未標(biāo)明方向的由點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)線,虛線是某帶電粒子通過該電場(chǎng)區(qū)域時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡,a、b是軌跡上的兩點(diǎn),若帶電粒子在運(yùn)動(dòng)過程中只受電場(chǎng)力作用,根據(jù)此圖可做出的正確判斷是( )
A.帶電粒子所帶電荷的正、負(fù)
B.帶電粒子在a、b兩點(diǎn)的受力方向
C.帶電粒子在a、b兩點(diǎn)的加速度何處較大
D.帶電粒子在a、b兩點(diǎn)的速度何處較大
解題探究 (1)如何判斷帶電粒子在a、b兩點(diǎn)的受力方向?
提示:沿電場(chǎng)線且指向軌跡凹側(cè)。
(2)帶電粒子在a、b兩點(diǎn)的加速度 26、大小如何判斷?
提示:依據(jù)電場(chǎng)線疏密判斷電場(chǎng)力大小,就可以判斷加速度大小。
嘗試解答 選BCD。
根據(jù)軌跡彎曲方向只能判斷出電場(chǎng)力方向,由于不知電場(chǎng)線方向,故無法判斷帶電粒子電性,A錯(cuò)誤,B正確;根據(jù)電場(chǎng)線疏密知Ea>Eb,F(xiàn)a>Fb,a點(diǎn)加速度大于b點(diǎn)加速度,C正確;若從a到b,電場(chǎng)力做負(fù)功,若從b到a,電場(chǎng)力做正功,均可得出粒子在a點(diǎn)的速度大,D正確。
總結(jié)升華
電場(chǎng)線與帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系
一般情況下帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)與電場(chǎng)線重合,只有同時(shí)滿足以下三個(gè)條件時(shí),兩者才會(huì)重合:
(1)電場(chǎng)線為直線;
(2)電荷初速度為零或速度方向與電場(chǎng)線平行;
(3)電荷僅受 27、電場(chǎng)力或所受其他力合力的方向始終與電場(chǎng)力方向相同或相反。
[變式4] 實(shí)線為三條未知方向的電場(chǎng)線,從電場(chǎng)中的M點(diǎn)以相同的速度飛出a、b兩個(gè)帶電粒子,a、b的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖中的虛線所示(a、b只受靜電力作用),則( )
A.a(chǎn)一定帶正電,b一定帶負(fù)電
B.靜電力對(duì)a做正功,對(duì)b做負(fù)功
C.a(chǎn)的速度將減小,b的速度將增大
D.a(chǎn)的加速度將減小,b的加速度將增大
答案 D
解析 a、b兩個(gè)帶電粒子在M點(diǎn)以相同速度飛出,受電場(chǎng)力方向相反,但不知電場(chǎng)線方向,無法判斷哪個(gè)粒子帶正電,哪個(gè)粒子帶負(fù)電,A錯(cuò)誤;電場(chǎng)力方向與速度方向夾角都小于90°,電場(chǎng)力對(duì)a、b均做正功,速度都將 28、增大,B、C錯(cuò)誤;a向電場(chǎng)線稀疏處運(yùn)動(dòng),b向電場(chǎng)線密集處運(yùn)動(dòng),故a的加速度減小,b的加速度增大,D正確。
考點(diǎn)5 帶電體的力電綜合問題
解決力電綜合問題的一般思路
例5 (2018·衡水六調(diào))(多選)細(xì)繩兩端分別系有帶正電的甲、乙兩小球,它們靜止在光滑絕緣水平面上,電荷量分別為q1和q2,質(zhì)量分別為m1和m2。燒斷細(xì)繩后兩球向相反方向運(yùn)動(dòng),下列說法正確的是( )
A.運(yùn)動(dòng)的同一時(shí)刻,甲、乙兩球受到的電場(chǎng)力大小之比為q2∶q1
B.運(yùn)動(dòng)的同一時(shí)刻,甲、乙兩球動(dòng)能之比為m2∶m1
C.在相同的運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi),甲、乙兩球受到的電場(chǎng)力的沖量大小之比為1∶1
D.在相同的運(yùn)動(dòng) 29、時(shí)間內(nèi),甲、乙兩球受到的合力做功大小之比為1∶1
解題探究 (1)當(dāng)燒斷細(xì)繩后兩球在什么力作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)?
提示:甲、乙之間的庫(kù)侖斥力。
(2)甲、乙兩球組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒嗎?
提示:守恒。
嘗試解答 選BC。
根據(jù)庫(kù)侖定律可知,在同一時(shí)刻,甲、乙兩球受到的電場(chǎng)力大小相等,A錯(cuò)誤;燒斷細(xì)繩后兩球在庫(kù)侖力作用下向相反方向運(yùn)動(dòng),滿足動(dòng)量守恒定律,根據(jù)動(dòng)量守恒定律,運(yùn)動(dòng)的同一時(shí)刻,甲、乙兩球動(dòng)量大小之比為m1v1∶m2v2=1∶1,根據(jù)動(dòng)能與動(dòng)量的關(guān)系式,Ek=mv2=,所以運(yùn)動(dòng)的同一時(shí)刻,甲、乙兩球動(dòng)能之比為Ek1∶Ek2=m2∶m1,B正確;由于兩帶電小球動(dòng)量變化量大小相等,根 30、據(jù)動(dòng)量定理,合外力的沖量大小等于動(dòng)量的變化量,在相同的運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi),甲、乙兩球受到的電場(chǎng)力的沖量大小之比為1∶1,C正確;由于同一時(shí)刻,甲、乙兩球動(dòng)能之比為Ek1∶Ek2=m2∶m1,根據(jù)動(dòng)能定理,在相同的運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi),甲、乙兩球受到的合力做功大小之比為m2∶m1,D錯(cuò)誤。
總結(jié)升華
處理力電綜合問題的兩點(diǎn)注意
(1)受力分析是關(guān)鍵,畫出受力分析圖,找準(zhǔn)力與力之間的關(guān)系,并由此推斷物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);或由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)推出受力情況。
(2)根據(jù)題目的所求問題靈活選用物理規(guī)律
①與時(shí)間、加速度有關(guān)的首先選用牛頓運(yùn)動(dòng)定律。
②僅與t有關(guān)的可選動(dòng)量定理。
③與時(shí)間、加速度無關(guān)的首先選用動(dòng)能定理或能量 31、守恒定律,其次考慮動(dòng)量守恒定律。
[變式5-1] 如圖所示,水平地面上固定一個(gè)光滑絕緣斜面(傾角為θ),一根輕質(zhì)絕緣細(xì)線的一端固定在斜面頂端,另一端系有一個(gè)帶電小球A,細(xì)線與斜面平行,小球A靜止在斜面上,其右側(cè)有一個(gè)與A帶等量同號(hào)電荷的小球B,開始兩球心在同一水平線上,細(xì)線剛好伸直,兩帶電小球可視為點(diǎn)電荷,現(xiàn)用絕緣手柄將小球B沿以A為圓心的圓周從B點(diǎn)緩慢移到C點(diǎn),AC豎直,此過程中A始終靜止不動(dòng),則( )
A.細(xì)線對(duì)A的拉力逐漸增大,斜面對(duì)A的彈力逐漸減小
B.細(xì)線對(duì)A的拉力逐漸增大,斜面對(duì)A的彈力先增大后減小
C.細(xì)線對(duì)A的拉力先增大后減小,斜面對(duì)A的彈力逐漸增大
32、
D.細(xì)線對(duì)A的拉力、斜面對(duì)A的彈力均先增大后減小
答案 B
解析 小球A受重力G、斜面的彈力N、細(xì)線的拉力T及球B的庫(kù)侖斥力F的作用而處于平衡狀態(tài),如圖所示,在移動(dòng)小球B的過程中,球A受球B的庫(kù)侖力大小不變,且圖中θ≤α≤θ+,由圖知N=Gcosθ+Fsinα,Gsinθ=Fcosα+T,所以斜面的彈力N先增大后減小,細(xì)線拉力T=Gsinθ-Fcosα一直在增大,B正確。
[變式5-2] (2018·邯鄲一模)(多選)如圖,絕緣水平面上方存在著水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)。質(zhì)量為m、電荷量為+q的輕質(zhì)小滑塊從t=0時(shí)刻起由靜止開始沿水平面運(yùn)動(dòng)。小滑塊同時(shí)還受到豎直向下的壓力F,力F隨時(shí)間t的 33、變化關(guān)系為F=kt,式中k為常數(shù)。小滑塊與水平面的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ。水平面足夠大,小滑塊的重力可忽略不計(jì)。則小滑塊( )
A.所受摩擦力的最大值為2qE
B.加速度的最大值為
C.速度的最大值為
D.最終以的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)
答案 AB
解析 小滑塊的重力忽略不計(jì),由牛頓第二定律得Eq-μkt=ma1,隨t增大,小滑塊先做加速度越來越小的加速運(yùn)動(dòng),當(dāng)t>時(shí),加速度反向,μkt-Eq=ma2,小滑塊做加速度越來越大的減速運(yùn)動(dòng),整個(gè)過程a隨t變化圖象如圖。由對(duì)稱性可知t=時(shí),速度v=0,此時(shí)有最大摩擦力f=μkt=2qE,故A正確;加速度a的最大值出現(xiàn)在t=0時(shí)和t=時(shí),均為 34、,故B正確;當(dāng)Eq=μkt時(shí),即加速度a=0時(shí),速度最大,由a-t圖線與t坐標(biāo)軸在0~段所圍成的面積得vm=,故C錯(cuò)誤;滑塊最終靜止,故D錯(cuò)誤。
1.方法概述
場(chǎng)強(qiáng)有三個(gè)公式:E=、E=k、E=,在一般情況下可由上述公式計(jì)算場(chǎng)強(qiáng),但在求解帶電圓環(huán)、帶電平面等一些特殊帶電體產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)時(shí),上述公式無法直接應(yīng)用。這時(shí),如果轉(zhuǎn)換思維角度,靈活運(yùn)用補(bǔ)償法、微元法、對(duì)稱法、等效法、極限法等巧妙方法,可以化難為易。
2.常見類型與解題思路
方法一:補(bǔ)償法
將有缺口的帶電圓環(huán)補(bǔ)全為圓環(huán),或?qū)肭蛎嫜a(bǔ)全為球面分析,再減去補(bǔ)償?shù)牟糠之a(chǎn)生的影響。
【典題例證1】
均勻帶電的球殼在球外空間產(chǎn)生的 35、電場(chǎng)等效于電荷集中于球心處產(chǎn)生的電場(chǎng)。如圖所示,在半球面AB上均勻分布正電荷,總電荷量為q,球面半徑為R,CD為通過半球面頂點(diǎn)與球心O的軸線,在軸線上有M、N兩點(diǎn),OM=ON=2R。已知M點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小為E,則N點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小為( )
A.-E B.
C.-E D.+E
[解析] 左半球面AB上的正電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)等效為帶正電荷為2q的整個(gè)球面的電場(chǎng)和帶電荷量為-q的右半球面的電場(chǎng)的合電場(chǎng),則E=-E′,E′為帶電荷量為-q的右半球面在M點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)大小。由對(duì)稱性知,帶電荷量為-q的右半球面在M點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小與帶正電荷為q的左半球面AB在N點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小相等,則EN=E′=-E=-E,則 36、A正確。
[答案] A
名師點(diǎn)睛 當(dāng)所給帶電體不是一個(gè)完整的規(guī)則物體時(shí),將該帶電體割去或增加一部分,組成一個(gè)規(guī)則的整體,從而求出規(guī)則物體的電場(chǎng)強(qiáng)度,再通過電場(chǎng)強(qiáng)度的疊加求出待求不規(guī)則物體的電場(chǎng)強(qiáng)度。應(yīng)用此法的關(guān)鍵是“割”“補(bǔ)”后的帶電體應(yīng)當(dāng)是我們熟悉的某一物理模型。
方法二:對(duì)稱法
利用空間上對(duì)稱分布的電荷形成的電場(chǎng)具有對(duì)稱性的特點(diǎn),使復(fù)雜電場(chǎng)的疊加計(jì)算問題大為簡(jiǎn)化。
【典題例證2】
如圖所示,一半徑為R的圓盤上均勻分布著電荷量為Q的電荷,在垂直于圓盤且過圓心c的軸線上有a、b、d三個(gè)點(diǎn),a和b、b和c、c和d間的距離均為R,在a點(diǎn)處有一電荷量為q(q>0)的固定點(diǎn)電荷。已知b點(diǎn) 37、處的場(chǎng)強(qiáng)為零,則d點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)的大小為(k為靜電力常量)( )
A.k B.k C.k D.k
[解析] 由b點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)為零知,圓盤在b點(diǎn)處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)E1與q在b點(diǎn)處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)E2大小相等,即E1=E2=k,由對(duì)稱性可知,圓盤在d點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)E3=k,q在d點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)E4=k,方向與E3相同,故d點(diǎn)的合場(chǎng)強(qiáng)Ed=E3+E4=k,B正確,A、C、D錯(cuò)誤。
[答案] B
名師點(diǎn)睛 形狀規(guī)則的帶電體形成的電場(chǎng)具有對(duì)稱性,位置對(duì)稱的兩點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度大小相等。如果能夠求出其中一點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度,根據(jù)對(duì)稱性特點(diǎn),另一點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度即可求出。
方法三:微元法
將帶電體分成許多電荷元,每個(gè) 38、電荷元可看成點(diǎn)電荷,先根據(jù)庫(kù)侖定律求出每個(gè)電荷元的場(chǎng)強(qiáng);再結(jié)合對(duì)稱性和場(chǎng)強(qiáng)疊加原理求出合場(chǎng)強(qiáng)。
求解均勻帶電圓環(huán)、帶電平面、帶電直桿等在某點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)問題,可應(yīng)用微元法。
【典題例證3】
如圖所示,均勻帶電圓環(huán)所帶電荷量為Q,半徑為R,圓心為O,P為垂直于圓環(huán)平面過圓心O的軸線上的一點(diǎn),OP=L,試求 P點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。
[解析] 如圖所示,設(shè)想將圓環(huán)等分為n個(gè)小段,當(dāng)n相當(dāng)大時(shí),每一小段都可以看成點(diǎn)電荷,其所帶電荷量為q=,由點(diǎn)電荷場(chǎng)強(qiáng)公式可求得每一點(diǎn)電荷在P處的場(chǎng)強(qiáng)為E==。
由對(duì)稱性可知,各點(diǎn)電荷在P處的場(chǎng)強(qiáng)E的垂直于軸向的分量Ey相互抵消,而E的軸向分量Ex之和即為帶電環(huán)在 39、P處的場(chǎng)強(qiáng)EP。
EP=nEx=nkcosθ=·=。
[答案]
名師點(diǎn)睛 微元法是從部分到整體的思維方法,把帶電體看成由無數(shù)個(gè)點(diǎn)構(gòu)成。然后根據(jù)對(duì)稱性,利用平行四邊形定則進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度疊加。利用微元法可以使一些復(fù)雜的物理過程用我們熟悉的物理規(guī)律解決,使所求的問題簡(jiǎn)單化。
方法四:等效法
在保證效果相同的條件下,將復(fù)雜的電場(chǎng)情景變換為簡(jiǎn)單的或熟悉的電場(chǎng)情景。
【典題例證4】
(多選)如圖所示,在真空中某豎直平面內(nèi)固定一足夠大的接地金屬板MN,在MN右側(cè)與其相距2d處的P點(diǎn)放置一電荷量為Q的正點(diǎn)電荷,如果從P點(diǎn)作MN的垂線,則O為垂足,A為O、P連線的中點(diǎn),B為OP延長(zhǎng)線上的一點(diǎn),P 40、B=d。靜電力常量為k,關(guān)于各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度,下列說法正確的是( )
A.O點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小為k
B.A點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小為k
C.B點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小為k
D.A、B兩點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小相等,方向相反
[解析] 系統(tǒng)達(dá)到平衡后,因?yàn)榻拥亟饘侔咫妱?shì)為零,所以電場(chǎng)線分布如圖所示,所以金屬板右側(cè)的電場(chǎng)的電場(chǎng)線分布與等量異號(hào)點(diǎn)電荷連線的中垂線右側(cè)的電場(chǎng)線分布相同,所以O(shè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小為EO=k+k=k,A正確;A點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小為EA=k+k=k,B錯(cuò)誤;B點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小為EB=k-k=k,C正確;由上述分析可知D錯(cuò)誤。
[答案] AC
名師點(diǎn)睛 等效法的實(shí)質(zhì)是在效果相同的情況下,利用與問題中相似或效果相同的知識(shí)進(jìn)行知 41、識(shí)遷移的解題方法,往往是用較簡(jiǎn)單的因素代替較復(fù)雜的因素。
方法五:極限法
對(duì)于某些特殊情況下求解有關(guān)場(chǎng)強(qiáng)問題,有時(shí)無法用有關(guān)公式、規(guī)律得出結(jié)論,可考慮應(yīng)用極限法。
極限法是把某個(gè)物理量的變化推向極端再進(jìn)行推理分析,從而做出科學(xué)的判斷或?qū)С鲆话憬Y(jié)論。極限法一般適用于所涉及的物理量隨條件單調(diào)變化的情況。
【典題例證5】
物理學(xué)中有些問題的結(jié)論不一定必須通過計(jì)算才能驗(yàn)證,有時(shí)只需通過一定的分析就可以判斷結(jié)論是否正確。如圖所示為兩個(gè)彼此平行且共軸的半徑分別為R1和R2的圓環(huán),兩圓環(huán)上的電荷量均為q(q>0),而且電荷均勻分布。兩圓環(huán)的圓心O1和O2相距為2a,連線的中點(diǎn)為O,軸線上的A點(diǎn)在O
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