江苏版高考物理一轮复习第7章第2节电场能的性质课时学案

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(对应学生用书第169页)
一、电势能和电势
1．静电力做功
(1)特点：静电力做功的多少与路径无关，只与电荷在电场中的始、末位置有关。
(2)计算方法
①W＝qEd，只适用于匀强电场，其中d为沿电场方向的距离。
②WAB＝qUAB，适用于任何电场。
(3)静电力做功与电势能变化的关系
①静电力做的功等于电荷电势能的减少量，即WAB＝EpA－EpB。静电力对电荷做多少正功，电荷电势能就减少多少；电荷克服静电力做多少功，电荷电势能就增加多少。
②电势能的大小：由WAB＝EpA－EpB可知，若令EpB＝0，则EpA＝WAB，即一个电荷在电场中某点具有的电势能，数值上等于将其从该点移到零电势能位置过程中静电力所做的功。
2．电势能
(1)定义：电荷在电场中具有的势能，数值上等于将电荷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＝－ΔEp。
3．电势
(1)定义：试探电荷在电场中某点具有的电势能与它的电荷量的比值。
(2)定义式：φ＝eq \f(Ep,q)。
(3)矢标性：电势是标量，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，同一点的电势因选取零电势点的不同而不同。
4．等势面
(1)定义：电场中电势相等的各点组成的面。
(2)四个特点
①等势面一定与电场线垂直。
②在同一等势面上移动电荷时电场力不做功。
③电场线方向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。
二、电势差
1．定义：电荷在电场中由一点A移到另一点B时，电场力做功与移动电荷的电荷量的比值。
2．定义式：UAB＝eq \f(WAB,q)。
3．电势差与电势的关系：UAB＝φA－φB，UAB＝－UBA。
三、匀强电场中电势差与电场强度的关系
1．电势差与电场强度的关系：匀强电场中两点间的电势差等于电场强度与这两点沿电场线方向的距离的乘积。即U＝Ed，也可以写作E＝eq \f(U,d)。
2．公式U＝Ed的适用范围：匀强电场。
3．沿电场方向电势降落得最快。
一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(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点时静电力所做的功。(×)
(4)A、B两点的电势差是恒定的，所以UAB＝UBA。(×)
(5)等差等势线越密的地方，电场线越密，电场强度越大。(√)
(6)电场中电势降低的方向，就是电场强度的方向。(×)
二、教材习题衍生
1．(电势高低和电势能大小的判断)某电场的电场线和等势面如图所示，下列说法不正确的是( )
A．B点的电势高于A点的电势
B．把负电荷从A移到B，静电力做正功，电势能减少
C．负电荷从B移到A时，静电力做负功
D．UAB＝UBA
[答案] D
2．(电势差与电场强度的关系)如图所示，在E＝500 V/m的匀强电场中，a、b两点相距d＝2 cm，它们的连线跟电场强度方向的夹角是60°，则Uab等于( )
A．5 V B．10 V
C．－5 V D．－10 V
[答案] C
3．(电场线、等势面及运动轨迹问题)如图所示，实线表示某电场的电场线，虚线表示一带正电的粒子只在电场力作用下的运动轨迹，设A和B点的电势分别为φA和φB，粒子在A、B两点加速度大小分别为aA和aB，速度大小为vA和vB，电势能分别为EpA和EpB，下列判断正确的是( )
A．vAC．φA<φB D．EpA>EpB
C [带电粒子所受电场力指向轨迹弯曲的内侧，粒子从A到B过程，电场力方向与速度方向成钝角，电场力做负功，动能减小，速度减小，电势能增加，故带电粒子通过A点时的速度比通过B点时的速度大，即vA>vB，EpAEB，根据F＝Eq和牛顿第二定律可知，aA>aB，选项B错误；根据沿着电场线方向，电势逐渐降低，故φA<φB，选项C正确。]
电势高低和电势能大小的判断
(对应学生用书第170页)
1．电势高低常用的两种判断方法
(1)沿电场线方向电势逐渐降低。
(2)若UAB>0，则φA>φB；若UAB<0，则φA<φB。
2．电势能大小的判断方法
电势高低的判断
1.(2022·江苏卷)如图所示，正方形ABCD四个顶点各固定一个带正电的点电荷，电荷量相等，O是正方形的中心，将A处的点电荷沿OA方向移至无穷远处，则( )
A．移动过程中，O点电场强度减少
B．移动过程中，C点电荷所受静电力变大
C．移动过程中，移动电荷所受静电力做负功
D．当其移动到无穷远处时，O点的电势高于A点电势
D [O点电场强度是四个点电荷电场强度的叠加，B处和D处两个点电荷在O点的电场强度抵消，C处点电荷在O点的电场强度大小不变，方向由O→A，移动电荷在O点的电场强度不断减小，方向由A→O，则O点电场强度不断增大，故A错误；B处和D处两个点电荷对C点电荷的静电力不变，方向由O→C，移动电荷对C处点电荷的静电力不断减小，方向沿O→C，则C点电荷所受静电力变小，故B错误；移动电荷所受静电力方向由A→∞，则移动电荷所受静电力做正功，故C错误；移动到无穷远处时，在B处和D处两个点电荷的电场中，AO段电场线方向由O→A，O点的电势高于A点电势。在C处点电荷和移动电荷的电场中，AO段电场线方向由O→A，O点的电势高于A点电势，所以合电场中O点的电势高于A点电势，故D正确。故选D。]
电势能大小的判断
2.如图所示为某一带正电的点电荷产生的电场中的一条电场线。A、B、C、D为该电场线上的点，相邻两点间距相等，电场线方向由A指向D。一个带正电的粒子从A点由静止释放，运动到B点时的动能为Ek，仅考虑电场力的作用，则( )
A．从A点到D点，电势先升高后降低
B．粒子一直做匀加速运动
C．粒子在BC段电势能的减少量大于在CD段电势能的减少量
D．粒子运动到D点时动能等于3Ek
C [因为该电场线为一带正电的点电荷产生的，根据电场线的特点可知该正电荷在A点的左侧，沿着电场线方向电势降低，即从A点到D点电势降低，选项A错误；由正点电荷的电场线特点可知，从A到D电场强度越来越小，粒子加速度越来越小，可知粒子做加速度减小的加速运动，选项B错误；由题图可知BC段靠近场源电荷，而电场线密集的地方，电势降低较快，故BC段的电势差大于CD段的电势差，根据电场力做功W＝qU，故BC段电场力做的正功更多，则粒子在BC段电势能的减少量大于在CD段电势能的减少量，选项C正确；若该电场是匀强电场，从A到B，根据动能定理有qU＝Ek，从A到D，根据动能定理有3qU＝EkD，联立得EkD＝3Ek，而该电场是非匀强电场，从A到D距离相等的两点间的电势差越来越小，故粒子运动到D点时动能小于3Ek，选项D错误。]
电势、电场力做功、电势能的综合问题
3.如图所示，ABC为等边三角形，电荷量为＋q的点电荷固定在A点。先将一电荷量也为＋q的点电荷Q1从无穷远处(电势为0)移到C点，此过程中，电场力做功为－W。再将Q1从C点沿CB移到B点并固定。最后将一电荷量为－2q的点电荷Q2从无穷远处移到C点。下列说法不正确的有( )
A．Q1移入之前，C点的电势为eq \f(W,q)
B．Q1从C点移到B点的过程中，所受电场力做的功为0
C．Q2从无穷远处移到C点的过程中，所受电场力做的功为2W
D．Q2在移到C点后的电势能为－4W
C [由题意可知，C点的电势为φC＝eq \f(Ep,q)＝eq \f(W,q)，故A正确；由于B、C两点到A点(＋q)的距离相等，所以B、C两点的电势相等，所以Q1从C点移到B点的过程中，电场力做功为0，故B正确；由于Q1的电荷量也为＋q，所以当在B点固定Q1后，C点的电势为eq \f(2W,q)，所以Q2 从无穷远移到C点过程中，电场力做功为：W＝qU＝－2q×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0－\f(2W,q)))＝4W，故C错误；由于C点的电势为eq \f(2W,q)，所以Q2的电势能为Ep＝－4W，故D正确。]
4.(电势、电场力做功、电势能的综合问题)(2023·镇江模拟)如图所示，绝缘轻杆的两端固定带有等量异号电荷的小球(不计重力)。开始时，两小球分别静止在A、B位置。现外加一匀强电场E，在静电力作用下，小球绕轻杆中点O转到水平位置。取O点的电势为0。下列说法正确的有( )
A．电场E中A点电势高于B点
B．转动中两小球的电势能始终相等
C．该过程静电力对两小球均做负功
D．该过程两小球的总电势能增加
B [沿着电场线方向，电势降低，A错误；由于O点的电势为0，根据匀强电场的对称性，电势φA＝－φB，又qA＝－qB，Ep＝qφ，所以电势能EPA＝EPB，B正确；A、B位置的小球受到的静电力分别水平向右、水平向左，绝缘轻杆顺时针旋转，两小球受到的静电力对两小球均做正功，电场力做正功，电势能减少，C、D错误。]
电势差与电场强度的关系
(对应学生用书第171页)
1．公式E＝eq \f(U,d)的三点注意
(1)只适用于匀强电场。
(2)d为某两点沿电场强度方向上的距离，或两点所在等势面之间的距离。
(3)电场强度的方向是电势降低最快的方向。
2．两个推论
(1)如图甲所示，C点为线段AB的中点，则有φC＝eq \f(φA＋φB,2)。
(2)如图乙所示，AB∥CD，且AB＝CD，则UAB＝UCD。
甲 乙
3．三点妙用
(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。
(3)利用φ-x图像的斜率判断沿x轴方向电场强度Ex随位置的变化规律。在φ-x图像中斜率k＝eq \f(Δφ,Δx)＝eq \f(U,d)＝Ex，斜率的大小表示电场强度的大小，正负表示电场强度的方向。
[典例] 如图所示，水平面内有A、B、C、D、M、N六个点，它们均匀分布在半径为R＝2 cm的同一圆周上，空间有一方向与圆平面平行的匀强电场。已知A、C、M三点的电势分别为φA＝(2－eq \r(3))V、φC＝2 V、φM＝(2＋eq \r(3))V，下列判断正确的是( )
A．电场强度的方向由A指向D
B．电场强度的大小为1 V/m
C．该圆周上的点电势最高为4 V
D．沿圆周将电子从D点经M点移到N点，电场力先做负功后做正功
C [
在匀强电场中AM连线的中点G的电势φG＝eq \f(1,2)(φA＋φM)＝2 V ＝φC，所以直线COGN为等势线，在匀强电场中等势线相互平行，电场线与等势线相互垂直，且由电势高的等势线指向电势低的等势线，可知直线AB、直线DM分别为等势线，直线DB、直线MA分别为电场线，可知电场强度的方向由M指向A(或由D指向B)，故A错误；MA两点间的电势差UMA＝φM－φA＝2eq \r(3) V，沿电场方向的距离d＝eq \r(3)R＝eq \f(\r(3),50) m，电场强度E＝eq \f(UMA,d)＝100 V/m，故B错误；过圆心O做MA的平行线，与圆的交点H处电势最高，UHO＝E·R＝2 V，由UHO＝φH－φO可得：最高电势φH＝UHO＋φO＝4 V，故C正确；沿圆周将电子从D点经M点移到N点，电场力先做正功再做负功，故D错误。]
应用E＝eq \f(U,d)关系的解题思路
[跟进训练]
利用E＝eq \f(U,d)在非匀强电场中的定性分析
1.如图所示，在某电场中画出了三条电场线，C点是A、B连线的中点。已知A点的电势为φA＝30 V，B点的电势为φB＝－10 V，则C点的电势( )
A．φC＝10 V
B．φC>10 V
C．φC<10 V
D．上述选项都不正确
C [由于A、C之间的电场线比C、B之间的电场线密，相等距离之间的电势差较大，即UAC>UCB，所以φA－φC>φC－φB，可得φC2.(2022·苏州中学一模)如图所示，在正点电荷Q的电场中，A、B、C为直角三角形的三个顶点，D为AC的中点，∠A＝30°，A、B、C、D四点处的电势满足φA＝φC，φB＝φD，点电荷Q在A、B、C三点所在平面内，则( )
A．点电荷Q在A、C的连线上
B．点电荷Q在B、D连线的中点处
C．φD>φC
D．将负试探电荷从C点搬运到B点，电场力做负功
C [
因φA＝φC，则点电荷Q在A、C连线的垂直平分线上；又φB＝φD，则点电荷Q又在B、D连线的垂直平分线上；如图，点电荷Q在A、B的连线上，选项A、B错误；D点距离正点电荷的距离较C点近，可知φD>φC，选项C正确；将负试探电荷从C点搬运到B点，电场力做正功，选项D错误。]
利用E＝eq \f(U,d)公式在匀强电场中的定量计算
3.如图所示，匀强电场方向平行于xOy平面，在xOy平面内有一个半径为R＝5 m的圆，圆上有一个电荷量为q＝＋1×10－8 C的试探电荷P，半径OP与x轴正方向的夹角为θ，P沿圆周移动时，其电势能Ep＝2.5×10－5sin θ(J)，则( )
A．x轴位于零势能面上
B．电场强度大小为500 V/m，方向沿y轴正方向
C．y轴位于零势能面上
D．电场强度大小为500 V/m，方向沿x轴正方向
A [由Ep＝2.5×10－5sin θ(J)知，x轴上的势能为零，是零势能面，电势沿y轴变化最快，电场线沿y轴方向，A正确，C错误；当θ＝90°时，Ep＝2.5×10－5 J＝EqR，解得E＝500 V/m，又电势能大于零，故电场强度的方向沿y轴负方向，B、D错误。]
4.如图所示，在平面直角坐标系中，有方向平行于坐标平面的匀强电场，其中坐标原点O处的电势为0，点A处的电势为6 V，点B处的电势为3 V，则电场强度的大小为( )
A．200 V/m B．200eq \r(3) V/m
C．100 V/m D．100eq \r(3) V/m
A [匀强电场的电场线与等势面都是平行、等间距排列的，且电场线与等势面处处垂直，沿着电场线方向电势逐渐降低，取OA中点C，则C点电势为3 V，连接BC即为电场中的一条等势线，作等势线的垂线，即电场中的电场线，如图所示，由几何关系可得，E＝eq \f(U,d)＝eq \f(3 V,\x\t(OC)·sin 30°)＝200 V/m。故A正确。]
电场线、等势面及运动轨迹问题
(对应学生用书第172页)
1.真空中某静电场电场线的分布如图所示，图中P、Q两点关于点电荷q1水平对称。P、Q两点电场强度的大小分别为EP、EQ，电势分别为φP、φQ。一个带电粒子沿虚线轨迹从M移动至N。以下选项正确的是( )
A．φP＜φQ
B．EQ＞EP
C．此带电粒子带负电，它的电势能先变大后变小
D．此带电粒子带正电，它的电势能先变大后变小
C [沿电场线方向电势降低，电场线越密电势降低越快，根据电场线的分布情况，可知φP＞φQ，A错误；根据电场线的疏密比较电场强度的大小，可知P点电场线密，电场强度大，EP＞EQ，B错误；根据电场线的特点，可知此电场是由不等量的异种电荷产生的，其中q1带负电，q2带正电，带电粒子从M点运动到N点，轨迹向左弯曲，受到了库仑斥力，所以此带电粒子带负电，电势先降低后升高，所以带电粒子的电势能先变大后变小，C正确，D错误。]
2．(等势面与运动轨迹的关系)如图所示，虚线a、b、c代表电场中的三个等势面，相邻等势面之间的电势差相等，即Uab＝Ubc，实线为一带负电的质点仅在电场力作用下通过该区域时的运动轨迹，P、R、Q是这条轨迹上的三点，R点在等势面b上，据此可知( )
A．带电质点动能与电势能之和不变
B．带电质点在P点的电势能比在Q点的小
C．带电质点在R点的加速度方向与等势面不垂直
D．带电质点在P点的加速度比在R点的加速度小
A [只有电场力做功，电势能与动能之和守恒，带电质点的动能与电势能之和不变，A正确；根据轨迹弯曲的方向和电场线与等势线垂直可知负电荷所受的电场力应向下，所以电场线垂直等势面向上，因此Q点的电势高于P点的电势，带负电荷的质点在电势高处电势能小，P点电势能大，B错误；带电质点在R点的受力方向沿着电场线的切线方向，电场线与等势面垂直，因此带电质点在R点的加速度方向与等势面垂直，C错误；等差等势面P处密，所以P处的电场强度大，电场力大，带电质点在P点的加速度比在R点的加速度大，D错误。]
电场中“三线”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。
电场中的四类图像问题
(对应学生用书第173页)
E-x图像
1.E-x图像反映了电场强度随位移变化的规律。
2．E-x图线与x轴围成的“面积”表示电势差，“面积”大小表示电势差大小，两点的电势高低根据电场方向判定。
[典例1] 静电场在x轴上的场强E随x的变化关系如图所示，x轴正向为场强正方向，带正电的点电荷沿x轴正方向运动，则点电荷( )
A．在x2和x4处电势能相等
B．由x1运动到x3的过程中电势能先增大后减小
C．由x1运动到x4的过程中电场力先增大后减小
D．由x1运动到x4的过程中电场力先减小后增大
C [由题图可知，x1到x4场强先变大，再变小，则点电荷受到的电场力先增大后减小，C正确，D错误；由x1到x3及由x2到x4过程中，电场力做负功，电势能增大，A、B错误。]
[跟进训练]
1.在x轴上关于原点对称的a、b两点处固定有两个电荷量相等的点电荷，如图E-x图像描绘了x轴上部分区域的电场强度(以x轴正方向为电场强度的正方向)。对于该电场中x轴上关于原点对称的c、d两点，下列结论正确的是( )
A．两点场强相同，c点电势更高
B．两点场强相同，d点电势更高
C．两点场强不同，两点电势相等，均比O点电势高
D．两点场强不同，两点电势相等，均比O点电势低
A [根据给出的E-x图像可知，a处为正电荷，b处为负电荷，根据点电荷产生的场强E＝eq \f(kQ,r2)及电场的叠加原理可知，c、d两处场强相同，电场方向由c指向d，故c点电势高，选项A正确。]
1.电场强度的大小等于φ-x图线的斜率大小，电场强度为零处，φ-x图线存在极值，其切线的斜率为零。
2．在φ-x图像中可以直接判断各点电势的大小，并可根据电势大小关系确定电场强度的方向。
3．在φ-x图像中分析电荷移动时电势能的变化，可用WAB＝qUAB，进而分析WAB的正负，然后作出判断。
[典例2] (2022·江苏盐城中学高三月考)带电球体的半径为R，以球心为原点O建立坐标轴x，轴上各点电势φ随x变化如图所示，下列说法中正确的是( )
A．球体带负电荷
B．球内电场强度最大
C．负电荷在B点的电势能比C点的小
D．A、B两点电场强度相同
C [从球出发向两侧电势降低，而电场线从正电荷出发，沿着电场线电势降低，故球带正电荷，故A错误；球是等势体，故内部任意两点间的电势差为零，故场强为零，故B错误；从B到C，电势降低，故负电荷电势能升高，故C正确；A点与B点的电场强度大小相等，但方向相反，故不相同，故D错误。]
[跟进训练]
2.在x轴上有两个点电荷q1和q2，其中有一个点电荷位于x＝0处，x轴上的电势φ随x变化的关系如图所示，则( )
A．x＝x1处电场强度为0
B．x＝x2处电场强度不为0
C．q1、q2为不等量异种点电荷，且正电荷在x＝0处，负电荷在x<0的某处
D．q1、q2为等量异种点电荷，且正电荷在x＝0处，负电荷在x>0的某处
C [由题图图像的斜率表示电场强度可知，x＝x1处电场强度不为0，x＝x2处电场强度为0，选项A、B错误；在两点电荷连线上出现电场强度为零的点有两种情况，一是同种电荷之间某点，该点两侧电势变化形状基本相同，二是异种电荷连线之外；x＝0处向右电势逐渐降低，说明电场强度方向向右，x＝0处为正电荷，负电荷应该在x<0某处，且负电荷电荷量较大，所以q1、q2为不等量异种点电荷，选项C正确，D错误。]
1.反映了电势能随位移变化的规律。
2．图线的切线斜率大小等于电场力大小。
3．进一步判断电场强度、动能、加速度等随位移的变化情况。
[典例3] (2022·江苏南京三模)A、B为电场中一直线上的两个点，带正电的点电荷只受电场力的作用，从A点以某一初速度做直线运动到B点，其电势能Ep随位移x的变化关系如图所示。则从A到B过程中，下列说法正确的是( )
A．点电荷的速度先增大后减小
B．空间电场是某负点电荷形成的
C．电荷所受电场力先减小后增大
D．空间各点的电势一直升高
C [根据电势能Ep随位移x的变化图像可知，电势能先增大后减小，所以电场力先做负功再做正功，又点电荷只受电场力，所以合外力先做负功再做正功，因此点电荷的速度先减小后增大，A错误；点电荷带正电，且电场力先做负功再做正功，所以电场强度的方向先向左再向右，空间电场可能是某正点电荷形成的，B错误；电势能Ep随位移x的变化的图像斜率表示电场力，所以可知电场力先减小后增大，C正确；根据Ep＝qφ，粒子带正电且电势能先增大后减小，同时电势能均为正值，所以空间各点的电势先升高后降低，D错误。]
[跟进训练]
3.a、b、c是静电场中一直线上的三个点，从a点释放一个初速度为零的电子，电子仅在电场力的作用下，由a点经b点运动到c点，其电势能随该电子位置的变化关系如图所示，则( )
A．该电场可能是孤立的点电荷产生的
B．电子在a点加速度的值小于在b点加速度的值
C．电场中a点的电势大于b点的电势
D．电子从a点到c点的过程中动能先增大后减小
D [若该电场为孤立点电荷产生，则电子的电势能应当单调变化，选项A错误；图线在a点的斜率的绝对值大于b点，故电子在a点受到的电场力和加速度也大于b点，选项B错误；由图可知，Epa>Epc>Epb，电子带负电，根据电势与电势能关系及能量守恒定律，则有φa<φc<φb，Eka1.由v-t图像的斜率变化分析带电粒子的加速度a的大小变化。
2．根据牛顿第二定律a＝eq \f(F,m)＝eq \f(Eq,m)，判断场强E的大小变化。
3．根据v-t图像分析带电粒子做加速运动还是减速运动，进而分析场强的方向。
4．进而由场强的大小和方向分析电场的其他性质，如电场线、等势面、电势、电势能的变化等。
[典例4]
一带负电粒子在电场中仅受静电力作用沿x轴正方向做直线运动的v-t图像如图所示，起始点O为坐标原点，下列关于电势φ、粒子的动能Ek、电场强度E、粒子加速度a与位移x的关系图像中可能合理的是( )
A B C D
C [由v-t图像可知速度减小，且加速度逐渐减小，电场力做负功，动能逐渐减小，而电场强度E＝eq \f(F,q)＝eq \f(ma,q)，所以沿＋x方向电场强度逐渐减小，则电势不是均匀减小，所以A、B、D错误，C可能合理。]
[跟进训练]
4．如图甲所示，Q1、Q2为两个被固定的点电荷，a、b是它们连线的延长线上的两点。现有一带正电的粒子只在电场力作用下以一定的初速度从a点开始经b点向远处运动，粒子经过a、b两点时的速度分别为va、vb，其速度—时间图像如图乙所示，下列说法正确的是( )
甲 乙
A．粒子由a点到b点运动过程中加速度逐渐增大
B．b点的电场强度大于零
C．Q1的电荷量一定小于Q2的电荷量
D．粒子由a点到b点向远处运动过程中，粒子的电势能先增大后减小
D [速度—时间图线上每一点的切线斜率表示瞬时加速度，从题中图像可见粒子由a点到b点运动过程中加速度逐渐减小，故A错误；粒子从a到b做加速度减小的变速运动，在b点时粒子运动的加速度为零，则粒子所受电场力为零，所以b点场强为零，故B错误；由于b点的场强为零，所以有keq \f(Q1,r\\al(2,1b))＝keq \f(Q2,r\\al(2,2b))，由于r2b课时分层作业(二十一) 电场能的性质
(对应学生用书第438页)
题组一 电势高低和电势能大小的判断
1.如图所示，静电喷涂时，被喷工件接正极，喷枪口接负极，它们之间形成高压电场。涂料微粒从喷枪口喷出后，只在静电力作用下向工件运动，最后吸附在工件表面，图中虚线为涂料微粒的运动轨迹。下列说法正确的是( )
A．涂料微粒一定带负电
B．图中虚线也可视为高压电场的部分电场线
C．电场力对微粒先做正功后做负功
D．喷射出的微粒动能不断转化为电势能
A [由题图知，工件带正电，则在涂料微粒向工件靠近的过程中，涂料微粒带负电，故A正确；由于涂料微粒有初速度，初速度和电场力不一定方向相同，故涂料微粒的运动轨迹不一定沿电场线方向运动，故无法确定电场线，故B错误；涂料微粒所受的电场力方向向左，其位移方向大体向左，则电场力对涂料微粒一直做正功，故C错误；因电场力对涂料微粒做正功，其动能增大，电势能减小，电势能转化为动能，故D错误。]
2.如图所示，真空中有一点电荷甲固定在O点，虚线是其在周围空间产生的电场的三个等势面，且相邻的两个等势面间电势差相同。实线是点电荷乙在电场中运动轨迹，S、M、N为运动轨迹与等势面的交点，下列说法一定正确的是( )
A．电势φM>φS B．甲、乙为异种电荷
C．电势能EPM>EPN D．场强大小ES>EN
C [本题考查电场强度、电势和电势能等。由于题中没有给出固定在O点的点电荷甲的电性，不能判断出M、S两点电势高低，选项A错误；根据点电荷乙在电场中运动轨迹可知，甲、乙为同种电荷，选项B错误；点电荷乙在电场中从M运动到N，电场力做正功，电势能减小，电势能EPM>EPN，选项C正确；根据点电荷电场强度公式可知，场强大小ES题组二 电势差与电场强度的关系
3.(2021·湖北省新高考适应性考试)如图所示，在电场强度大小为E的匀强电场中，某电场线上有两点M和N，距离为2d。在M和N处分别固定电荷量为＋q和－q的两个点电荷。下列说法正确的是( )
A．点电荷＋q和－q受到的静电力大小均为qE，方向相反
B．将点电荷＋q沿MN连线向N点移动距离d，静电力对点电荷＋q做功qEd
C．交换两个点电荷的位置，静电力对两个点电荷做功之和为零
D．将两点电荷沿MN连线移动距离d，保持两个点电荷的距离不变，静电力对两个点电荷做功之和为零
D [点电荷＋q受到的静电力为匀强电场给其向右的电场力qE以及点电荷－q所给其向右的库仑力keq \f(q2,4d2)，合力为F1＝qE＋keq \f(q2,4d2)，方向水平向右；点电荷－q受到的静电力为匀强电场给其向左的电场力qE以及点电荷＋q所给其向左的库仑力keq \f(q2,4d2)，合力为F2＝qE＋keq \f(q2,4d2)，方向水平向左，故A错误；将点电荷＋q沿MN连线向N点移动距离d，静电力做功既有电场力对点电荷＋q做功为qEd，又有点电荷－q库仑力对其做正功，故B错误；交换两个点电荷的位置，静电力对点电荷＋q做正功，对点电荷－q也做正功，代数和不为0，故C错误；将两点电荷沿MN连线移动距离d，保持两个点电荷的距离不变，此时库仑力做功相互抵消，电场力对两个点电荷所做功相互抵消，故静电力对两个点电荷做功之和为零，D正确。]
4.如图所示，在匀强电场中有一长方形ABCD，边长AB＝12 cm、BC＝16 cm，匀强电场方向与长方形ABCD所在平面平行，A、B、C三点的电势φA＝15 V，φB＝－3 V，φC＝－35 V，则匀强电场的电场强度大小和方向为( )
A．300 V/m，沿AB方向
B．250 V/m，沿AC方向
C．200V/m，沿AD方向
D．150 V/m，沿BD方向
B [
由几何关系知，AC＝20 cm，过B点作AC边上的高BO，BO＝0.8AB＝9.6 cm，AO＝0.6AB＝7.2 cm，AC之间的电势差UAC＝φA－φC＝50 V，在匀强电场中，电势降落与距离成正比，eq \f(UAO,UAC)＝eq \f(AO,AC)，所以UAO＝eq \f(AO,AC)·UAC＝eq \f(7.2,20)·50 V ＝18 V，则φO＝－3 V，由此判断B、O两点等势，BO是等势线，电场强度方向与BO垂直，沿着AC方向，E＝eq \f(UAO,AO)＝eq \f(18,7.2×10－2) V/m＝250 V/m，选项B正确。]
题组三 电场线、等势面及运动轨迹问题
5.如图所示一组平行线为匀强电场的等势线，曲线为正电荷在匀强电场中的运动轨迹，a、b是轨迹上的两点，则下列说法正确的是 ( )
A．该电场的方向水平向左
B．b点的电势高于a点的电势
C．b点的电势能大于在a点的电势能
D．正电荷在相同时间内速度变化量相同
D [根据曲线运动所受合力指向曲线的内侧且电场线与等势线垂直，所以粒子所受电场力竖直向上，由于粒子带正电，所以电场线竖直向上，故A错误；根据沿电场线方向电势逐渐降低可知，b点的电势低于a点的电势，且正电荷在电势高处电势能大，故B、C错误；由于正电荷在匀强电场中运动，所以正电荷的加速度相同，电荷在相同时间内速度变化量为Δv＝aΔt相同，故D正确。]
6.三个带电粒子从同一点O，以相同的初速度v射入一电场中，在某段时间内的运动轨迹如图中虚线所示，其中a粒子刚好做圆周运动。图中实线为电场线，不计粒子重力，则下列有关粒子在该段时间内的运动以及相关说法正确的是( )
A．a粒子带负电，c粒子带正电
B．c粒子运动过程中电势能增加
C．运动过程中，b、c两粒子的速度均增大
D．运动过程中，a粒子的加速度和动能均不变
C [根据曲线运动的特点，可知a粒子所受的静电力方向与电场方向一致，c粒子所受的静电力方向与电场方向相反，因此a粒子带正电，c粒子带负电，故A错误；由题图可知，静电力对c粒子做正功，电势能减少，故B错误；由题图可知，静电力对b、c两粒子做正功，由于只受静电力，则速度增加，故C正确；由于a粒子刚好做圆周运动，根据匀速圆周运动的特点，a粒子的加速度大小和动能均不变，加速度的方向是变化的，故D错误。]
题组四 电场中的四类图像问题
7．如图甲所示，真空中有一半径为R、电荷量为＋Q的均匀带电球体，以球心为坐标原点，沿半径方向建立x轴。理论分析表明，x轴上各点的场强随x变化关系如图乙所示，则( )
甲 乙
A．x2处场强大小为eq \f(kQ,x\\al(2,2))
B．球内部的电场为匀强电场
C．x1、x2两点处的电势相同
D．假设将试探电荷沿x轴移动，则从x1移到R处和从R移到x2处电场力做功相同
A [计算x2处的电场强度时，可把带电球体等效为位于原点的点电荷，则x2处场强大小为E＝keq \f(Q,x\\al(2,2))，故A正确；由题图乙可知，球内部由O到球表面区间电场强度均匀增大，所以球内部不是匀强电场，B错误；在x轴上O点右侧的电场方向始终向右，沿电场方向电势逐渐减小，故有φx1>φx2，C错误；由E-x 图像与x轴所围面积表示电势差，由题图乙可知，x1处与球表面、球表面与x2处，两过程对应的面积不相等，所以电势差不同，由W＝qU可知，将试探电荷沿x轴从x1移到R处和从R移到x2处电场力做功不相同，故D错误。]
8.某静电场中x轴上的电势随x坐标变化的图像如图所示，φ-x图像关于φ轴对称，a、b两点到O点的距离相等。将一电荷从x轴上的a点由静止释放后粒子沿x轴运动到b点，运动过程中粒子只受电场力作用，则下列说法正确的是( )
A．该电荷一定带负电
B．电荷在b点时动能为正
C．从O到b，电荷的电势能减小
D．从a到b电场力对电荷先做正功，后做负功
D [此φ-x图像可视为在x轴上关于坐标原点对称的两个等量正点电荷形成的电场，在它们连线上电势随x坐标变化的图像。由于a、b两点等电势，该电荷一定带正电，由动能定理可知，将一电荷从x轴上的a点由静止释放后沿x轴运动到b点，电荷到b点时动能为零，选项A、B错误；电荷从O到b，电势升高，电荷的电势能增大，选项C错误；电荷从a到b，电势能先减小后增大，电场力对电荷先做正功，后做负功，选项D正确。]
9.如图是匀强电场遇到空腔导体后的部分电场线分布图，电场线的方向如图中箭头所示，M、N、Q是以直电场线上一点O为圆心的同一圆周上的三点，OQ连线垂直于MN。以下说法正确的是( )
A．O点电势与Q点电势相等
B．M、O间的电势差小于O、N间的电势差
C．将一负电荷由M点移到Q点，电荷的电势能增加
D．在Q点释放一个正电荷，正电荷所受电场力将沿与OQ垂直的方向竖直向上
C [由题图中电场线的方向可知φM>φO>φN，再作出此电场中过O的等势线，可知φO>φQ，A错误；且MO间的平均电场强度大于ON间的平均电场强度，故UMO>UON，B错误；因UMQ>0，负电荷从M到Q电场力做负功，电势能增加，C正确；正电荷在Q点所受的电场力方向沿电场线的切线方向而不是圆周的切线方向，D错误。]
10.(2023·江苏盐城模拟)在电荷量分别为2q和－q的两个点电荷形成的电场中，电场线分布如图所示，在两点电荷连线上有a、b、c三点，且b、c两点到正点电荷距离相等，则下列说法不正确的是( )
A．在两点电荷之间的连线上不存在一处电场强度为零的点
B．将一电子从a点由静止释放，它将在a、b间往复运动
C．c点的电势高于b点的电势
D．负试探电荷在a点具有的电势能比在b点时具有的电势能小
B [电场线是从正电荷出发，终止于负电荷，由电场的叠加原理可知，在两点电荷之间的连线上不存在电场强度为零的点，故A正确；由于ab间的电场强度方向始终由a指向b，所以电子受到向右的电场力，所以在a处由静止释放电子，电子将向右运动，故B错误；正电荷与b点和c点的距离相等，由题图可知，正电荷与b点间的电场线比正电荷与c点间的电场线更密，由公式U＝Ed，所以电势降落更多，即b点电势比c点电势更低，故C正确；由题图可知，从a点到b点电势越来越低，根据负电荷在电势低处电势能大，所以负试探电荷在a点具有的电势能比在b点时具有的电势能小，故D正确。]
11.两个带等量正电的点电荷，固定在图中P、Q两点，MN为PQ连线的中垂线，交PQ于O点，A点为MN上的一点。一带负电的试探电荷q，从A点由静止释放，只在静电力作用下运动。取无穷远处的电势为零，则( )
A．q由A点向O点的运动是匀加速直线运动
B．q由A点向O点运动的过程电势能逐渐增加
C．q运动到O点时的动能最大
D．q运动到O点时电势能为零
C [两等量正点电荷在连线的中垂线MN上的电场强度方向从O点向两侧沿中垂线指向无穷远处，场强大小从O点沿MN到无穷远处先变大后变小，因此q由静止释放后，在变化的电场力作用下做直线运动的加速度不断变化，A项错误；q由A点到O点电场力做正功，电势能减小，B项错误；在MN上O点电势最高，因此q在O点的电势能最小，由于只有电场力做功，因此电势能与动能的和是一定值，电势能最小时，动能最大，C项正确；O点的电势不为零，因此q在O点时的电势能不为零，D项错误。]
12.在某个电场中，x轴上各点的电场强度E随x坐标变化的图线如图所示，图线关于原点O中心对称。一质量为m、电荷量为q的粒子只在电场力作用下沿x轴做直线运动，x轴上x＝x1和x＝－x1是粒子运动轨迹上的两点，下列说法中正确的是( )
A．x轴上x＝x1和x＝－x1两点电场强度和电势都相同
B．粒子从x＝－x1点到x＝x1点的运动过程中，经过x＝x1和x＝－x1两点时速度一定相同
C．粒子运动过程中，经过x＝x1点的加速度与经过x＝－x1点的加速度相同
D．粒子从x＝－x1点到x＝x1点的运动过程中电势能先增大后减小
B [由E-x图像可知，x＝x1和x＝－x1两点电场强度大小相等、方向相反，故选项A错误；粒子在这两点所受电场力也大小相等、方向相反，由于粒子只在电场力作用下运动，根据牛顿第二定律可知，粒子在这两点的加速度大小相等、方向相反，故选项C错误；E-x图像中图线与横轴所围的面积表示电势差，因此粒子由x＝－x1运动到x＝0的过程和由x＝0运动到x＝x1的过程电场力分别做的功满足W1＝－W2，根据动能定理可知，粒子经过x＝x1和x＝－x1两点时速度一定相同，故选项B正确；题中未能说明粒子的电性或运动状态，因此粒子从x＝－x1点到x＝x1点的运动过程中电势能可能先增大后减小，也可能先减小后增大，故选项D错误。]
13．如图(a)，在一块很大的接地金属平板的上方固定一负电荷。由于静电感应，在金属平板上表面产生感应电荷，金属板上方电场的等势面如图(b)中虚线所示，相邻等势面间的电势差都相等。若将一正试探电荷先后放于M和N处，该试探电荷受到的电场力大小分别为FM和FN，相应的电势能分别为EpM和EpN，则( )
(a) (b)
A．FM＜FN，EpM＞EpN
B．FM＞FN，EpM＞EpN
C．FM＜FN，EpM＜EpN
D．FM＞FN，EpM＜EpN
A [
根据电场线和等势线互相垂直的特点可以大致确定电场线，如图。根据电场线的特点，电场线越密集处电场强度越强，所以EM＜EN，电荷在电场中所受的电场力F＝qE，可知对于同一个正试探电荷有FM＜FN，B、D错误；因为沿着电场线方向电势逐渐降低，可知φM＞φN，电荷在电场中的电势能Ep＝qφ，可知EpM＞EpN，A正确，C错误。]
14.(2021·江苏省新高考适应性考试)带电粒子碰撞实验中，t＝0时粒子A静止，粒子B以一定的初速度向A运动。两粒子的v-t图像如图所示，仅考虑静电力的作用，且A、B未接触。则( )
A．A粒子质量小于B粒子
B．两粒子在t1时刻的电势能最大
C．A在t2时刻的加速度最大
D．B在0～t3时间内动能一直减小
B [两粒子碰撞过程动量守恒，则由题图可知，在t＝0时刻p0＝mBv0，在t＝t2时刻p2＝mAvA，则mBv0＝mAvA，因v0>vA，则mB判断角度
判断方法
做功
判断法
电场力做正功，电势能减小；
电场力做负功，电势能增大
电荷
电势法
正电荷在电势高的地方电势能大，负电荷在电势低的地方电势能大
公式法
由Ep＝qφp，将q、φp的大小、正负号一起代入公式，Ep的正值越大，电势能越大；Ep的负值的绝对值越小，电势能越大
能量
守恒法
在电场中，若只有电场力做功时，电荷的动能和电势能相互转化，动能增大，电势能减小；反之，电势能增大
φ-x图像
Ep-x图像
v-t图像