第3课时 电场能的性质
考纲解读 1.掌握电势、电势能、电势差的概念,理解电场力做功的特点;会判断电场中电势的高低、电势能的变化.2.会计算电场力做功及分析电场中的功能关系.
1.[对电场力做功与电势能变化关系的理解]如图1所示,a、b为某电
场线上的两点,那么以下结论正确的是 ( ) 图1
A.把正电荷从a移到b,电场力做正功,电荷的电势能减小
B.把负电荷从a移到b,电场力做负功,电荷的电势能增加
C.把负电荷从a移到b,电场力做正功,电荷的电势能增加
D.不论正电荷还是负电荷,从a到b电势能都逐渐降低
答案 AB
解析 若正电荷从a移到b,由于电场力方向和位移方向同向,电场力做正功,电荷的电势能减小,A对;若把负电荷从a移到b,电场力做负功,电荷的电势能增加,B对,C、D错.
2.[对电势差的理解]关于电势差的计算公式,下列说法正确的是 ( )
A.电势差的公式UAB=说明两点间的电势差UAB与电场力做功WAB成正比,与移动电荷的电荷量q成反比
B.把正电荷从A点移到B点电场力做正功,则有UAB>0
C.电势差的公式UAB=中,UAB与移动电荷的电荷量q无关
D.电场中A、B两点间的电势差UAB等于把正电荷q从A点移动到B点时电场力所做的功
答案 BC
解析 电场中两点间的电势差是一个定值,不会随着电场力做的功WAB和移动电荷的电荷量q的变化而变化,故A错,C对;又由UAB=知,电场力做正功,q为正电荷,则电势差为正,即B正确;电场中A、B两点间的电势差UAB等于把单位正电荷从A点移动到B点时电场力所做的功,故D错误.
3.[对电势和场强关系的理解]在静电场中,下列说法正确的是 ( )
A.电场强度处处为零的区域内,电势一定也处处为零
B.电场强度处处相同的区域内,电势一定也处处相同
C.电场强度的方向总是跟等势面垂直
D.电势降低的方向就是电场强度的方向
答案 C
解析 电场强度大小和电势高低没有直接关系,不能根据电场强度大小判断电势高低,也不能根据电势的高低判断电场强度的大小,故A、B错;电场强度的方向一定跟等势面垂直,C对;沿电场强度的方向电势降低,但电势降低的方向不一定是电场强度的方向,D错.
4.[对电场线和等势面关系的理解]图2甲、乙、丙分别是等量异种点电荷、等量正点电荷、正点电荷的电场线与等势面的分布情况.问:
甲 乙 丙
图2
(1)在图甲中,比较A、B、C三点的电势大小?
(2)在图乙中,O点、M点电势一样吗?
(3)在图丙中,A、B、C三点场强关系如何?电势关系如何?
答案 (1)φA>φB>φC,且φA>0,φB=0,φC<0
(2)不一样,φO>φM
(3)场强的大小关系EA=EB>EC,方向不同;电势的大小关系φA=φB>φC
考点梳理
一、电场力做功与电势能
1.电场力做功的特点
(1)在电场中移动电荷时,电场力做功与路径无关,只与初末位置有关,可见电场力做功与重力做功相似.
(2)在匀强电场中,电场力做的功W=Eqd,其中d为沿电场线方向的位移.
2.电势能
(1)定义:电荷在电场中具有的势能.电荷在某点的电势能,等于把它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.
(3)电势能的相对性:电势能是相对的,通常把电荷在离场源电荷无限远处的电势能规定为零,或把电荷在大地表面上的电势能规定为零.
二、电势
1.电势
(1)定义:电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值.
(2)定义式:φ=.
(3)标矢性:电势是标量,其大小有正负之分,其正(负)表示该点电势比电势零点高(低).
(4)相对性:电势具有相对性,同一点的电势因零电势点的选取的不同而不同.
(5)沿着电场线方向电势逐渐降低.
2.等势面
(1)定义:电场中电势相等的各点构成的面.
(2)特点
①电场线跟等势面垂直,即场强的方向跟等势面垂直.
②在等势面上移动电荷时电场力不做功.
③电场线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.
⑤任意两等势面不相交.
深化拓展 (1)电势是描述电场本身的能的性质的物理量,由电场本身决定,而电势能反映电荷在电场中某点所具有的电势能,由电荷与电场共同决定.
(2)φ=或Ep=φq.
三、电势差
1.电势差:电荷q在电场中A、B两点间移动时,电场力所做的功WAB跟它的电荷量q的比值,叫做A、B间的电势差,也叫电压.
公式:UAB=.单位:伏(V).
2.电势差与电势的关系:UAB=φA-φB,电势差是标量,可以是正值,也可以是负值,而且有UAB=-UBA.
3.电势差UAB由电场中A、B两点的位置决定,与移动的电荷q、电场力做的功WAB无关,与零电势点的选取也无关.
4.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=.
5.[电场力做功与重力做功特点的比较]下列说法中错误的是 ( )
A.重力做功与路径无关,与移动物体的初末位置的竖直高度差有关,即WAB=mghAB
B.电场力做功与路径无关,与移动电荷的初末位置的电势差有关,即WAB=qUAB
C.重力对物体做正功,其重力势能减少,做负功,则重力势能增加
D.电场力对正电荷做正功,正电荷电势能减少,对负电荷做正功,负电荷电势能增加
答案 D
解析 电场力做功的特点与重力做功的特点相同,且有电场力对电荷做的功等于其电势能的减少量.做正功,电势能减少,做负功,电势能增加,选项D错误.
6.[几个功能关系的理解]如图3为一匀强电场,某带电粒子从
A点运动到B点,在这一运动过程中克服重力做的功为3.0 J,
电场力做的功为2.0 J.则下列说法正确的是 ( )
A.粒子带正电 图3
B.粒子在A点的电势能比在B点少2.0 J
C.粒子在A点的机械能比在B点少1.0 J
D.粒子在A点的动能比在B点多1.0 J
答案 AD
规律总结
1.电场力做功的特点是:与路径无关,只与初末位置有关.
2.电场力做的功等于电势能的减少量.
3.电场力做功时,伴随着能量的转化与守恒.
考点一 电势高低及电势能大小的判断与比较
1.比较电势高低的方法
(1)沿电场线方向,电势越来越低.
(2)判断出UAB的正负,再由UAB=φA-φB,比较φA、φB的大小,若UAB>0,则φA>φB,若UAB<0,则φA<φB.
(3)取无穷远处电势为零,则正电荷周围电势为正值,负电荷周围电势为负值;靠近正电荷处电势高,靠近负电荷处电势低.
2.电势能大小的比较方法
(1)做功判断法
电场力做正功,电荷(无论是正电荷还是负电荷)从电势能较大的地方移向电势能较小的地方,反之,如果电荷克服电场力做功,那么电荷将从电势能较小的地方移向电势能较大的地方.
特别提醒 其他各种方法都是在此基础上推理出来的,最终还要回归到电场力做功与电势能变化关系上.
(2)场电荷判断法
①离场正电荷越近,正电荷的电势能越大;负电荷的电势能越小.
②离场负电荷越近,正电荷的电势能越小;负电荷的电势能越大.
(3)电场线法
①正电荷顺着电场线的方向移动时,电势能逐渐减小;逆着电场线的方向移动时,电势能逐渐增大.
②负电荷顺着电场线的方向移动时,电势能逐渐增大;逆着电场线的方向移动时,电势能逐渐减小.
(4)公式法
由Ep=qφ,将q、φ的大小、正负号一起代入公式,Ep的正值越大,电势能越大;Ep的负值越大,电势能越小.
例1 如图4所示,xOy平面内有一匀强电场,场强为E,方向未知,
电场线跟x轴的负方向夹角为θ,电子在坐标平面xOy内,从原点
O以大小为v0、方向沿x轴正方向的初速度射入电场,最后打在y
轴上的M点.电子的质量为m,电荷量为e,重力不计.则( ) 图4
A.O点电势高于M点电势
B.运动过程中,电子在M点电势能最大
C.运动过程中,电子的电势能先减少后增加
D.电场力对电子先做负功,后做正功
解析 由电子的运动轨迹知,电子受到的电场力方向斜向左上,故电场方向斜向右下,M点电势高于O点电势,A错误;电子在M点电势能最小,B错误;运动过程中,电子先克服电场力做功,电势能增加,后电场力对电子做正功,电势能减少,故C错误,D正确.
答案 D
电势、电势能的高低的判断方法有多种,选择哪种方法要根据
具体情况而定.例如在本题中,可根据电场线的方向直接判断电势的
高低,也可根据电场力的做功情况来判断.
突破训练1 如图5是某一点电荷形成的电场中的一条电场线,
A、B是电场线上的两点,一负电荷q仅在电场力作用下以
初速度v0从A向B运动并经过B点,一段时间后q以速度 图5
v又一次经过A点,且v与v0的方向相反,则以下说法中正确的是 ( )
A.A、B两点的电场强度是EAφB
C.负电荷q在A、B两点的电势能EpAφB,EpA0,而WCD=UCD·q,UCD>0,q<0,所以WCD<0,D正确.
答案 AD
突破训练5 a、b是x轴上两个点电荷,电荷量分别为q1
和q2,沿x轴a、b之间各点对应的电势高低如图13中
曲线所示,a、p间距离大于p、b间距离.从图中可以
判断以下说法正确的是 ( )
A.a和b均为负电荷且q1一定大于q2
B.电势最低的p点的电场强度为零 图13
C.将一负的检验电荷从b处移到p处,电荷电势能增加
D.a、p间的电场方向都指向a点
答案 BC
解析 由于从a到b,电势φ先减小再增加,所以a、b应均为正电荷;从b处φ-x图象的斜率大于a处的φ-x图象斜率,可确定Eb>Ea,即qb>qa,所以A错误;由φ-x图象的斜率表示电场强度E,知B对;由Ep=qφ知,C对;a、p间的电场方向应都指向p点,D错误.
高考题组
1.(2012·山东理综·19)图14中虚线为一组间距相等的同心圆,圆心处
固定一带正电的点电荷.一带电粒子以一定初速度射入电场,实线
为粒子仅在电场力作用下的运动轨迹,a、b、c三点是实线与虚线
的交点.则该粒子 ( )
A.带负电 图14
B.在c点受力最大
C.在b点的电势能大于在c点的电势能
D.由a点到b点的动能变化大于由b点到c点的动能变化
答案 CD
解析 由带电粒子进入正点电荷形成的电场中的运动轨迹可以看出两者相互排斥,故带电粒子带正电,选项A错误;根据库仑定律F=k可知,a、b、c三点中,在a点时受力最大,选项B错误;带电粒子从b点到c点的过程中,电场力做正功,电势能减小,故在b点的电势能大于在c点的电势能,选项C正确;由于虚线为等间距的同心圆,故Uab>Ubc,所以Wab>Wbc,根据动能定理,带电粒子由a点到b点的动能变化大于由b点到c点的动能变化,选项D正确.
2.(2012·天津理综·5)两个固定的等量异号点电荷所产生电场的
等势面如图15中虚线所示,一带负电的粒子以某一速度从
图中A点沿图示方向进入电场在纸面内飞行,最后离开电场,
粒子只受静电力作用,则粒子在电场中 ( ) 图15
A.做直线运动,电势能先变小后变大
B.做直线运动,电势能先变大后变小
C.做曲线运动,电势能先变小后变大
D.做曲线运动,电势能先变大后变小
答案 C
解析 带负电的粒子以速度v进入电场后,电场力的方向与v的方向不在一条直线上,故带负电的粒子做曲线运动,选项A、B错误.带负电的粒子先由低电势面运动到高电势面,然后由高电势面运动到低电势面,所以电势能先减小后增大,选项C正确,选项D错误.
3.(2011·上海单科·14)两个等量异种点电荷位于x轴上,相对原点对称分布,正确描述电势φ随位置x变化规律的是图 ( )
答案 A
解析 距正电荷越近电势越高,且φ>0;距负电荷越近电势越低,且φ<0,故选A.
模拟题组
4.如图16所示,一带电粒子以某速度进入水平向右的匀强电场中,
在电场力作用下形成图中所示的运动轨迹.M和N是轨迹上的
两点,其中M点是轨迹的最右点.不计重力,下列表述正确的
是 ( )
A.粒子在M点的速率最大 图16
B.粒子所受电场力沿电场方向
C.粒子在电场中的加速度不变
D.粒子在电场中的电势能始终在增加
答案 C
解析 根据做曲线运动的物体所受合力指向轨迹的凹侧的特点,再结合电场力的特点可知粒子带负电,即受到的电场力方向与电场线方向相反,B错;从N点到M点电场力做负功,粒子做减速运动,电势能增加,当经过M点后电场力做正功,粒子做加速运动,电势能减小,则粒子在M点的速度最小,A、D错;在整个过程中粒子只受电场力,根据牛顿第二定律可知加速度不变,C正确.
5.位于正方形四角上的四个等量点电荷的电场线分布如图17
所示,ab、cd分别是正方形两条边的中垂线,O点为中垂
线的交点,P、Q分别为cd、ab上的点.则下列说法正确
的是 ( )
A.P、O两点的电势关系为φP<φO
B.P、Q两点电场强度的大小关系为EPEQ,选项A、B均错;P、Q等势,所以把负电荷从P沿图中曲线移到Q电场力做功为零,D项错;由对称性可知,EO=0,因此C项正确.
?题组1 对电场中基本概念的理解
1.如图1所示,a、b、c为电场中同一条电场线上的三点,其中
c为ab的中点.已知a、b两点的电势分别为φa=3 V,φb=9 V, 图1
则下列叙述正确的是 ( )
A.该电场在c点处的电势一定为6 V
B.a点处的场强Ea一定小于b点处的场强Eb
C.正电荷从a点运动到b点的过程中电势能一定增大
D.正电荷只受电场力作用从a点运动到b点的过程中动能一定增大
答案 C
解析 本题中电场线只有一条,又没说明是哪种电场的电场线,因此电势降落及场强大小情况都不能确定,A、B错;a、b两点电势已知,正电荷从a到b是从低电势向高电势运动,电场力做负功,动能减小,电势能增大,C对,D错.
2.(2011·海南·1)关于静电场,下列说法正确的是 ( )
A.电势等于零的物体一定不带电
B.电场强度为零的点,电势一定为零
C.同一电场线上的各点,电势一定相等
D.负电荷沿电场线方向移动时,电势能一定增加
答案 D
解析 零电势点是人为选择的参考点,所以电势等于零的物体可以带电,也可以不带电,故A错;电场强度和电势是两个不同的物理量,电场强度为零的点,电势不一定为零,B错;沿着电场线方向电势不断降低,故C错;负电荷在电场中受到的电场力的方向与电场线方向相反,故负电荷沿电场线方向移动时,电场力做负功,电势能增加,故D对.
3.(2011·山东理综·21)如图2所示,在两等量异种点电荷的电场中,
MN为两电荷连线的中垂线,a、b、c三点所在直线平行于两电
荷的连线,且a和c关于MN对称,b点位于MN上,d点位于
两电荷的连线上.以下判断正确的是 ( )
A.b点场强大于d点场强 图2
B.b点场强小于d点场强
C.a、b两点间的电势差等于b、c两点间的电势差
D.试探电荷+q在a点的电势能小于在c点的电势能
答案 BC
解析 根据等量异种点电荷产生的电场的电场线分布情况和由电场线的疏密表示场强大小可知Ed>Eb.故选项A错误,选项B正确.a、c两点关于MN对称,故Uab=Ubc,选项C正确.沿电场线方向电势降低,所以φa>φc,由Ep=qφ可知Epa>Epc,故选项D错误.
?题组2 关于电场中电势、场强、电势能关系的理解
4.如图3所示,有四个等量异种电荷,放在正方形的四个顶点处.
A、B、C、D为正方形四个边的中点,O为正方形的中心,
下列说法中正确的是 ( )
A.A、B、C、D四个点的电场强度相同 图3
B.O点电场强度等于零
C.将一带正电的试探电荷匀速从B点沿直线移动到D点,电场力做功为零
D.将一带正电的试探电荷匀速从A点沿直线移动到C点,试探电荷具有的电势能增大
答案 C
解析 由点电荷电场叠加规律以及对称关系可知,A、C两点电场强度相同,B、D两点电场强度相同,选项A错误;在O点有一个向右的电场强度,不为0,选项B错误;由电场分布和对称关系可知,将一带正电的试探电荷匀速从B点沿直线移动到D点,电场力做功为零.将一带正电的试探电荷匀速从A点沿直线移动到C点,电场力做正功,试探电荷具有的电势能减小,选项C正确,D错误;因此答案选C.
5.如图4所示,在等量异种电荷形成的电场中,画一正方形
ABCD,对角线AC与两点电荷连线重合,两对角线交点
O恰为电荷连线的中点.下列说法中正确的是 ( )
A.A点的电场强度等于B点的电场强度 图4
B.B、D两点的电场强度及电势均相同
C.一电子由B点沿B→C→D路径移至D点,电势能先增大后减小
D.一电子由C点沿C→O→A路径移至A点,电场力对其先做负功后做正功
答案 BC
解析 根据电场强度的叠加得A点和B点的电场强度大小不相等,则A选项错误;等量异种电荷形成的电场的电场线和等势线分别关于连线和中垂线对称,则B选项正确;沿B→C→D路径,电势先减小后增大,电子由B点沿B→C→D路径移至D点,电势能先增大后减小,则C选项正确;沿C→O→A路径电势逐渐增大,电子由C点沿C→O→A路径移至A点,电场力对其一直做正功,则D选项错误.
6.如图所示的真空空间中,仅在正方体中的黑点处存在着电荷量大小相等的点电荷(电荷的正负图中已标注),则图中a、b两点电场强度和电势均相同的是 ( )
答案 C
解析 A项中a、b两点场强方向不同,A项错;分别作出正、负电荷在a、b两点的场强图示,由平行四边形定则易知B项和D项中相应a、b两点场强方向不同,故B、D项错;在C项中,a、b在正、负电荷连线中垂线上(电势相等)且关于中垂线对称,故场强大小相等、方向相同,C项正确.
?题组3 关于等势面与粒子运动轨迹的考查
7.如图5所示,真空中有两个等量异种点电荷A、B,M、N、O
是AB连线的垂线上的点,且AO>BO.一带负电的试探电荷仅
受电场力作用,运动轨迹如图中实线所示,设M、N两点的场
强大小分别为EM、EN,电势分别为φM、φN.下列判断中正确的
是 ( ) 图5
A.电荷B一定带正电
B.EM小于EN
C.φM大于φN
D.此试探电荷在M处的电势能小于在N处的电势能
答案 AB
解析 由负电荷运动轨迹的弯曲方向可知,电荷A带负电,电荷B带正电,A正确;根据等量异种点电荷电场线的特点,可得EM小于EN,B正确;根据等量异种点电荷等势线的特点,可得φM小于φN,由于试探电荷是负电荷,所以试探电荷在M处的电势能大于在N处的电势能,C、D错误.
8.如图6所示,实线表示电场线,虚线表示只受电场力作用的带电
粒子的运动轨迹.粒子先经过M点,再经过N点.可以判定( )
A.粒子在M点受到的电场力大于在N点受到的电场力 图6
B.M点的电势高于N点的电势
C.粒子带正电
D.粒子在M点的动能大于在N点的动能
答案 BC
解析 电场线的疏密表示场强的大小,电场线越密集,场强越大.M点所在区域电场线比N点所在区域电场线疏,所以M点的场强小,粒子在M点受到的电场力小.故A错误.
沿电场线方向,电势逐渐降低.从总的趋势看,电场线的方向是从
M到N的,所以M点的电势高于N点的电势.故B正确.如图所
示,用“速度线与力线”的方法,即在粒子运动的始点M作上述
两条线,显然电场力的方向与电场线的方向基本一致,所以粒子带正电,C正确.“速度线与力线”夹角为锐角,所以电场力做正功,粒子的电势能减小,由能量守恒知其动能增加.故D错误.
9.(2012·重庆理综·20)空间中P、Q两点处各固定一个点电荷,其中P点处为正电荷,P、Q两点附近电场的等势面分布如图7所示,a、b、c、d为电场中的4个点.则 ( )
图7
A.P、Q两点处的电荷等量同种
B.a点和b点的电场强度相同
C.c点的电势低于d点的电势
D.负电荷从a到c,电势能减少
答案 D
解析 由题中所给的等势面分布图是对称的及电场线与等势面垂直可得,P、Q两点应为等量的异种电荷,A错;a、b两点的电场强度大小相等,但方向不同,故B错;因P处为正电荷,因此c点的电势高于d点的电势,C错;因P处为正电荷,故Q处为负电荷,负电荷从靠负电荷Q较近的a点移到靠正电荷P较近的c点时,电场力做正功,电势能减少,故D对.
10.如图8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,实线为一带正电的质点仅在电场
力作用下通过该区域时的运动轨迹,P、Q是这条轨迹上的两点,
据此可知 ( ) 图8
A.三个等势面中,a的电势最高
B.带电质点通过P点时电势能较大
C.带电质点通过P点时的动能较大
D.带电质点通过P点时的加速度较大
答案 BD
解析 因质点在P点受排斥力,所以从P到Q电场力做正功,动能增大,电势能减小,B正确,A、C错误;由电场线的疏密分布可知P点场强大,所受电场力大,加速度大,D正确.
?题组4 关于电场中的功能关系的考查
11.(2012·海南单科·3)如图9,直线上有O、a、b、c四点,ab间的距离
与bc间的距离相等.在O点处有固定点电荷.已知b点电势高于 图9
c点电势.若一带负电荷的粒子仅在电场力作用下先从c点运动到b点,再从b点运动到a点,则 ( )
A.两过程中电场力做的功相等
B.前一过程中电场力做的功大于后一过程中电场力做的功
C.前一过程中,粒子电势能不断减小
D.后一过程中,粒子动能不断减小
答案 C
解析 由题意知O点点电荷带正电,其周围部分电场线分布如图
所示,负电荷由c到b再到a的过程中,电场强度不断变大,又
=,故Wab>Wbc,故A、B项均错误;负电荷由c→b→a过程中,
电场力做正功,电势能不断减小,动能不断增加,故C项正确,D项错误.
12.如图10所示,MPQO为有界的竖直向下的匀强电场,电场
强度为E,ACB为光滑固定的半圆形轨道,轨道半径为R,
A、B为圆水平直径的两个端点,AC为圆弧.一个质量为
m,电荷量为-q的带电小球,从A点正上方高为H处由静
止释放,并从A点沿切线进入半圆轨道.不计空气阻力及
一切能量损失,关于带电小球的运动情况,下列说法正确 图10
的是 ( )
A.小球一定能从B点离开轨道
B.小球在AC部分可能做匀速圆周运动
C.若小球能从B点离开,上升的高度一定小于H
D.小球到达C点的速度可能为零
答案 BC
解析 本题考查学生对复合场问题、功能关系、圆周运动等知识综合运用分析的能力.若电场力大于重力,则小球有可能不从B点离开轨道,A错.若电场力等于重力,物体做匀速圆周运动,B正确.因电场力做负功,有机械能损失,上升的高度一定小于H,C正确.由圆周运动知识可知若小球到达C点的速度为零,则在此之前就已脱轨了,D错.
13.如图11所示,在足够长的光滑绝缘水平直线轨道上方的P点,
固定电荷量为+Q的点电荷.一质量为m、带电荷量为+q的
物块(可视为质点),从轨道上的A点以初速度v0沿轨道向右
运动,当运动到P点正下方B点时速度为v.已知点电荷产生
的电场在A点的电势为φ(取无穷远处电势为零),P到物块的 图11
重心距离为h,PA连线与水平轨道的夹角为60°,试求:
(1)物块在A点时受到轨道的支持力大小;
(2)点电荷+Q产生的电场在B点的电势.
答案 (1)mg+ (2)(v-v2)+φ
解析 (1)物块在A点受重力、电场力、支持力.分解电场力,由竖直方向受力平衡得FN=mg+ksin 60°
又因为h=rsin 60°
由以上两式解得支持力为
FN=mg+.
(2)物块从A运动到P点正下方B点的过程中,由动能定理得
-qU=mv2-mv
又因为U=φB-φA=φB-φ,
由以上两式解得
φB=(v-v2)+φ.
【点此下载】