《静电场 整合与评价》

1、 课时课时1.101.10静电场静电场整合与整合与评价评价课时课时1.10静电场静电场整合与评价整合与评价1.1.以电场线为主线展开复习以电场线为主线展开复习, ,理解静电力、电场强度、电势能、电势、电势理解静电力、电场强度、电势能、电势、电势差等概念。差等概念。2.2.熟练掌握判断静电力性质、电场强度的大小和方向、电势高低、电势能大熟练掌握判断静电力性质、电场强度的大小和方向、电势高低、电势能大小的方法小的方法, ,并会运用这些概念和规律解决相关的物理问题。并会运用这些概念和规律解决相关的物理问题。3.3.掌握带电粒子在电场中运动问题的分析方法和思维过程掌握带电粒子在电场中运动问题的分析方法

2、和思维过程, ,提高解决综合问提高解决综合问题的能力。题的能力。 主题主题2:2:电势与电势能电势与电势能情景情景: :如图甲所示如图甲所示, ,为了描述地理位置的高低变化为了描述地理位置的高低变化, ,人们设计出了人们设计出了“等高线等高线”, ,通常在同一幅图通常在同一幅图中两条相邻的等高线之间的高度差是相等的中两条相邻的等高线之间的高度差是相等的, ,从图中可以看出等高线越密集的地方从图中可以看出等高线越密集的地方, ,表示高度下表示高度下降得越快降得越快, ,也就是也就是“坡度坡度”越大。越大。 问题问题:(1):(1)我们常把电场中各点的电势与重力场中的高度类比我们常把电场中各点的电

3、势与重力场中的高度类比, ,把等势面与等高线类比把等势面与等高线类比, ,参照图参照图乙乙, ,你认为可把电场强度与什么量类比呢你认为可把电场强度与什么量类比呢? ?等势面越密集的地方电场强度越大吗等势面越密集的地方电场强度越大吗? ?从这个角度来从这个角度来讲讲, ,电场强度反映了什么意义电场强度反映了什么意义? ?电场强度的大小跟电势的高低有联系吗电场强度的大小跟电势的高低有联系吗? ?(2)(2)质点在地势越高的位置重力势能越大质点在地势越高的位置重力势能越大, ,电荷也是在电势越高的位置电势能越大吗电荷也是在电势越高的位置电势能越大吗? ?(3)(3)重力做正功和负功过程中重力做正功和

4、负功过程中, ,物体的重力势能分别如何变化物体的重力势能分别如何变化? ?静电力做正功和负功过程中静电力做正功和负功过程中, ,电电荷的电势能分别如何变化荷的电势能分别如何变化? ?解答解答:(1):(1)电场强度可与电场强度可与“坡度坡度”类比类比, ,从图乙可以看出等势面越密集的地方电从图乙可以看出等势面越密集的地方电场强度越大场强度越大, ,从这个角度来看从这个角度来看, ,电场强度的大小反映了电势降落的快慢电场强度的大小反映了电势降落的快慢, ,但电势但电势低的地方电场强度可能大低的地方电场强度可能大, ,电势高的地方电场强度可能小电势高的地方电场强度可能小, ,电场强度的大小与电场强

5、度的大小与电势的高低没有联系。电势的高低没有联系。(2)(2)由于正电荷受力的方向与电场方向一致由于正电荷受力的方向与电场方向一致, ,而负电荷受力方向则相反而负电荷受力方向则相反, ,所以只所以只有正电荷在电势越高的位置电势能越大有正电荷在电势越高的位置电势能越大, ,而负电荷在电势越高的位置电势能越而负电荷在电势越高的位置电势能越小。小。(3)(3)重力做正功过程中重力做正功过程中, ,物体的重力势能减少物体的重力势能减少, ,做负功则物体重力势能增加做负功则物体重力势能增加; ;同同样静电力做正功过程中样静电力做正功过程中, ,电荷的电势能也减少电荷的电势能也减少, ,做负功则电势能增加

6、。做负功则电势能增加。 主题主题3:3:电容器与带电粒子在电场中的运动电容器与带电粒子在电场中的运动问题问题:(1):(1)电容器的电容跟哪些因素有关电容器的电容跟哪些因素有关? ?如何保持电容器所带电荷不变如何保持电容器所带电荷不变? ?如如何使电容器极板间电势差保持不变何使电容器极板间电势差保持不变? ?(2)(2)什么情形下带电粒子在电场中的运动轨迹才能沿着电场线什么情形下带电粒子在电场中的运动轨迹才能沿着电场线? ?(3)(3)处理带电粒子在匀强电场中的偏转运动的方法与处理平抛运动方法类似处理带电粒子在匀强电场中的偏转运动的方法与处理平抛运动方法类似, ,但这两者又有哪些重要的不同之处

7、呢但这两者又有哪些重要的不同之处呢? ?解答解答:(1):(1)电容器的电容跟它自身两极板间距、两极板正对面积以及两极板间电容器的电容跟它自身两极板间距、两极板正对面积以及两极板间的电介质有关。电容器充电后切断其与电源的连接的电介质有关。电容器充电后切断其与电源的连接, ,不让它再放电或充电不让它再放电或充电, ,就就可保持其电荷不变。如果保持电容器与电源的连接不变可保持其电荷不变。如果保持电容器与电源的连接不变, ,就能保持其两极板就能保持其两极板间的电势差不变。间的电势差不变。(2)(2)根据力与运动的关系根据力与运动的关系, ,只有在电场线是直线只有在电场线是直线, ,且粒子的初速度且粒

8、子的初速度方向与电场线共线或初速度为零的情形下粒子的运动轨迹才能沿方向与电场线共线或初速度为零的情形下粒子的运动轨迹才能沿着电场线。着电场线。(3)(3)带电粒子在匀强电场中的偏转运动与平抛运动之间的不同之带电粒子在匀强电场中的偏转运动与平抛运动之间的不同之处主要有处主要有: :第一第一, ,不同粒子在同一电场中加速度往往不同不同粒子在同一电场中加速度往往不同, ,而平抛而平抛运动的加速度都是重力加速度运动的加速度都是重力加速度; ;第二第二, ,电场的方向可能向各个方向电场的方向可能向各个方向, ,而重力的方向只有竖直向下而重力的方向只有竖直向下; ;第三第三, ,研究平抛运动时研究平抛运动

9、时, ,物体自始至物体自始至终都受到重力作用终都受到重力作用, ,而电场往往是有界的而电场往往是有界的, ,带电粒子飞出匀强电场带电粒子飞出匀强电场后的运动形式将会发生变化。后的运动形式将会发生变化。拓展一拓展一: :库仑定律与力学的综合应用库仑定律与力学的综合应用1.1.如图甲所示如图甲所示, ,真空中真空中 A A、B B 两个点电荷的电荷量分别为两个点电荷的电荷量分别为+Q +Q 和和+q,+q,放在光滑绝缘水平面上放在光滑绝缘水平面上,A,A、B B 之间用绝缘的轻弹簧连接。当系统平之间用绝缘的轻弹簧连接。当系统平衡时衡时, ,弹簧的伸长量为弹簧的伸长量为 x0 x0。若弹簧发生的均是

10、弹性形变。若弹簧发生的均是弹性形变, ,则则( () )。A.A.保持保持Q Q不变不变, ,将将q q变为变为2q,2q,平衡时弹簧的伸长量等于平衡时弹簧的伸长量等于2x02x0B.B.保持保持q q不变不变, ,将将Q Q变为变为2Q,2Q,平衡时弹簧的伸长量小于平衡时弹簧的伸长量小于2x02x0C.C.保持保持Q Q不变不变, ,将将q q变为变为-q,-q,平衡时弹簧的缩短量等于平衡时弹簧的缩短量等于x0 x0D.D.保持保持q q不变不变, ,将将Q Q变为变为-Q,-Q,平衡时弹簧的缩短量小于平衡时弹簧的缩短量小于x0 x0甲甲B B问问1:1:电荷量变化后电荷量变化后, ,库仑力

11、要发生怎样的变化库仑力要发生怎样的变化? ?答答1:1:在距离不变的情况下在距离不变的情况下, ,电荷量增大电荷量增大, ,库仑力增大库仑力增大, ,电荷量电荷量减小减小, ,库仑力减小。库仑力减小。问问2:2:电荷量变化后电荷量变化后, ,两球要重新达到平衡状态两球要重新达到平衡状态, ,弹簧的长度应弹簧的长度应怎么发生变化怎么发生变化? ?答答2:2:电荷量变化后电荷量变化后, ,库仑力要发生变化库仑力要发生变化, ,为了让两球重新达到为了让两球重新达到平衡状态平衡状态, ,弹簧的长度也要发生变化。如果电荷量增大弹簧的长度也要发生变化。如果电荷量增大, ,则弹则弹簧形变量要增大簧形变量要增

12、大; ;如果电荷量减小如果电荷量减小, ,则弹簧形变量也减小。则弹簧形变量也减小。问问3:3:弹簧长度的变化对库仑力有影响吗弹簧长度的变化对库仑力有影响吗? ?答答3:3:弹簧长度增大弹簧长度增大, ,两点电荷的距离增大两点电荷的距离增大, ,库仑力减小库仑力减小; ;弹簧弹簧长度减小长度减小, ,两点电荷间的距离减小两点电荷间的距离减小, ,库仑力增大。库仑力增大。乙乙丙丙丁丁戊戊2.2.拓展二拓展二: :对有关轨迹类问题的分析对有关轨迹类问题的分析图中虚线为匀强电场中与电场强度方向垂直的等间距平行直图中虚线为匀强电场中与电场强度方向垂直的等间距平行直线。两粒子线。两粒子M M、N N的质量

13、相等的质量相等, ,所带电荷量的绝对值也相等。现所带电荷量的绝对值也相等。现将将M M、N N从虚线上的从虚线上的O O点以相同速率射出点以相同速率射出, ,两粒子在电场中运动的两粒子在电场中运动的轨迹分别如图中两条实线所示。点轨迹分别如图中两条实线所示。点a a、b b、c c为实线与虚线的交为实线与虚线的交点。已知点。已知O O点电势高于点电势高于c c点。若不计重力点。若不计重力, ,则则( () )。A.MA.M带负电荷带负电荷,N,N带正电荷带正电荷B.NB.N在在a a点的速度与点的速度与M M在在c c点的速度大小相同点的速度大小相同C.NC.N在从在从O O点运动至点运动至a

14、a点的过程中克服静电力做功点的过程中克服静电力做功D.MD.M在从在从O O点运动至点运动至b b点的过程中点的过程中, ,静电力对它做的功等于零静电力对它做的功等于零BDBD问问1:1:图中的三条虚线是电场线还是等势线图中的三条虚线是电场线还是等势线? ?答答1:1:等势线。等势线。问问2:2:题意中可以确定电场方向的描述是什么题意中可以确定电场方向的描述是什么? ?答答2:O2:O点电势高于点电势高于c c点。点。问问3:3:静电力做功与电势能的变化是什么关系静电力做功与电势能的变化是什么关系? ?答答3:W3:W电电=-E=-E电。电。问问4:4:静电力做功与粒子动能的变化是什么关系静电

15、力做功与粒子动能的变化是什么关系? ? 答答4:W4:W电电=Ek=Ek。【解析】因【解析】因O O点电势高于点电势高于c c点点, ,故电场强度方向向下故电场强度方向向下, ,由轨迹弯曲方向知由轨迹弯曲方向知M M带正电、带正电、N N带负电带负电,A,A选项错误选项错误; ;因因Ua O=UO c,Ua O=UO c,利用动能定理得利用动能定理得:N:N粒子粒子与与M M粒子分别在粒子分别在a a、c c两点的速度大小相同两点的速度大小相同,B,B选项正确选项正确;N;N从从O O到到a a过程静过程静电力做正功电力做正功,C,C选项错误选项错误;O;O、b b在同一等势面上在同一等势面上

16、, ,静电力做功为零静电力做功为零,D,D选项选项正确。正确。拓展三拓展三: :带电粒子在电场中的直线运动带电粒子在电场中的直线运动3.3.如图甲所示如图甲所示, ,两个平行金属板两个平行金属板P P、Q Q竖直放置竖直放置, ,两板间加上如图乙所示的两板间加上如图乙所示的电压。电压。t=0t=0时时,Q,Q板比板比P P板电势高板电势高5 V,5 V,此时在两板的正中央此时在两板的正中央M M点放一个电子点放一个电子, ,速速度为零度为零, ,电子在静电力作用下运动电子在静电力作用下运动, ,使得电子的位置和速度随时间变化。假使得电子的位置和速度随时间变化。假设电子始终未与两板相碰。在设电子

17、始终未与两板相碰。在0t80t810-10 s10-10 s的时间内的时间内, ,这个电子处于这个电子处于M M点点的右侧的右侧, ,则速度方向向左且大小逐渐减小的时间段是则速度方向向左且大小逐渐减小的时间段是( () )。A.0t2A.0t210-10 s10-10 sB.2B.210-10 st410-10 st410-10 s10-10 sC.4C.410-10 st610-10 st610-10 s10-10 sD.6D.610-10 st810-10 st810-10 s10-10 sD D问问1:t=01:t=0时时, ,电子向哪个极板运动电子向哪个极板运动? ?答答1:t=01:

18、t=0时时,Q,Q板比板比P P板电势高板电势高, ,因此电子向因此电子向Q Q板运动。板运动。问问2:2:接下来的时间内电子做什么性质的运动接下来的时间内电子做什么性质的运动? ?答答2:2:电子以电子以M M点右侧的某点为中心做往复运动。点右侧的某点为中心做往复运动。问问3:3:运动过程和电场的周期性有什么关系运动过程和电场的周期性有什么关系? ?答答3:3:电子往复运动的周期与电场的周期同步。电子往复运动的周期与电场的周期同步。问问4:4:速度向左且减小时满足的条件是什么速度向左且减小时满足的条件是什么? ?答答4:4:所受静电力方向向右。所受静电力方向向右。【解析】【解析】020210

19、-10 s10-10 s内内, ,电子向右做匀加速直线运动电子向右做匀加速直线运动;2;210-10 10-10 s4s410-10 s10-10 s内内, ,电子向右做匀减速直线运动电子向右做匀减速直线运动;4;410-10 s610-10 s610-10 s10-10 s内内, ,电子向左做匀加速直线运动电子向左做匀加速直线运动,6,610-10 s810-10 s810-10 s10-10 s内内, ,电子向左做电子向左做匀减速直线运动匀减速直线运动, ,所以选项所以选项D D符合题意。符合题意。拓展四拓展四: :利用运动的分解与合成的观点处理复合场中的问题利用运动的分解与合成的观点处理

20、复合场中的问题4.4.一个带负电的小球一个带负电的小球, ,质量为质量为m,m,带电荷量为带电荷量为q,q,在一个如图甲所示的平行板电在一个如图甲所示的平行板电容器的右侧板边被竖直上抛容器的右侧板边被竖直上抛, ,最后落在电容器左边缘同一高度处。已知电容器最后落在电容器左边缘同一高度处。已知电容器极板是竖直放置的极板是竖直放置的, ,两板间距为两板间距为d,d,板间电压为板间电压为U U。求小球能到达的最大高度。求小球能到达的最大高度h h及及抛出时的初速度抛出时的初速度v0v0。问问1:1:小球受到哪些力的作用小球受到哪些力的作用? ?是恒力还是变力是恒力还是变力? ?答答1:1:小球受重力和静电力两个恒力的作用。小球受重力和静电力两个恒力的作用。问问2:2:如何处理匀变速曲线运动问题如何处理匀变速曲线运动问题? ?答答2:2:可将小球的运动分解为沿电场方向和垂直于电场方向的两个运动。利用可将小球的运动分解为沿电场方向和垂直于电场方向的两个运动。利用两个分