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电场是由电荷激发的,激发电场的场源不同,电场不一样. 但电场都是各点电荷在空间形成电场的矢量叠加而成.
电场强度[E=Fq],此公式是适用于任何电场的定义式.真空中的点电荷周围的场强的决定式,即[E=kQr2].利用已知的物理量,通过定义的方式可以引出新的物理量,这样得到的公式叫做物理量的定义式.
用比值定义物理量是一种常见的方法,对于任何一个定义式,只是表示量度该物理量的一种方法,不存在正比与反比的关系.例如下列物理量的定义式分别为: 密度[ρ=mV],电阻[R=UI],电容[C=QU],加速度[a=ΔvΔt],电流强度[I=Qt],磁感应强度[B=FIlsinθ],电势差[U=Wq]……
而有一些物理公式揭示的是该物理量大小的决定因素,称为该物理量的决定式,例如物体的质量[m=ρV],金属导体的电阻[R=ρlS],平行板电容器的电容[C=εS4πkd],加速度[a=∑Fm],通过导体的电流强度[I=UR],通电直导线周围的磁场[B=kIr]……它所反映的是这一物理量与几个因素的内在联系.对于任何一个决定式,存在正比与反比的关系,就是表示该物理量的大小都与哪些因素有关系.学习时,要将物理量的定义式与决定式严格区分,理解数学公式所表示的物理意义,不可将两者混为一谈.
一、点电荷场
点电荷是一个理想模型.孤立点电荷电场的电场线是直线,离场源越近,场强越大,离场源越远,场强越小.对正场源电荷来说,电场线从正电荷出发指向无穷远处,电势越来越低.若在它的场中引入正检验电荷,受到的电场力越来越小,电势能越来越小;若引入负检验电荷,受到的电场力越来越小,电势能越来越大.
例1 如图1,在粗糙水平面上固定一点电荷[Q],在[M]点无初速地释放一带有恒定电量的小物块,在点电荷[Q]的电场中运动到[N]点静止,则小物块从[M]运动到N点的过程中( )
A.小物块所受电场力逐渐减小
B.小物块具有的电势能逐渐减小
C.[M]点的电势一定高于[N]点的电势
D.小物块电势能变化量的大小一定等于它克服摩擦力做的功
解析 由题意可知,小物块与点电荷[Q]带同种电荷,小物块远离[Q]时,所在处的场强变小,所受电场力变小. 从[M→N],电场力做正功,电势能减小,因不知固定点电荷的带电性质,故不能判定[M、N]两点电势的高低;电场力做的功即电势能的变化量,大小一定等于克服摩擦力做的功.
答案 ABD
二、叠加场
当场源是两个或两个以上的电荷或带电体时,电场由它们共同激发,成为叠加场,某点的电场为各点电荷在该点激发的电场的矢量和.电场的特征由场源电荷的电量、电性及相对位置决定.只要不是孤立点电荷,任何电场如等量同种电荷的电场、等量异种电荷的电场、点电荷与带电平行板之间的电场都属于叠加场.
例2 如图2,在[x]轴上的[x=-1]和[x=1]两点分别固定电荷量为[-4Q]和[+9Q]的点电荷. 求[x]轴上合场强为零的点的坐标及在[x=-3]点处的合场强方向.
解析 由库仑定律,[Ex=k4Q(x+1)2-k9Q(x-1)2=0],则[x=-5]的点合场强为零,另一解[x=-0.2]的点合场强为零,舍去.
由[E-4Q=k4Q(x+1)2,E+9Q=k9Q(x-1)2],将[x=-3]代入,得到[E-4Q>E+9Q],即[x=-3]处的场强向右.
点拨 本例也可以根据电场线的性质,通过画电场线来判断.电场线从正电荷或无穷远处出发,终止于负电荷或无穷远处.结合[x=-5]处场强为0 的结论,可知[x=-1]与[x=1]之间电场线,从正电荷指向负电荷,方向向左,[x=-5]到[x=-1]之间电场线,从无穷远处指向负电荷,方向向右,[x=-5]左边的电场线方向向左,[x=1]右边的电场线方向向右.即[x=-5]、 -1、1三个点把[x]轴分为四条线段,电场线从左向右依次为向左、向右、向左、向右. [x=-3]处在第二条线段上,场强向右.
三、匀强电场
接稳压电源的平行板、带等量异种电荷的平行板之间的电场都是匀强电场.其电场线、等势面都是平行等间距的直线,彼此相互垂直,电场线从电势高的等势面指向电势低的等势面.带电体在匀强电场中受到的电场力大小处处相等,方向处处相同,在其中做匀变速运动.
例3 如图3,有界匀强电场中,场强方向为水平方向(虚线为电场线),一带负电的微粒以某一角度[θ]从电场的[a]点斜向上方射入,沿直线运动到b点,则( )
A.电场中[a]点的电势低于[b]点的电势
B.微粒在[a]点的动能与电势能之和与在[b]点的动能与电势能之和相等
C.微粒在[a]点的动能小于在[b]点的动能,在[a]点的电势能大于在[b]点的电势能
D.微粒在[a]点的动能大于在[b]点的动能,在[a]点的电势能小于在[b]点的电势能
图3 图4
解析 因带电微粒从[a]点沿直线运动到[b]点,受力情况如图4,场强方向一定水平向右,则[a]点的电势一定高于[b]点的电势,选项A错误.微粒在电场中运动,共涉及到三种能量:动能、电势能、重力势能.三种能量之和保持不变,即带电微粒在[a]点的三种能量之和等于在[b]点的三种能量之和,因微粒在[a]点的重力势能小于在[b]点的重力势能,选项B错误.又因带电微粒从[a]点运动到[b]点,合外力做负功,动能减小,即[Eka<Ekb].从[a]到[b],电场力做负功,电势能增加,即[E电a<E电b].选项C错误.
答案 D
四、交变电场
接交变电源的平行板之间的电场是交变电场.电场的周期取决于电源的周期,电场的变化取决于电源的变化.带电粒子的运动由初速度、入场时间与电场的变化决定.
例4 如图5甲,两平行金属板竖直放置,左极板接地,中间有小孔.右极板电势随时间变化的规律如图9-12乙.电子原来静止在左极板小孔处.不计重力作用,则( )
A. 从[t=0]时刻释放电子,电子将始终向右运动,直到打到右极板上
B. 从[t=0]时刻释放电子,电子可能在两板间振动
C. 从[t=T4]时刻释放电子,电子可能在两板间振动,也可能打到右极板上
D. 从[t=3T8]时刻释放电子,电子必将打到左极板上
解析 从[t=0]时刻释放电子,如果两板间距离足够大,电子将向右先匀加速运动[T2],接着匀减速运动[T2],速度减小到零后,又开始向右匀加速运动[T2],接着匀减速运动[T2],……直到打在右极板上.电子不可能向左运动;如果两板间距离不够大,电子也始终向右运动,直到打到右极板上. A项对,B项错.
从[t=T4]时刻释放电子,如果两板间距离足够大,电子将向右先匀加速运动[T4],接着匀减速运动[T4],速度减小到零后,改为向左先匀加速运动[T4],接着匀减速运动[T4]. 即在两板间振动;如果两板间距离不够大,则电子在第一次向右运动过程中就有可能打在右极板上,C项对.
从[t=3T8]时刻释放电子,如果两板间距离不够大,电子将在第一次向右运动过程中就打在右极板上;如果第一次向右运动没有打在右极板上,那一定会在第一次向左运动过程中打在左极板上.可以画出[v-t]图形表示电子的运行情况,D错.
答案 AC
点拨 如果两板加的是图6甲的正弦交流电压,其他条件不变,则电子在板间的运动图像如图6乙,为余弦函数图像.电子将一直向右极板运动,[T2]时刻加速度为0,速度最大.可见电子的运动与本例选项A中的说法一样,只是由匀变速运动变为变加速运动.
板加的是余弦交流电压,如图7甲,其它条件不变,则电子在板间的运动图像如图7乙,为正弦函数图像.电子的往复运动是简谐运动,平衡位置也在初始位置左侧靠向左板一侧.可见电子的运动也与本例选项C中的说法一样,不同的还是由匀变速运动改为变加速运动.
如果右极板电势随时间变化的规律是如图8甲的扫描电压,则电子运行的图像如图8乙,电子改为变加速运动. 当[T2]时刻速度和加速度达到最大,然后加速度反向逐步减小,速度不反向,但是大小也是逐步减小.
电场强度[E=Fq],此公式是适用于任何电场的定义式.真空中的点电荷周围的场强的决定式,即[E=kQr2].利用已知的物理量,通过定义的方式可以引出新的物理量,这样得到的公式叫做物理量的定义式.
用比值定义物理量是一种常见的方法,对于任何一个定义式,只是表示量度该物理量的一种方法,不存在正比与反比的关系.例如下列物理量的定义式分别为: 密度[ρ=mV],电阻[R=UI],电容[C=QU],加速度[a=ΔvΔt],电流强度[I=Qt],磁感应强度[B=FIlsinθ],电势差[U=Wq]……
而有一些物理公式揭示的是该物理量大小的决定因素,称为该物理量的决定式,例如物体的质量[m=ρV],金属导体的电阻[R=ρlS],平行板电容器的电容[C=εS4πkd],加速度[a=∑Fm],通过导体的电流强度[I=UR],通电直导线周围的磁场[B=kIr]……它所反映的是这一物理量与几个因素的内在联系.对于任何一个决定式,存在正比与反比的关系,就是表示该物理量的大小都与哪些因素有关系.学习时,要将物理量的定义式与决定式严格区分,理解数学公式所表示的物理意义,不可将两者混为一谈.
一、点电荷场
点电荷是一个理想模型.孤立点电荷电场的电场线是直线,离场源越近,场强越大,离场源越远,场强越小.对正场源电荷来说,电场线从正电荷出发指向无穷远处,电势越来越低.若在它的场中引入正检验电荷,受到的电场力越来越小,电势能越来越小;若引入负检验电荷,受到的电场力越来越小,电势能越来越大.
例1 如图1,在粗糙水平面上固定一点电荷[Q],在[M]点无初速地释放一带有恒定电量的小物块,在点电荷[Q]的电场中运动到[N]点静止,则小物块从[M]运动到N点的过程中( )
A.小物块所受电场力逐渐减小
B.小物块具有的电势能逐渐减小
C.[M]点的电势一定高于[N]点的电势
D.小物块电势能变化量的大小一定等于它克服摩擦力做的功
解析 由题意可知,小物块与点电荷[Q]带同种电荷,小物块远离[Q]时,所在处的场强变小,所受电场力变小. 从[M→N],电场力做正功,电势能减小,因不知固定点电荷的带电性质,故不能判定[M、N]两点电势的高低;电场力做的功即电势能的变化量,大小一定等于克服摩擦力做的功.
答案 ABD
二、叠加场
当场源是两个或两个以上的电荷或带电体时,电场由它们共同激发,成为叠加场,某点的电场为各点电荷在该点激发的电场的矢量和.电场的特征由场源电荷的电量、电性及相对位置决定.只要不是孤立点电荷,任何电场如等量同种电荷的电场、等量异种电荷的电场、点电荷与带电平行板之间的电场都属于叠加场.
例2 如图2,在[x]轴上的[x=-1]和[x=1]两点分别固定电荷量为[-4Q]和[+9Q]的点电荷. 求[x]轴上合场强为零的点的坐标及在[x=-3]点处的合场强方向.
解析 由库仑定律,[Ex=k4Q(x+1)2-k9Q(x-1)2=0],则[x=-5]的点合场强为零,另一解[x=-0.2]的点合场强为零,舍去.
由[E-4Q=k4Q(x+1)2,E+9Q=k9Q(x-1)2],将[x=-3]代入,得到[E-4Q>E+9Q],即[x=-3]处的场强向右.
点拨 本例也可以根据电场线的性质,通过画电场线来判断.电场线从正电荷或无穷远处出发,终止于负电荷或无穷远处.结合[x=-5]处场强为0 的结论,可知[x=-1]与[x=1]之间电场线,从正电荷指向负电荷,方向向左,[x=-5]到[x=-1]之间电场线,从无穷远处指向负电荷,方向向右,[x=-5]左边的电场线方向向左,[x=1]右边的电场线方向向右.即[x=-5]、 -1、1三个点把[x]轴分为四条线段,电场线从左向右依次为向左、向右、向左、向右. [x=-3]处在第二条线段上,场强向右.
三、匀强电场
接稳压电源的平行板、带等量异种电荷的平行板之间的电场都是匀强电场.其电场线、等势面都是平行等间距的直线,彼此相互垂直,电场线从电势高的等势面指向电势低的等势面.带电体在匀强电场中受到的电场力大小处处相等,方向处处相同,在其中做匀变速运动.
例3 如图3,有界匀强电场中,场强方向为水平方向(虚线为电场线),一带负电的微粒以某一角度[θ]从电场的[a]点斜向上方射入,沿直线运动到b点,则( )
A.电场中[a]点的电势低于[b]点的电势
B.微粒在[a]点的动能与电势能之和与在[b]点的动能与电势能之和相等
C.微粒在[a]点的动能小于在[b]点的动能,在[a]点的电势能大于在[b]点的电势能
D.微粒在[a]点的动能大于在[b]点的动能,在[a]点的电势能小于在[b]点的电势能
图3 图4
解析 因带电微粒从[a]点沿直线运动到[b]点,受力情况如图4,场强方向一定水平向右,则[a]点的电势一定高于[b]点的电势,选项A错误.微粒在电场中运动,共涉及到三种能量:动能、电势能、重力势能.三种能量之和保持不变,即带电微粒在[a]点的三种能量之和等于在[b]点的三种能量之和,因微粒在[a]点的重力势能小于在[b]点的重力势能,选项B错误.又因带电微粒从[a]点运动到[b]点,合外力做负功,动能减小,即[Eka<Ekb].从[a]到[b],电场力做负功,电势能增加,即[E电a<E电b].选项C错误.
答案 D
四、交变电场
接交变电源的平行板之间的电场是交变电场.电场的周期取决于电源的周期,电场的变化取决于电源的变化.带电粒子的运动由初速度、入场时间与电场的变化决定.
例4 如图5甲,两平行金属板竖直放置,左极板接地,中间有小孔.右极板电势随时间变化的规律如图9-12乙.电子原来静止在左极板小孔处.不计重力作用,则( )
A. 从[t=0]时刻释放电子,电子将始终向右运动,直到打到右极板上
B. 从[t=0]时刻释放电子,电子可能在两板间振动
C. 从[t=T4]时刻释放电子,电子可能在两板间振动,也可能打到右极板上
D. 从[t=3T8]时刻释放电子,电子必将打到左极板上
解析 从[t=0]时刻释放电子,如果两板间距离足够大,电子将向右先匀加速运动[T2],接着匀减速运动[T2],速度减小到零后,又开始向右匀加速运动[T2],接着匀减速运动[T2],……直到打在右极板上.电子不可能向左运动;如果两板间距离不够大,电子也始终向右运动,直到打到右极板上. A项对,B项错.
从[t=T4]时刻释放电子,如果两板间距离足够大,电子将向右先匀加速运动[T4],接着匀减速运动[T4],速度减小到零后,改为向左先匀加速运动[T4],接着匀减速运动[T4]. 即在两板间振动;如果两板间距离不够大,则电子在第一次向右运动过程中就有可能打在右极板上,C项对.
从[t=3T8]时刻释放电子,如果两板间距离不够大,电子将在第一次向右运动过程中就打在右极板上;如果第一次向右运动没有打在右极板上,那一定会在第一次向左运动过程中打在左极板上.可以画出[v-t]图形表示电子的运行情况,D错.
答案 AC
点拨 如果两板加的是图6甲的正弦交流电压,其他条件不变,则电子在板间的运动图像如图6乙,为余弦函数图像.电子将一直向右极板运动,[T2]时刻加速度为0,速度最大.可见电子的运动与本例选项A中的说法一样,只是由匀变速运动变为变加速运动.
板加的是余弦交流电压,如图7甲,其它条件不变,则电子在板间的运动图像如图7乙,为正弦函数图像.电子的往复运动是简谐运动,平衡位置也在初始位置左侧靠向左板一侧.可见电子的运动也与本例选项C中的说法一样,不同的还是由匀变速运动改为变加速运动.
如果右极板电势随时间变化的规律是如图8甲的扫描电压,则电子运行的图像如图8乙,电子改为变加速运动. 当[T2]时刻速度和加速度达到最大,然后加速度反向逐步减小,速度不反向,但是大小也是逐步减小.