电场线的妙用

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  静电场的最重要性质有两点:一是对进入电场中的带电粒子都产生力的作用,其二是当带电体在电场中移动时,电场力做功,电能和其他形式的能发生转化.静电场中带电粒子运动轨迹问题涉及到受力分析、牛顿定律、功能关系的讨论,是一类较难但又很重要的关于电学和力学知识的综合题,是高考的热点,考查学生在不同情景下对问题的分析能力.有的情况告诉电场线的分布,有的则告知等势面的分布,更有甚者既不告知电场线也不告知等势面.虽然情景千变万化,但有些分析方法却是不变的,掌握好不变的分析思路,便可以不变应万变,举一反三,融会贯通.
  在电场线学习的过程中要重视对规律的把握.特别是记住根据实验模拟出的几种特殊的电场的电场线,如点电荷的电场线、等量异号电荷的电场线和等量同种电荷的电场线等,进而巧妙运用.
  一、巧用点电荷电场线
  例1如图1如示,带电粒子在电场中沿虚线所示的曲线由a点运动到b点的过程中,下列说法正确的是( )
  (A) 带电粒子的速率不断减小
  (B) 带电粒子的加速度不断减小
  (C) 带电粒子的电势能不断减小
  (D) 带电粒子的总能量保持不变
  解析:该电场线可以近似地看成是由孤立负电荷产生的电场.根据电场线的疏密变化情况,可知沿电场线的方向场强在增大,即加速度增大;根据粒子的运动轨迹是曲线,可知其所受电场力是逆电场线方向(粒子带负电),从a到b电场力对粒子做负功,电势能增大,动能减小,能量在动能和电势能之间转化;所以答案应选(A)(D).
  图1图2二、巧用等量同种电荷的电场线
  例2如图2所示,ac是两等量同种电荷连线中垂线上两点,aO=Oc,b是Oc连线上一点,下列说法正确的是( )
  (A) Ea>Eb (B) Ea  (D) 让质子(不计重力)在a点由静止释放,将在ac间往复运动
  解析:根据等量同种电荷周围的电场线的特点,边线中点最疏,呈中垂线对称,连线对称,且中垂线外一定位置p点的场强最强,题中没有给出ab两点与p点的位置关系,所以没法确定ab两点的场强.所以答案选(C)(D).
  三、巧用等量异种电荷的电场线
  图3例3如图3所示,无限大的接地导体板,在距板d处的A点有一个电量为Q的正电荷,求板上的感应电荷对点电荷Q的作用力.
  解析:由于导体板接地,板上的电势为零,在电荷Q的作用下,板的右侧出现感应电荷,但电量未知,无法求出板对电荷的作用力,然而导体为一等势面,从Q发出的电场线应处与导体板正交,这使我们联想到等量异种电荷的电场;两种电场在+Q处的分布完全相同.所以我们可以用两异种电荷间的库仑力来替代金属板对电荷的引力.
  四、巧用匀强电场的电场线
  例4如图4所示,带等量异号电荷的两平行金属板在真空中水平放置,M、N为板间同一电场线上的两点,一带电粒子(不计重力)以速度vM经过M点在电场线上向下运动,且未与下板接触,一段时间后,粒子以速度vN折回N点,则 ( )
  (A) 粒子受电场力的方向一定由M指向N
  (B) 粒子在M点的速度一定比在N点的大
  (C) 粒子在M点的电势能一定比在N点的大
  (D) 电场中M点的电势一定高于N点的电势
  解析:本题考查了电场的基本概念、带电粒子在电场中的受力及运动相关知识,意在考查考生的分析与综合能力.由题意,板间近似为匀强电场,M、N在同一电场线上,带电粒子从M点运动到N点的过程中,电场力做负功,动能减小,电势能增加,故(A)、(C)错误,(B)正确;由于题中未说明带电粒子及两极板的电性,故无法判断M、N两点的电势高低,(D)错误.所以答案选(B).
  图4图5五、巧用点电荷的电场叠加
  例5如图5所示,ab是长为l的均匀带电细杆,P1、P2是位于ab所在直线上的两点,位置如图5所示.ab上电荷产生的静电场在P1处的场强大小为E1,在P2处的场强大小为E2,则以下说法正确的是 ( )
  (A) 两处的电场方向相同,E1>E2
  (B) 两处的电场方向相反,E1>E2
  (C) 两处的电场方向相同,E  (D) 两处的电场方向相反,E1  解析:可从电场叠加角度分析,把均匀带电细杆等效为沿杆放置的无数点电荷.则设c为a关于P1对称的点,则ac间的电荷在P1点产生的电场场强为零,ab杆上电荷在P1处产生的场强可等效为cb段电荷在P1处产生的场强.而P2处场强是ab上所有电荷产生电场的叠加,所以两点场强方向必定相反,由对称性可知,cb段电荷在P1点和P2点产生的场强大小相等,而P2点场强大小等于ac,cb两段电荷在P2点产生场强大小之和.故E1  电场线不是电荷的运动轨迹,在特殊情况下,电荷的运动轨迹可以与电场线重合,如带电体初速度为零,放在电场线为直线的电场中只在电场力作用下的运动.电场线在空间无电荷处不能相交,更不可能形成闭合曲线.假若两条电场线在某点相交,则交点处的切线方向有两个,而电场中某点的场强方向是惟一的,故电场中两条电场线不会相交.仅有一条电场线是不能判定场强大小.
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