2024届高考物理一轮复习专题七电场第3讲电容、带电粒子在电场中的运动课件

这是一份2024届高考物理一轮复习专题七电场第3讲电容、带电粒子在电场中的运动课件，共60页。PPT课件主要包含了绝对值，异种电荷，电场能，正对面积，两极板间的距离，电荷量，匀变速曲线，相互垂直，平抛运动，匀速直线等内容，欢迎下载使用。

一、电容器、电容1.电容器.(1)组成：由两个彼此________又相互________的平行板导体组成. (2)电荷量：一个极板所带电荷量的________. (3)电容器的充、放电充电：使电容器带电的过程，充电后电容器两极板带上等量的__________，电容器中储存________. 放电：使充电后的电容器失去电荷的过程，放电过程中________转化为其他形式的能. 
2.电容.(1)定义式：________. (2)单位：法拉(F)，1 F＝106 μF＝1012 pF.
二、带电粒子在电场中的运动1.带电粒子在电场中的加速.(1)处理方法：利用动能定理qU＝______________. (2)适用范围：任何电场.
2.带电粒子在电场中的偏转.(1)条件分析：带电粒子垂直于电场线方向进入匀强电场.(2)运动性质：_____________运动. (3)处理方法：分解成__________的两个分运动，类似于__________. 
(1)电容器充电过程：Q、U、E均增大；放电过程反之.(2)两个重要的结论：①粒子飞出偏转电场时“速度的反向延长线，通过垂直电场方向的位移的中点”.②不同带电粒子从同一电场加速再进入同一偏转电场，所有粒子都从同一点射出，荧光屏上只有一个亮斑.
1.[电容器的应用]“超级电容器”由于电极中加入了表面积非常大的石墨烯，所以具备超大的容量，适合作为动力电池的助力动力源.相对于普通电容器，“超级电容器”的特点有(　　)A.极板电荷量较大B.极板间电场强度较大C.单位电压容纳的电荷量较大D.带相同电荷量时电压较大【答案】C　
【解析】由于超级电容器具备超大的容量，即单位电压容纳的电荷量较大，也就是电容C较大，故带相同电荷量时电压较小，C正确，D错误；电容器的容纳能力较大，并不代表实际使用中极板电荷量较大、场强较大，也有可能极板电荷量很小，场强很小，A、B错误.
2.[电容器的分析]如图所示的装置，可以探究影响平行板电容器电容大小的因素，下列关于操作及出现的现象，描述正确的是(　　) A.电容器与电源保持连接，左移电容器左极板，则静电计指针偏转角增大B.电容器充电后与电源断开，上移电容器左极板，则静电计指针偏转角增大C.电容器充电后与电源断开，在电容器两极板间插入玻璃板，则静电计指针偏转角增大D.电容器充电后与电源断开，在电容器两极板间插入金属板，则静电计指针偏转角增大【答案】B　
2.平行板电容器动态分析
例1　(2022年汕头模拟)(多选)某兴趣小组利用图示器材探究平行板电容器，保持正对面积S不变，缓慢增大两极板间距离d，描绘出电容器两端电压U、电容C、极板带电量Q、板间电场强度E与d的关系图像，以下描述可能正确的是(　　)
1.水平放置的平行板电容器与一电池相连，在电容器的两板间有一带正电的微粒处于静止平衡状态，现将电容器两板间的距离增大，则(　　)A.电容变大，微粒向上运动B.电容变大，微粒向下运动C.电容变小，微粒保持静止D.电容变小，微粒向下运动【答案】D　
2.如图所示，水平放置的平行板电容器充电后与电源断开，上极板带正电，下极板接地，一带电油滴静止于P点.现将平行板电容器的下极板竖直向下移动一小段距离，则油滴(　　)A.仍保持静止，电势能不变B.仍保持静止，电势能减小C.将向下运动，电势能增大D.将向下运动，电势能减小【答案】B　
考点2　带电粒子在电场中做直线运动　[能力考点]1.带电粒子在电场中运动时重力的处理方法
2.带电体在匀强电场中做直线运动的分析方法(1)做直线运动的条件.①粒子所受合外力F合＝0，粒子静止或做匀速直线运动.②粒子所受合外力F合≠0，但与初速度方向在同一条直线上，带电粒子将做匀加速直线运动或匀减速直线运动.
1.(2022年衡阳模拟)人体的细胞膜模型如图甲所示，由磷脂双分子层组成，双分子层之间存在电压(医学上称为膜电位)，现研究某小块均匀的细胞膜，厚度为d，膜内的电场可看作匀强电场，简化模型如图乙所示，初速度可视为零的一价正钠离子仅在电场力的作用下，从图中的A点运动到B点，下列说法正确的是(　　) A.A点电势等于B点电势B.钠离子的电势能增大C.若膜电位不变，钠离子进入细胞内的速度越大D.若膜电位增加，钠离子进入细胞内的速度更大【答案】D　
2.(2022年广东模拟)电场分选是在高压电场中利用入选物料的电性差异进行分选的方法.如图所示，从漏斗漏出的混合物料经起电区(未画出)起电(带正电或负电)后沿电场中线由静止进入高压电场，已知物料全部落入M、N槽中且打不到极板，不计空气阻力和物料间的相互作用力，则起电后的物料经过高压电场区域时(　　)A.所用时间一定不同B.机械能一定增大C.一定做曲线运动D.电势能可能增大【答案】B　
1.(2022年湖北卷)(多选)如图所示，一带电粒子以初速度v0沿x轴正方向从坐标原点O射入，并经过点P(a＞0，b＞0).若上述过程仅由方向平行于y轴的匀强电场实现，粒子从O到P运动的时间为t1，到达P点的动能为Ek1.若上述过程仅由方向垂直于纸面的匀强磁场实现，粒子从O到P运动的时间为t2，到达P点的动能为Ek2.下列关系式正确的是(　　)A.t1＜t2B.t1＞t2C.Ek1＜Ek2D.Ek1＞Ek2【答案】AD　
考点4　示波器原理　[能力考点]　　示波管是由电子枪、竖直偏转电极YY'、水平偏转电极XX'和荧光屏组成的，电子枪发射的电子打在荧光屏上将出现亮点.若亮点很快移动，由于视觉暂留效应，能在荧光屏上看到一条亮线.
1.如图所示，如果只在偏转电极YY'上加上如图甲所示Uy＝Umsin ωt的电压，荧光屏上亮点的偏移也将按正弦规律变化，即y'＝ymsin ωt，并且在荧光屏上观察到的亮线的形状为图A(设偏转电压频率较高).
2.如果只在偏转电极XX'上加上如图乙所示的电压，在荧光屏上观察到的亮线的形状为图B(设偏转电压频率较高).
3.如果在偏转电极YY'上加上图甲所示的电压，同时在偏转电极XX'上加上图乙所示的电压，在荧光屏上观察到的亮线的形状为图C(设偏转电压频率较高).
1.喷墨打印机的结构原理如图所示，其中墨盒可以发出半径为1×10－5 m的墨汁微粒.此微粒经过带电室时被带上负电，带电的多少由计算机按字体笔画高低位置输入信号加以控制.带电后的微粒以一定的初速度进入偏转电场，经过偏转电场发生偏转后，打到纸上，显示出字体.无信号输入时，墨汁微粒不带电，沿直线通过偏转电场而注入回流槽流回墨盒.设偏转极板长L1＝1.6 cm，两板间的距离d＝0.5 cm，偏转板的右端到纸的距离L2＝2.4 cm.若一个墨汁微粒的质量为1.6×10－10 kg，所带电荷量为1.25×10－12 C，以20 m/s的初速度垂直于电场方向进入偏转电场，打到纸上的点距原射入方向的距离是1.0 mm(不计空气阻力和墨汁微粒的重力，可以认为偏转电场只局限在平行板电容器内部，忽略边缘电场的不均匀性)(　　)
A.墨汁从进入偏转电场到打在纸上，做类平抛运动B.两偏转板间的电压是2.0×103 VC.两偏转板间的电压是5.0×102 VD.为了使纸上的字体放大10%，可以把偏转电压降低10%【答案】C　
2.如图所示为示波管构造的示意图，现在XX'间加上如图甲Uxx'－t信号电压，YY'间加上如图乙Uyy'－t信号电压，则在屏幕上看到的图形是(　　)
【解析】沿电场方向带电粒子做加速运动，在垂直电场方向带电粒子做匀速直线运动，粒子经过竖直的YY'(信号电压)电场偏转，再经过水平的XX'(扫描电压)电场偏转，最后在显示屏上形成稳定的图像.在甲图中开始UXX'＜0，乙图中开始UYY'＝0之后大于0，由此排除B、C两项.0～T在x方向电子恰好从－x处到屏中央，在y方向完成一次扫描，T～2T水平方向电子从中央向x正向移动，在y方向再完成一次扫描.所以D正确.
考点5　带电体在复合场中的运动　[能力考点]1.题型概述对于复合场中的力学问题，可以根据力的独立作用原理分别研究每种场力对物体的作用效果，也可以同时研究几种场力共同作用的效果，将复合场等效为一个简单场，然后与重力场中的力学问题进行类比，利用力学的规律和方法进行分析与解答.
2.在电场方向水平向右的匀强电场中，一带电小球从A点竖直向上抛出，其运动的轨迹如图所示.小球运动的轨迹上A、B两点在同一水平线上，M为轨迹的最高点.小球抛出时的动能为8.0 J，在M点的动能为6.0 J，不计空气的阻力.求：(1)小球水平位移x1与x2的比值；(2)小球落到B点时的动能EkB；(3)小球从A点运动到B点的过程中最小动能Ekmin.
解：(1)如图所示，带电小球在水平方向上受电场力的作用做初速度为零的匀加速运动，竖直方向上只受重力作用做竖直上抛运动，故从A点到M点和M点到B点的时间相等，由初速度为0的匀变速直线运动规律得x1∶x2＝1∶3.
[规律延伸]　利用功能观点解决带电体在复合场中的运动问题时，首先对带电体受力分析，再分析运动形式，然后根据具体情况选用相应公式计算.(1)若选用动能定理，则要分清有多少个力做功，是恒力做功还是变力做功，同时要明确初、末状态及运动过程中动能的增量.(2)若选用能量守恒定律，则要分清带电体在运动中共有多少种能量参与转化，哪些能量是增加的，哪些能量是减少的.
小实验*　观察电容器的充电、放电现象　　　1.实验操作(1)调节直流可调电源，输出为6 V，并用多用电表校准.(2)关闭电源开关，正确连接实物图，电路图如图.
(3)打开电源，把双掷开关S打到上面，使触点1和触点2连通，观察电容器的充电现象.(4)把双掷开关S打到下面，使触点3和触点2连通，观察电容器的放电现象.(5)记录好实验结果，关闭电源.
1.(2022年深圳调研)利用图甲所示电路研究电容器充放电过程，开关接1端后，电流计G记录电流随时间变化图像如图乙所示.则电容器电容C、极板电荷量Q、上极板电势φ、两端电压U随时间t变化的规律正确的是(　　)
A B C D
【解析】电容器的电容值取决于其内部性质，不会因为充电而发生变化，所以电容C不变，A错误；开关接1端后，电容器与电源相连，开始充电，电容器上电量Q、两端电压U都会随时间增大，B正确，D错误；电容器下极板接地，所以上极板的电势φ在数值上等于电容器两端电压，随时间增大，C错误.
2.如图甲所示是一种测量电容器电容的实验电路图，实验是通过对高阻值电阻放电的方法，测出电容器充电至电压U时所带电荷量Q，从而求出待测电容器的电容C.某同学在一次实验时的情况如下：
A.按如图甲所示的电路图接好电路；B.接通开关S，调节电阻箱R的阻值，使电流表的指针偏转接近满刻度，记下此时电流表的示数是I0＝490 μA，电压表的示数U0＝8.0 V；C.断开开关S，同时开始计时，每隔5 s测读一次电流i的值，将测得数据填入表格，并标示在图乙的坐标纸上(时间t为横坐标，电流i为纵坐标)，如图乙中小黑点所示.
(1)在图乙中画出i－t图线.(2)图乙中图线与坐标轴所围成面积的物理意义是____________________________________. (3)该电容器电容为___________F(结果保留2位有效数字). (4)若某同学实验时把电压表接在E、D两端，则电容的测量值比它的真实值________(填“偏大”“偏小”或“相等”). 
在开始放电时电容器所带的电荷量
带电粒子在各种场中的运动1.带电粒子在交变电场中的运动(1)电压的大小不变、方向做周期性变化(如方波)的情形.①当粒子平行于电场方向射入时，粒子做直线运动，其初速度和受力情况决定了粒子的运动情况，粒子可以做周期性的直线运动.②当粒子垂直于电场方向射入时，沿初速度方向的分运动为匀速直线运动，沿电场方向的分运动具有周期性.
(2)锯齿波和正弦波等电压产生的交变电场，若粒子穿过板间的时间极短，带电粒子穿过电场时可认为是在匀强电场中运动.(3)图像法解交变电场运动问题：根据电场变化的特点，利用牛顿第二定律转换成运动学图像判断运动特点.再根据电场的变化情况，分段求解带电粒子运动的末速度、位移等.
例5　(多选)如图甲所示，A、B表示真空中水平放置的相距为d的平行金属板，板长为L，两板加电压后板间的电场可视为匀强电场.现在A、B两板间加上如图乙所示的周期性的交变电压，在t＝0时恰有一质量为m、电荷量为q的粒子在板间中央沿水平方向以速度v0射入电场，忽略粒子的重力，则下列关于粒子运动情况的表述中正确的是(　　) A.粒子在垂直于板的方向上的分运动可能是往复运动B.粒子在垂直于板的方向上的分运动是单向运动C.只要周期T和电压U0的值满足一定条件，粒子就可沿与板平行的方向飞出D.粒子不可能沿与板平行的方向飞出
【解析】如果板间距离足够大，粒子在垂直于板的方向上的分运动在前半个周期做匀加速，后半个周期做匀减速，如此循环，向同一方向运动，如果周期T和电压U0的值满足一定条件，粒子就可在到达极板之前飞出极板，当飞出时垂直于极板的速度恰好为零时，将沿与板平行的方向飞出.故B、C正确.
2.带电粒子在电场和重力场中做匀变速曲线运动的解法若带电粒子在电场中做匀变速直线或曲线运动时，一般利用运动的独立性、等效性，分解为两个简单的直线运动，再用力和运动的规律来求解相关问题.
例6　(2022年全国卷)(多选)地面上方某区域存在方向水平向右的匀强电场，将一带正电荷的小球自电场中Р点水平向左射出.小球所受的重力和电场力的大小相等，重力势能和电势能的零点均取在Р点.则射出后，(　　)A.小球的动能最小时，其电势能最大B.小球的动能等于初始动能时，其电势能最大C.小球速度的水平分量和竖直分量大小相等时，其动能最大D.从射出时刻到小球速度的水平分量为零时，重力做的功等于小球电势能的增加量【答案】BD　
变式2　如图所示，水平绝缘光滑轨道AB与处于竖直平面内的圆弧形绝缘光滑轨道BCD平滑连接，圆弧形轨道的半径R＝0.30 m.轨道所在空间存在水平向右的匀强电场，电场强度E＝1.0×107 N/C.现有一电荷量q＝－4.0×10－7 C，质量m＝0.30 kg的带电体(可视为质点)，在水平轨道上的P点以一水平初速度v0向右运动，若带电体恰好可以沿圆弧轨道运动到D点，并在离开D点后，落回到水平面上的P点，已知OD与OC的夹角θ＝37°，g取10 m/s2，求：(1)P、B两点间的距离x；(2)带电体经过C点时对轨道的压力；(3)小球的初速度v0的值.