模块三 电磁学new

PAGEPAGE6模块三电磁学知识结构说明：电磁学的知识主要包括场和路两大方面，场包括电场和磁场，在很多问题中还涉及复合场；路的部分主要有直流电路和交流电路,电磁感应则是场和路相结合的知识.不论场还是路，都是围绕着电荷而展开的.电荷周围存在电场，运动的电荷产生磁场；电荷在电场中要受电场力作用，而磁场只对运动电荷产生力的作用.电场一章以电场的力的特性和能的特性为主线，建立电场强度和电势的概念，以电场力、电势能、电势差、电场力做功等电场知识的应用，研究带电粒子在电场中的运动.为了表征磁场的力的特性，引入磁感应强度的概念，研究磁场对通电导体和运动电荷的作用，形成磁场与力学的综合题，这也是磁场中的一个重点问题.磁通量的变化是研究电磁感应现象的出发点，感应电动势的大小和方向都是由磁通量的变化情况决定的.交流电的产生和变压器的原理是电磁感应原理在生产实际中的应用.电磁感应现象发生的过程也是能量从一种形式转化为另一种形式的过程，遵循能量的转化和守恒定律.专题一电场的基本性质考情动态分析本专题中的库仑定律、电场线、点电荷的电场及其场强的叠加、电势、电势差、等势面等概念以及电荷在电场中运动过程中电场力做功、电荷电势能和动能的变化等问题，历来是高考考查的热点，其中既有难度中、低档的选择题和填空题，也不乏难度较大的综合性计算题，甚至作为压轴题出现在高考试卷中.由于本专题知识容易和力学中的牛顿定律、动能定理、功能关系及运动学等知识结合，构建物理情景新颖、能力要求突出的综合题，在当今强调考查学生综合能力的背景下，学好本专题知识，具有重要的意义.考点核心整合1.库仑定律是库仑通过实验总结得出的关于真空中点电荷间相互作用力的规律，其公式为F=.对于库仑定律的应用，应该明确：（1）公式F=适用于真空中点电荷间相互作用力的计算，但对均匀带电球间库仑力的计算也适用，只是r应用两球心间距.不过应当知道，“均匀带电球体”只能是一种理想化的模型，实际上要使相互作用的两球均匀带电是不可能的.链接·思考将两导体球固定于球心相距为r的两位置，当分别给两球带上电荷量均为q的同种和异种电荷时，两球间库仑力的大小是否相等？为什么？答案：由于电荷在导体中可以自由移动，当两球带同种电荷时，由于电荷间库仑斥力的作用，使两球所带电荷均向两球的远侧移动，使两球所带电荷的“中心”间距大于r,而使其间库仑力F＜k.类似地分析可知,当两球带异种电荷时,其间库仑力F′＞k,可见F≠F′.（2）库仑力也称静电力，具有力的共性，遵循力的独立作用原理、运算定则和牛顿第三定律.2.电场及其基本性质电荷的周围存在电场，带电体间的相互作用力就是通过电场产生的.电场的基本特性是对放入其中的电荷有力的作用，这也是检验空间是否存在电场的重要依据.由于电场力的存在，在电场中移动电荷时，必然通过电场力做功伴随有相应的能量转化.场强和电势就是分别从力和能两个方面对电场进行描述的物理量.（1）电场强度：是反映电场力的性质的物理量，定义为放入电场中某点的电荷受到的电场力跟其电荷量的比值.定义式E=适用于任何电场.场强是由电场本身的性质决定的，与检验电荷无关，这在点电荷周围场强的决定式E=k中，得到了很好的体现，式中的Q就是产生电场的场源电荷而非检验电荷.另外，反映场强和电势差关系的公式E=只适用于匀强电场，且式中d指所考查的两点在电场方向上的距离，但由此式引申出的意义——场强等于电场方向上单位长度的电势降落（反映电势降落的快慢，高一级教材中叫负的电势梯度），则具有普遍性.图3-1-1场强是一矢量，方向规定为正电荷在该点所受电场力的方向.场强的叠加合成遵守平行四边形定则或三角形定则.图3-1-1所示分别为等量同（异）种点电荷连线中垂线上各点场强的合成情况.电场线是人们为了形象地描述电场而引入的假想曲线，客观上并不存在，但其疏密程度表示场强大小,切线方向表示电场方向.沿电场线方向电势逐渐降低等性质在电场问题的讨论中都是非常有用的.（2）电势：是描述电场能的性质的物理量，有两种不同的定义方法：其一是电荷在电场中某点具有的电势能E和电荷所带电荷量q的比值定义为该点的电势，即φ=；其二是电场中某点和所选参考位置（电势为零的位置）的电势差定义为该点的电势，即φP=UP参.另外，电场中某点的电势，在数值上等于单位正电荷由该点移动到参考点时，电场力做的功.①等势面电场中电势相等的点组成的面叫等势面.电场线总是和等势面垂直且由电势较高的等势面指向电势较低的等势面.在相邻两等势面间电势差相等的情况下，等势面密处场强大，疏处场强小.②电势差电荷q在电场中由A点移动到B点时，电场力做的功WAB与电荷量q的比值WAB/q，叫做A、B两点的电势差，即UAB=.电势差UAB在数值上等于单位正电荷由A点移动到B点时电场力做的功WAB，也可表示为：UAB=φA-φB,同样，UBA=φB-φA.显然UAB=-UBA.③电场力的功在电场中移动电荷时电场力要做功.电场力做的功由移动电荷的电荷量q和始、末两位置间电势差U决定，而与移动路径无关，用公式可表示为：WAB=qUAB或WBA=qUBA.用该公式计算电场力做功或电势差时，一定要注意功W和电势差U的下标字母顺序必须一致.电场力做功的过程，就是电势能和其他形式的能量转化的过程.电场力做正功，电势能减少（转化为其他形式的能），电场力做负功，电势能增加（其他形式的能转化为电势能），且电场力做功的数值等于电势能变化的数值，用符号表示为：W=-ΔE.考题名师诠释【例1】(2006全国高考Ⅱ，17)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3-1-2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（）图3-1-2A.两处的电场方向相同，E1>E2B.两处的电场方向相反，E1>E2C.两处的电场方向相同，E1<E2D.两处的电场方向相反，E1<E2解析：设均匀带电细杆带正电荷，对P1，均匀带电细杆左边和右边的电荷在P1点的场强叠加为零，细杆右边距P1处的电荷对P1点叠加后的场强为E1，方向水平向左；对P2，均匀带电细杆整个杆的电荷对P2均有场强，叠加后为E2，方向水平向右，对P1产生场强的电荷小于对P2产生场强的电荷，所以两处的场强方向相反，E1<E2，若均匀带电细杆带负电荷，同理可得.所以选项D正确.答案：D点评：对此类非点电荷场强叠加问题，在中学阶段常利用电荷分布的对称性、等效性来处理.如本题中，由于P1左、右边的电荷在P1的合场强为零，所以杆在P1的场强等效于杆右边距P1到处的电荷对P1的场强.链接·拓展如图3-1-3一半径为R的绝缘球壳上均匀地带有电荷量+Q的电荷，另一电荷量为+q的点电荷放在球心O上，由于对称性，点电荷受力为零.现在球壳上挖去半径为r（r<<R）的一个小圆孔M，则此时置于球心的点电荷所受力的大小为______________（已知静电力常量k），方向____________.图3-1-3解析：球面上各点在O处均产生电场，未挖去M时，由于对称性，叠加后的合场强为零，挖去M后，球心O处合场强不再为零，场强可看作是由与M对称的N处的电荷产生的，N处电荷Q′=Q.由于r<<R，对O点来说，N处电荷可视为点电荷，则F=kQ′，方向指向圆孔.答案：，方向指向圆孔.【例2】(2006上海高考，8)图3-1-4（a）中，A、B是一条电场线上的两点，若在A点释放一初速为零的电子，电子仅受电场力作用，并沿电场线从A运动到B，其速度随时间变化的规律如图3-1-4（b）所示.设A、B两点的电场强度分别为EA、EB，电势分别为UA、UB，则（）图3-1-4A.EA=EBB.EA<EBC.UA=UBD.UA<UB解析：由v-t图线可看出，电子在电场力作用下做匀加速直线运动，其所受电场力是一恒力，该电场为匀强电场，场强EA=EB，选项A正确；电子所受电场力的方向与场强方向相反，所以电场线方向由B指向A，沿电场线方向电势降低，故电势UB>UA，选项D正确.答案：AD点评：本题将带电粒子的速度图象和电场知识有机结合，考查对图象的识别能力，对电场知识的理解、分析、推理能力.【例3】(2004全国高考Ⅲ，21)一带正电的小球，系于长为l的不可伸长的轻线一端，线的另一端固定在O点，它们处在匀强电场中，电场的方向水平向右，场强的大小为E.已知电场对小球的作用力的大小等于小球的重力.现先把小球拉到图3-1-6中的P1处，使轻线拉直，并与场强方向平行，然后由静止释放小球.已知小球在经过最低点的瞬间，因受线的拉力作用，其速度的竖直分量突变为零，水平分量没有变化，则小球到达与P1点等高的P2点时速度的大小为（）图3-1-5A.B.C.2D.0解析：小球释放后至轻线被拉紧前受水平向右的大小等于重力的电场力和向下的重力作用,其合力大小F=mg,方向与水平方向成45°角向右下方,小球释放后即沿该方向做匀加速直线运动,直至运动到最低点轻线被拉直.由于轻线的拉力作用,小球运动到最低点的瞬间,竖直方向速度突变为零,只有水平方向速度vx=.从最低点到P2点,小球将沿半径为l的圆周运动,只有重力和电场力做功.由动能定理得:-mgl+qEl=mv22-mvx2又mg=qE,解得v2=vx=,即B正确.答案：B点评:正确地分析小球的受力情况并由此确定小球的运动情况,是解决本题的关键.本题最易犯的错误是认为小球始终沿半径为l的圆周运动而得出v2=2的错误结论.因此,处理电场中的力学问题,仍要紧紧抓住物体受力情况和运动情况的分析.链接·拓