论文部分内容阅读
带电粒子在电场中运动的基调是"电场搭台，力学唱戏". 力和运动的关系深刻地揭示了自然界机械运动的基本规律.做功和能量变化的关系深刻揭示了不同形式能量之间的转化途径和转化规律.两个关系是高中阶段分析和解决问题的基本立足点.用力与能两只眼睛观察物体运动的表象，提练解题方法，活化物理知识，窥视物理的本质.知识、方法、能力是一个相互联系的整体，下面就让我们一起走进电场，赏识物理学的两条主线--力与能量.
一、两条主线——力与能量
电场的知识确实非常抽象，我们曾借助于检验电荷，从力和能两个角度研究电场，从力的角度引入了电场强度的概念来描述电场；利用电势与电势差，从做功与能量的角度来描述电场.我们可从下表建立自己的知识智能图.
二、两条图线——电场线与等势线
同学们很难想象电场的客观存在性！为了形象地描述电场，利用图线直观地分析电场力的性质我们引入了电场线,，为了分析电场能的性质我们引入了等势面，以达到由形象思维上升到抽象思维的境界.
三、电场搭台，力学唱戏
在学习电场知识的过程中，同学们会发现解决问题的方法其实就是以前在力学中所学的各种方法，只不过物体在电场中可能多了一个电场力的作用和电势能的参与.
1.电场力
计算电场力的公式有两个，一是电荷间的库仑力
F=KQq r2，方向根据"同种电荷互相推斥，异种电荷相互吸引"判定；二是知道某点的场强E再计算电场力F=Eq.
2.电势能
电场力做功与重力做功非常相似.电场力做功只与两点的电势差和移动的电荷量有关，与移动的路径无关，并且电场做了多少功电势能就变化多少，计算公式为
WAB=qUAB.电场力做正功电势能减小，电场力做负功，电势能一定增加.在具体解题时有这样四种情况，当正电荷顺着电场线、负电荷逆着电场线方向移动时，电场力做正功，电势能减小；当正电荷逆着电场线、负电荷顺着电场线移动时，电场力做负功，电势能增加.
当然，同学们也要理解电荷在电场中某点时电势能的计算公式 ，而电场中某两点的电势差为UAB=φA-φB，电场力做功与电势能的变化关系为
WAB=-Δε.
3.正负符号的处理方法
电荷有正负，电势与电势差也有正负，做功有正负，电势能也有正负，我们应该如何处理这些符号呢？在进行有关力的计算时，如电场强度的计算，还有库仑定律中库仑力的计算我们一般都是不代入电荷的正负符号的，如公式
E=F q，F=kQq r2.但是，在涉及功与能的计算中，如电场力作功，电势与电势差，电势能等等，我们又是将所有的符号代入公式计算的，如电场力做功公式WAB=qUAB，两点电势差UAB=
φA-φB， 某点的电势能 εP=qφP.
四、案例欣赏
例1 某静电场的电场线分布如图2所示，图中P、Q两点的电场强度的大小分别为
EP和EQ，电势分别为φP和φQ，则( )
(A) EP>EQ,φP>φq
(B) EP>EQ,φP<φQ
(C) EPφQ
(D) EP
解析：电场线与等势线是从力与能量的角度形象描述电场强度E和电势φ的，从图可以看出P点的电场线的密集程度大于Q点的密集程度，故P点的场强大于Q点的场强，因电场线的方向由P指向Q，而沿电场线的方向电势逐渐降低， P点的电势高于Q点的电势，故本题(A)选项是正确的.
点评技能: 电场线与等势线是从力与能量的角度形象描述电场强度E和电势φ，沿电场线方向电势φ逐渐降低，而电场线的疏密代表的E的大小.
【例2】为研究静电除尘，有人设计了一个盒状容器，容器侧面是绝缘的透明有机玻璃，它的上下底面是面积A=0.04m2的金属板，间距L=0.05m，当连接到U=2500V的高压电源正负两极时，能在两金属板间产生一个匀强电场，如图.现把一定量均匀分布的烟尘颗粒密闭在容器内，每立方米有烟尘颗粒1013个，假设这些颗粒都处于静止状态，每个颗粒带电量为q=+1.0×10-17C，质量为m=2.0×10-15kg, 不考虑烟尘颗粒之间的相互作用和空气阻力，并忽略烟尘颗粒所受重力.求合上电键后：
（1）经过多长时间烟尘颗粒可以被全部吸附？
（2）除尘过程中电场对烟尘颗粒共做了多少功？
（3）经过多长时间容器中烟尘颗粒的总动能达到最大？
解析：（1）当最靠近上表面的烟尘颗粒被吸附到下板时，烟尘就被全部吸附烟尘颗粒受到的电场力 粒子运动的位移为
解得
（2）
（3）设烟尘颗粒下落距离为x
当 时，动能 达到最大值，此时有
解得
点评技能：本题题设的物理情景要求学生在受力分析的基础上，建立每个烟尘做初速度为零的匀加速直线运动的模型，而且它们是整体平移的模型，同时也可将烟尘在匀强电场中的运动与物体在重力场中的自由落体运动类比，从力与能量的观点建立类似自由落体运动的物理模型..
一、两条主线——力与能量
电场的知识确实非常抽象，我们曾借助于检验电荷，从力和能两个角度研究电场，从力的角度引入了电场强度的概念来描述电场；利用电势与电势差，从做功与能量的角度来描述电场.我们可从下表建立自己的知识智能图.
二、两条图线——电场线与等势线
同学们很难想象电场的客观存在性！为了形象地描述电场，利用图线直观地分析电场力的性质我们引入了电场线,，为了分析电场能的性质我们引入了等势面，以达到由形象思维上升到抽象思维的境界.
三、电场搭台，力学唱戏
在学习电场知识的过程中，同学们会发现解决问题的方法其实就是以前在力学中所学的各种方法，只不过物体在电场中可能多了一个电场力的作用和电势能的参与.
1.电场力
计算电场力的公式有两个，一是电荷间的库仑力
F=KQq r2，方向根据"同种电荷互相推斥，异种电荷相互吸引"判定；二是知道某点的场强E再计算电场力F=Eq.
2.电势能
电场力做功与重力做功非常相似.电场力做功只与两点的电势差和移动的电荷量有关，与移动的路径无关，并且电场做了多少功电势能就变化多少，计算公式为
WAB=qUAB.电场力做正功电势能减小，电场力做负功，电势能一定增加.在具体解题时有这样四种情况，当正电荷顺着电场线、负电荷逆着电场线方向移动时，电场力做正功，电势能减小；当正电荷逆着电场线、负电荷顺着电场线移动时，电场力做负功，电势能增加.
当然，同学们也要理解电荷在电场中某点时电势能的计算公式 ，而电场中某两点的电势差为UAB=φA-φB，电场力做功与电势能的变化关系为
WAB=-Δε.
3.正负符号的处理方法
电荷有正负，电势与电势差也有正负，做功有正负，电势能也有正负，我们应该如何处理这些符号呢？在进行有关力的计算时，如电场强度的计算，还有库仑定律中库仑力的计算我们一般都是不代入电荷的正负符号的，如公式
E=F q，F=kQq r2.但是，在涉及功与能的计算中，如电场力作功，电势与电势差，电势能等等，我们又是将所有的符号代入公式计算的，如电场力做功公式WAB=qUAB，两点电势差UAB=
φA-φB， 某点的电势能 εP=qφP.
四、案例欣赏
例1 某静电场的电场线分布如图2所示，图中P、Q两点的电场强度的大小分别为
EP和EQ，电势分别为φP和φQ，则( )
(A) EP>EQ,φP>φq
(B) EP>EQ,φP<φQ
(C) EP
(D) EP
解析：电场线与等势线是从力与能量的角度形象描述电场强度E和电势φ的，从图可以看出P点的电场线的密集程度大于Q点的密集程度，故P点的场强大于Q点的场强，因电场线的方向由P指向Q，而沿电场线的方向电势逐渐降低， P点的电势高于Q点的电势，故本题(A)选项是正确的.
点评技能: 电场线与等势线是从力与能量的角度形象描述电场强度E和电势φ，沿电场线方向电势φ逐渐降低，而电场线的疏密代表的E的大小.
【例2】为研究静电除尘，有人设计了一个盒状容器，容器侧面是绝缘的透明有机玻璃，它的上下底面是面积A=0.04m2的金属板，间距L=0.05m，当连接到U=2500V的高压电源正负两极时，能在两金属板间产生一个匀强电场，如图.现把一定量均匀分布的烟尘颗粒密闭在容器内，每立方米有烟尘颗粒1013个，假设这些颗粒都处于静止状态，每个颗粒带电量为q=+1.0×10-17C，质量为m=2.0×10-15kg, 不考虑烟尘颗粒之间的相互作用和空气阻力，并忽略烟尘颗粒所受重力.求合上电键后：
（1）经过多长时间烟尘颗粒可以被全部吸附？
（2）除尘过程中电场对烟尘颗粒共做了多少功？
（3）经过多长时间容器中烟尘颗粒的总动能达到最大？
解析：（1）当最靠近上表面的烟尘颗粒被吸附到下板时，烟尘就被全部吸附烟尘颗粒受到的电场力 粒子运动的位移为
解得
（2）
（3）设烟尘颗粒下落距离为x
当 时，动能 达到最大值，此时有
解得
点评技能：本题题设的物理情景要求学生在受力分析的基础上，建立每个烟尘做初速度为零的匀加速直线运动的模型，而且它们是整体平移的模型，同时也可将烟尘在匀强电场中的运动与物体在重力场中的自由落体运动类比，从力与能量的观点建立类似自由落体运动的物理模型..