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在上完“电势能和电势”这节课后,学生在练习中遇到这样一道题,原题及其解析是这样的:
电荷量为q=1×10-4C的带正电小物块置于粗糙的绝缘水平面上,所在空间存在沿水平方向的匀强电场,场强E与时间t的关系及物块速度v与时间t的关系分别如图1、图2所示。若重力加速度g取10m/s2,求:
(1)物块的质量m。
(2)物块与水平面之间的动摩擦因数。
(3)物块运动2s过程中,其电势能的改变量。
解析:
(1)由图1可得:E1=3×104N/C,E2=2×104N/C
由图2可知,第1s物块做匀加速直线运动,由牛顿第二定律有qE1-μmg =ma,由图象知a=2m/s2
1s后物块做匀速运动,由平衡条件有qE2=μmg
联立解得q(E1-E2)=ma
代入数据解得:m=0.5kg
(2)由qE2=μmg,可得μ=qE2/mg =0.4
(3)由图2可知:
物块在第1s的位移为l1=(v/2)t1=1m
物块在第2s的位移为l2=vt2=2m
电场力做正功W=qE1l1 qEl2=7J
所以,电势能的改变量△Ep=-W=-7J
笔者对题中第(3)小题电势能改变量的求法提出疑义。题中的解法粗看并没什么问题,因为静电力做的功等于电势能的减少量,只要算出静电力做的功,自然也就可以求得电势能的改变量。但笔者还是对题中1s末电场的突变提出质疑,因为电场有变化,就不好看作静电场了。
为了帮助学生更清晰地认识到电场的变化对电势能的影响,笔者设计了这样一道题:
平行的带电金属板A、B间是匀强电场,如图3所示,两板间距离是2cm,B板接地,P点位于两板正中央。若两板间的电压U1=600V,板间电场E1= 3×104N/C,此时P点的电势为φ1=300V,将一个电荷量为q=1×10-4C的带正电点电荷固定在P点处,易求得其电势能为: Ep1=qφ1=3×10-2J。再将两板间的电压改为U2=400V,板间电场E2=2×104N/C,P点的电势变为φ2=200V,不难求出,点电荷q的电势能变为: Ep2=qφ2=2×10-2J。
因为点电荷q是固定不动的,所以电场力并不对它做功。也就是说,电场力不做功,电势能却发生了变化。这是为什么呢?
这得从势能的特点说起,势能是系统所共有的。在人教版物理必修2“重力势能”一节中,编写者最后写道:“必须指出的是,重力势能跟重力做功密切相关,而重力是地球与物体之间的相互作用力。也就是说,倘若没有地球,就谈不上重力。所以,严格说来,重力势能是地球与物体所组成的物体‘系统’所共有的,而不是地球上的物体单独具有的。”
尽管在人教版物理选修3-1“电势能和电势”一节中,编者并没有再次强调电势能是系统所共有的,但正如重力势能是地表物体与地球组成的系统所共有一样,学生不难理解电势能也是电荷与电场所共有的。所以,电场的变化也可能导致电势能的变化。其实,在笔者设计的那道题中,尽管电场力并不对电荷q做功,但要使板间电场发生变化,必须改变板间电压,也就是要移去板上的一部分电荷,这时候还是有电场力对板上的这部分电荷做功的,这或许是系统电势能变化的原因。
电荷量为q=1×10-4C的带正电小物块置于粗糙的绝缘水平面上,所在空间存在沿水平方向的匀强电场,场强E与时间t的关系及物块速度v与时间t的关系分别如图1、图2所示。若重力加速度g取10m/s2,求:
(1)物块的质量m。
(2)物块与水平面之间的动摩擦因数。
(3)物块运动2s过程中,其电势能的改变量。
解析:
(1)由图1可得:E1=3×104N/C,E2=2×104N/C
由图2可知,第1s物块做匀加速直线运动,由牛顿第二定律有qE1-μmg =ma,由图象知a=2m/s2
1s后物块做匀速运动,由平衡条件有qE2=μmg
联立解得q(E1-E2)=ma
代入数据解得:m=0.5kg
(2)由qE2=μmg,可得μ=qE2/mg =0.4
(3)由图2可知:
物块在第1s的位移为l1=(v/2)t1=1m
物块在第2s的位移为l2=vt2=2m
电场力做正功W=qE1l1 qEl2=7J
所以,电势能的改变量△Ep=-W=-7J
笔者对题中第(3)小题电势能改变量的求法提出疑义。题中的解法粗看并没什么问题,因为静电力做的功等于电势能的减少量,只要算出静电力做的功,自然也就可以求得电势能的改变量。但笔者还是对题中1s末电场的突变提出质疑,因为电场有变化,就不好看作静电场了。
为了帮助学生更清晰地认识到电场的变化对电势能的影响,笔者设计了这样一道题:
平行的带电金属板A、B间是匀强电场,如图3所示,两板间距离是2cm,B板接地,P点位于两板正中央。若两板间的电压U1=600V,板间电场E1= 3×104N/C,此时P点的电势为φ1=300V,将一个电荷量为q=1×10-4C的带正电点电荷固定在P点处,易求得其电势能为: Ep1=qφ1=3×10-2J。再将两板间的电压改为U2=400V,板间电场E2=2×104N/C,P点的电势变为φ2=200V,不难求出,点电荷q的电势能变为: Ep2=qφ2=2×10-2J。
因为点电荷q是固定不动的,所以电场力并不对它做功。也就是说,电场力不做功,电势能却发生了变化。这是为什么呢?
这得从势能的特点说起,势能是系统所共有的。在人教版物理必修2“重力势能”一节中,编写者最后写道:“必须指出的是,重力势能跟重力做功密切相关,而重力是地球与物体之间的相互作用力。也就是说,倘若没有地球,就谈不上重力。所以,严格说来,重力势能是地球与物体所组成的物体‘系统’所共有的,而不是地球上的物体单独具有的。”
尽管在人教版物理选修3-1“电势能和电势”一节中,编者并没有再次强调电势能是系统所共有的,但正如重力势能是地表物体与地球组成的系统所共有一样,学生不难理解电势能也是电荷与电场所共有的。所以,电场的变化也可能导致电势能的变化。其实,在笔者设计的那道题中,尽管电场力并不对电荷q做功,但要使板间电场发生变化,必须改变板间电压,也就是要移去板上的一部分电荷,这时候还是有电场力对板上的这部分电荷做功的,这或许是系统电势能变化的原因。