2024届高考物理一轮总复习第八章静电场第2节电场能的性质课件
展开一、电场力做功与电势能
(1)特点:电场力做功与电荷移动的______无关,只取决于初、末位置的电势差和被移动电荷的电荷量.(2)表达式:WAB=(φA-φB)·q=________.
2.电势能.(1)定义:电荷在电场中具有的势能,等于把它从该点移动到____________位置时静电力所做的功.(2)矢标性:电势能是________,但有正负之分,负值表明比零电势能低,正值表示比零电势能高.
二、电势、电势差、等势面
(1)定义:电荷在电场中某一点的电势能与它的________的比
值,叫做这一点的电势.
(2)定义式:____________.(3)矢标性:电势是________,其大小有正负之分,其正(负)表示该点电势比零电势高(低).(4)相对性:电势具有相对性,同一点的电势因__________选
(1)定义:电场中两点间________的差值称为这两点的电势差.
(2)表达式:UAB=____________=
(3)影响因素:电势差 UAB 与电场力做功 WAB 无关,与电场所带电荷量 q 无关,它由________________决定,与初、末位置有关,与零势点的选取无关.(4)与场强的关系:U=_______.(适用条件:匀强电场,其中
d 为沿电场线方向的距离)
(1)定义:电场中________相同的各点构成的面.
①等势面一定与________垂直,即跟电场强度的方向垂直.②在同一等势面上移动电荷时电场力________做功.③电场线总是从电势高的等势面指向________的等势面.④在空间中两等势面______相交.⑤等差等势面越密的地方电场强度______,越疏的地方电场强度越小.
【基础自测】1.判断下列题目的正误.
(1)电场中电场强度为零的地方电势一定为零.(
(2)沿电场线方向电场强度越来越小,电势逐渐降低.(
(3)A、B 两点间的电势差等于将正电荷从 A 点移到 B 点时静
(4)A、B 两点的电势差是恒定的,所以 UAB=UBA.((5)电场中电势降低的方向,就是电场强度的方向.(
答案:(1)× (2)× (3)× (4)×
2.(2022 年广东潮州二模)某电场区域的电场线分布如图 8-2-1,
在电场中有 A、B、C、D 四个点,下面说法正确的是(图 8-2-1
A.EA>EBC.φA<φB
B.EC>EDD.φC<φD
解析:根据电场线的疏密程度可得 EA<EB,EC>ED,A 错误,B 正确.沿电场线方向电势逐渐降低,所以φA>φB,φC>φD,C、D错误.
3.如图 8-2-2,在直角坐标系 xOy 平面内,O(0,0)、P(a,0)两点各放置一点电荷,其中 P 点的电荷量为-q,Q(0,a)点电场强
度沿 x 轴正方向,则下列判断正确的是(A.O 点电荷带负电,且电荷量为 qB.O 点电荷带正电,且电荷量为
C.在 x 轴上 P 点右侧某点电场强度为零
D.从 P 点沿 x 轴正方向电势越来越高答案:D
4.如图 8-2-3,虚线表示真空中一固定点电荷 Q 的电场中的两个等势面,实线表示一个负点电荷(不计重力)的运动轨迹,下列说
A.Q的电场中,A、C两点的电场强度相同B.Q的电场中,A、B、C三点的电势高低关系为φA=φC<φBC.负点电荷在A、B、C三点的加速度大小关系为aA=aC
热点 1 电势高低及电势能大小的判断[热点归纳]
2.电势能大小的判断.
【典题 1】(2022 年河北卷)如图 8-2-4,真空中电荷量为 2q 和-q(q>0)的两个点电荷分别位于 M 点与 N 点,形成一个以 MN 延长线上 O 点为球心,电势为零的等势面(取无穷远处电势为零),P为 MN 连线上的一点,S 为等势面与直线 MN 的交点,T 为等势面
上的一点,下列说法正确的是(
A.P 点电势低于 S 点电势
B.T 点电场强度方向指向 O 点
C.除无穷远处外,直线 MN 上还存在两个电场强度为零的点D.将正试探电荷 q0 从 T 点移到 P 点,静电力做正功
解析:正电荷在 MN 间的电场强度方向水平向右,负电荷在MN 间的电场强度也是水平向右,根据电场的叠加可知 MN 间的电场强度水平向右.沿着电场线电势逐渐降低,可知 P 点电势高于等势面,T、S 为等势面上的点,则 P 点电势高于 S 点、T 点电势.将正试探电荷从 T 点移到 P 点,电势能增大,静电力做负功,故
A、D 错误.由于电场强度方向垂直等势面,并由高电势指向低电势,因为负电荷在零等势面内,故 T 点电势高于球心 O 的电势,可知 T 点电场强度方向指向 O 点,故 B 正确.由于正电荷的电荷量大于负电荷电荷量,可知在 N 左侧电场强度不可能为零.在 N 右侧,设 MN 距离为 L,若电场强度为零的点距离 N 点距离为 d,则由
直线 MN 上电场强度为零的点只有一个,故 C 错误.答案:B
【迁移拓展 1】(2022 年广东湛江二模)如图 8-2-5 所示,一蜘蛛将网织成两个正方形 ABCD、abcd,其边长分别为 2L、L,现在a、b、c、B 四个位置分别放置一个点电荷,发现 b 处的点电荷所受电场力恰好为零,若仅将 b 处的点电荷 Q 沿 bd 方向移至 d 处,
A.a、c 两处点电荷对点电荷 Q 的合力可能先增大后减小B.a、c 两处点电荷对点电荷 Q 的合力可能先减小后增大C.a、c 两处点电荷对点电荷 Q 的合力一定先做正功,后做负
D.a、c 两处点电荷对点电荷 Q 的合力一定先做负功,后做正
解析:当点电荷 Q 在 O 点时,a、c 两处点电荷对点电荷 Q的合力为零,当场强最大值在 Ob 之外时,则将 b 处的点电荷 Q沿 bd 方向移至 d 处时,a、c 两处点电荷对点电荷 Q 的合力先减
小后增大,如果场强最大值在 Ob 之间,合力先变大后变小再变大再变小,则 A 错误,B 正确.在 a、b、c、B 四个位置分别放置一个点电荷,发现 b 处的点电荷所受电场力恰好为零,可知 a、c、B 三个位置分别放置的点电荷一定是同种电荷,但是不能确定电荷的正负.仅将 b 处的点电荷 Q 沿 bd 方向移至 d 处,若点电荷 Q与另外三个电荷带同性电荷,则点电荷 Q 从 O 到 d 时电场力做正功;若点电荷 Q 与另外三个电荷带异性电荷,则点电荷 Q 从 O 到d 时电场力做负功,C、D 错误.
热点 2 电势差与电场强度的关系[热点归纳]
1.在匀强电场中由公式 U=Ed 得出的“一式二结论”.
(1)等分法:如果把某两点间的距离等分为 n 段,则每段两端
(2)“等分法”求匀强电场中某点的电势以及电场强度方向的
考向 1 应用公式 U=Ed 计算电场强度【典题 2】(2021 年四川攀枝花模拟)如图 8-2-6 所示,匀强电场中有一个直角三角形 ABC 区域,电场方向与三角形区域所在平面平行.已知 AB=25 cm,BC=20 cm,∠C=90°,A、B、C 三点
电势分别为 1 V、26 V、10 V,则该匀强电场的场强大小为(图 8-2-6
考向 2 非匀强电场中公式 U=Ed 的应用【典题 3】如图 8-2-7 所示的同心圆是电场中的一簇等势线,一个电子只在电场力作用下沿着直线由A→C 运动时的速度越来越小,B 为线段 AC 的中点,
A.电子沿 AC 方向运动时受到的电场力越来越小B.电子沿 AC 方向运动时它具有的电势能越来越大C.电势差 UAB=UBCD.电势φA<φB<φC答案:B
(1)解释等差等势面的疏密与电场强度大小的关系,当电势差U 一定时,电场强度 E 越大,则沿电场强度方向的距离 d 越小,即电场强度越大,等差等势面越密.
(2)定性判断非匀强电场电势差的大小关系,如距离相等的两
点间的电势差,E 越大,U 越大;E 越小,U 越小.
热点 3 等势线(面)及带电粒子的运动轨迹问题[热点归纳]
1.等势线总是和电场线垂直,已知电场线可以画出等势线,已
知等势线也可以画出电场线.
2.几种典型电场的等势线(面):
3.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.
【典题 4】如图 8-2-8 所示,虚线 a、b、c 是电场中的一簇等力不计)仅在电场力作用下通过该区域时的运动轨迹,P、Q 是这
条轨迹上的两点,据此可知(
图 8-2-8A.a、b、c 三条等势线中,a 的电势最高
B.电子在 P 点具有的电势能比在 Q 点具有的电势能小C.α粒子在 P 点的加速度大小比在 Q 点的加速度大小大D.α粒子一定是从 P 点向 Q 点运动
解析:α粒子做曲线运动过程所受电场力指向轨迹凹侧,又与
等势面垂直,α粒子受力方向如图 D30 所示.
由于α粒子带正电,因此电场线指向左上方,沿电场线方向电势降低,a 的电势最低,c 的电势最高,A 错误.Q 点电势高于 P点,由 Ep=qφ可知,电子在 P 点具有的电势能比在 Q 点具有的电势能大,B 错误.P 点所在位置的等势线较 Q 点密集,则 P 点的电场强度较大,即α粒子在 P 点的加速度大小比在 Q 点的大,C 正确.根据题中信息,不能确定α粒子一定是从 P 点运动到 Q 点,D 错误.
【迁移拓展 2】(2022 年广东广州模拟)2020 年 2 月,中国科学家通过冷冻电镜捕捉到某种病毒表面 S 蛋白与人体细胞表面ACE2 蛋白的结合过程,揭开了病毒入侵人体的神秘面纱.电子显微镜是冷冻电镜中的关键部分,其中一种电子透镜的电场分布如图 8-2-9 所示,虚线为等差等势面,一电子在其中运动的轨迹如图
中实线所示,a、b 是轨迹上的两点,则(
A.a 点的电场强度大于 b 点的电场强度
B.电子在 a 点的电势能小于在 b 点的电势能C.a 点的电势低于 b 点的电势D.b 点电场强度的方向水平向右
解析:等势面密的地方电场强度大,A 错误.大致的电场线分
布如图 D31 所示.
以 a 点为例,轨迹为曲线,粒子所受的电场力应指向凹侧,即右侧,因为粒子带负电,故电场方向指向左侧,D 错误.又因为电场强度方向指向电势低的等势面,故 a 点电势高于 b 点电势,
热点 4 电场中的功能关系[热点归纳]
【典题 5】(多选)图 8-2-10 中虚线 a、b、c、d、e 代表匀强电场内间距相等的一组等势面,已知平面 b 上的电势为 2 V.一电子经过 a 时的动能为 10 eV,从 a 到 d 的过程中克服电场力所做的功为
6 eV.下列说法正确的是(
A.平面 c 上的电势为零B.该电子可能到达不了平面 e
C.该电子经过平面 d 时,其电势能为 4 eVD.该电子经过平面 b 时的速率是经过 d 时的 2 倍
解析:根据题述,匀强电场中等势面间距相等,相邻等势面之间的电势差相等.设相邻等势面之间的电势差为 U,根据电子从a 到 d 的过程中克服电场力所做功为 Wad=6 eV,电场方向水平向右.由 Wbc=2 eV,联立解得 Ubc=2 V.已知 b 的电势为 2 V,则平面c 上的电势为零,A 正确.由于 ae 之间的电势差为 4U=8 V,一电子经过 a 时的动能为 10 eV,由于题述没有指出电子速度方向,若该电子速度方向指向左或指向上或下,则该电子就到达不了平面e,B 正确.由于题述没有指出电子速度方向,C、D 错误.
在解决电场中的能量问题时常用到的基本规律有
动能定理、能量守恒定律,有时也会用到功能关系.(1)应用动能定理解决问题需研究合外力的功(或总功).(2)应用能量守恒定律解决问题需注意电势能和其他形式的能之间的转化.(3)应用功能关系解决该类问题需明确电场力做功与电势能改变之间的对应关系.(4)有电场力做功的过程机械能一般不守恒,但机械能与电势能的总和可以不变.
【迁移拓展 3】如图 8-2-11 所示,在水平向右的匀强电场中,质量为 m 的带电小球,以初速度 v 从 M 点竖直向上运动,通过 N点时,速度大小为 2v,方向与电场方向相反.则小球从 M 运动到 N
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