(全国专用)高考物理大二轮总复习与增分策略专题十一电场力和能的性质.pdf

专题十一专题十一 电场力和能的性质电场力和能的性质考纲解读章内容电荷及其守恒定律库仑定律电场强度电势能和电势电势差电势差与电场强度的关系考试要求必考bccbb加试ccccc说明1.不要求识记电子的比荷2 利用库仑定律公式求解静力学问题，只限于所受各力在同一直线上或可运用直角三角形知识求解的情形3 利用库仑定律公式与其他动力学规律求解力学与电学综合的问题，只限于所受各力在同一直线上的情形4 两个电场叠加的定量运算，仅静电场限于在同一直线或可用直角三角形知识解决的情形5 不要求用等势面去推断电场的静电现象的应用b强弱和方向6 不要求知道电场强度的方向就是电势降低最快的方向7 不要求计算感应电荷的场强和静电力8 不要求应用“处于静电平衡的导体是等势体”的知识解决有关问题一、电荷及其守恒定律1两种电荷(1)用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电(2)同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引12三种起电方式摩擦起电、感应起电和接触起电，它们的实质都是电子的转移3元电荷最小的电荷量，e1.6104电荷守恒定律表述 1：电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变这个结论叫做电荷守恒定律表述 2：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变二、库仑定律1点电荷当带电体的形状、大小及电荷分布对它们之间的作用力的影响可以忽略时，这样的带电体可以看成点电荷2库仑定律(1)内容：真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上(2)表达式：Fk19 C.q1q29222，式中k9.010 Nm/C，叫做静电力常量r(3)适用条件：真空中的点电荷三、电场强度1定义：放入电场中某点的电荷受到的电场力F与它的电荷量q的比值2定义式：E.3矢量性：规定正电荷在电场中某点所受电场力的方向为该点电场强度的方向4场强公式的比较Fq适用于点电荷产生的电场EkQrQ为场源电荷的电荷量三个公式适用于匀强电场UEU为两点间的电势差，d为沿电场方向两d点间的距离适用于任何电场FEq与试探电荷是否存在无关25电场的叠加(1)电场叠加：多个电荷在空间某处产生的电场强度为各电荷单独在该处所产生的电场强度的矢量和2(2)运算法则：平行四边形定则四、电势能和电势电势差1静电力做功(1)特点：静电力做功与路径无关，只与初、末位置有关(2)计算方法WqEd，只适用于匀强电场，其中d为沿电场方向的距离WABqUAB，适用于任何电场2电势能(1)定义：电荷在某点的电势能，等于把它从这点移动到零势能位置时静电力做的功(2)电场力做功是电势能变化的量度，用公式表示为WABEpAEpB，即电场力做正功，电荷的电势能减少，电场力做负功，电荷的电势能增加3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：.(3)矢标性：电势是标量，有正负之分，其正(负)表示该点电势比零电势高(低)(4)相对性：电势具有相对性，同一点的电势因选取零电势点的不同而不同(5)电势是描述电场能的性质的物理量，决定于电场本身，与试探电荷无关4电势差(1)电势差：电场中两点间电势的差值叫做电势差，也叫电压(2)电场中两点间的电势差与零电势点的选取无关(填“有关”或“无关”)(3)公式：电场中A点的电势为 A，B点的电势为 B，则UABAB，UBABA，可见UABUBA.(4)电势差是标量，UAB是正值，A点的电势比B点的电势高；UAB为负值，A点的电势比B点的电势低(5)电荷q从A点移到B点，静电力做功WAB与AB间电势差UAB的关系为WABqUAB.五、电势差与电场强度的关系(加试)(1)电势差与电场强度的关系式：E，其中d为电场中两点间沿电场方向的距离(2)公式只适用于匀强电场六、静电现象的应用(加试)1处于静电平衡状态下导体的特征(1)处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零(2)处于静电平衡状态的导体，其外部表面附近任何一点的场强方向必定与这点的表面垂直(3)处于静电平衡状态的整个导体是个等势体，它的表面是个等势面，地球是一个等势体3EpqUd2静电平衡时，导体上的电荷分布有以下两个特点(1)导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的表面(2)在导体外表面，越尖锐的位置电荷的密度(单位面积的电荷量)越大，凹陷的位置几乎没有电荷3尖端放电所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷的现象4静电屏蔽金属壳或金属网的空腔内不受外界电场的影响，壳(网)内电场强度保持为 0，外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响，金属壳(网)的这种作用叫做静电屏蔽1(2015浙江 1 月学考26)下列电场中，A、B两点电场强度相同的是()答案C2两个分别带有电荷量Q和3Q的相同金属小球(均可视为点电荷)，固定在相距为r的两处，它们之间的库仑力大小为F.两小球相互接触后将其固定，距离变为，则两球间库仑力的大小为2()1A.F124C.F3答案C2Qq3Q解析根据库仑定律Fk2可知，接触前，两者之间的库仑力Fk2，接触后两者之间的库仑力rrr3B.F4D12FQ2Fk，所以答案为 C.r223一个电荷只在静电力作用下从电场中的A点移动到B点时，静电力做了 510 J 的功，那么()46A电荷在B点将具有 510 J 的电势能B电荷在B点将具有 510 J 的动能C电荷的电势能减少了510 JD电荷的电势能增加了510 J答案C解析电荷只在静电力作用下从电场中的A点移动到B点时，静电力做正功，电势能减少，静电力做了多少正功，电荷的电势能就减少多少因电荷在A点的动能和电势能不知道，所以不能确定电荷在B点的动能和电势能故选项C 正确4如图 1 为某匀强电场的等势面分布图，每两个相邻等势面相距2 cm，则该匀强电场的场强大小和方向分别为()6666图 1AE100 V/m，竖直向下BE100 V/m，竖直向上CE100 V/m，水平向左DE100 V/m，水平向右答案C解析电场方向与等势面垂直且指向电势降低的方向，故电场方向水平向左；由UEd可得：E22 V/m100 V/m，故 C 正确210Ud5(2016诸暨市期末)如图 2 甲所示，一块有机玻璃板和一块塑料板，手持有机玻璃棒用力快速摩擦两板后分开；接着将塑料板插入箔片验电器上端的空心金属球中，没有接触金属球，发现金属箔片张开，如图乙所示；然后抽回塑料板，再将有机玻璃板和塑料板互相平行但不接触，同时插入空心金属球，仍没有接触金属球，发现金属箔片没有张开，如图丙所示关于这一实验现象，下列的说法正确的是()图 2A两板摩擦后带电说明创造了新的电荷5B图乙验电器箔片张开是因为发生了电磁感应C图乙验电器箔片张开是因为板上电荷转移到箔片上D图丙验电器箔片没有张开是因为两板带等量异种电荷答案D库仑定律与电场强度等量同种和异种点电荷的电场强度的比较比较项目等量异种点电荷等量同种点电荷电场线分布图连线中点O处的场强连线上的场强大小(从左到右)沿中垂线由O点向外场强大小关于O点对称的A与A、B与B的场强连线上O点场强最小，指向负电荷一方沿连线先变小，再变大为零沿连线先变小，再变大O点最大，向外逐渐减小O点最小，向外先变大后变小等大同向等大反向例 1(2016浙江 10 月学考13)如图 3 所示，质量为m、电荷量为q的带电小球A用绝缘细线悬挂于O点，带有电荷量也为q的小球B固定在O点正下方绝缘柱上 其中O点与小球A的间距为l，O点与小球B的间距为 3l.当小球A平衡时，悬线与竖直方向夹角30.带电小球A、B均可视为点电荷，静电力常量为k.则()图 3kq2AA、B间库仑力大小为F22l6BA、B间库仑力大小为F3mg3kq2C细线拉力大小为FT23lD细线拉力大小FT 3mg答案Bkq2解析小球A的受力分析如图由于对称性，细线拉力等于库仑力2，且根据l13mg3mg平衡条件得F库cos30mg，化简得F库，即细线拉力FT，233因此正确选项为 B.解决平衡问题的方法技巧分析带电体的平衡问题的关键是受力分析，正确画出受力图，不共线力作用下的平衡问题的分析方法有正交分解法和合成法(只分析含有直角的情况)两种方法都是利用直角三角形的知识求解变式题组1(2015浙江学考模拟)如图所示的四种电场中，分别标记有a、b两点，其中a、b两点电场强度相同的是()答案D解析电场强度是矢量，a、b两点的电场强度相同，则要求场强的大小和方向都相同，故D 对图 42 如图 4 所示，B为线段AC的中点，如果在A处放一个Q的点电荷，测得B处的场强EB48 N/C，则()AEC24 N/CBEC12 N/C7C若要使EB0，可在C处放一个Q的点电荷D把q10 C 的点电荷放在C点，则其所受电场力的大小为610 N答案B解析由真空中点电荷的场强公式E2知 A 错误，B 正确；根据场的叠加及点电荷产生的场强方向知，应在C处放一等量同种电荷，C 错误；FqEC1.210 N，D 错误3如图 5 所示，水平匀强电场中，一带电荷量为q、质量为m的小球静止在倾角为 的光滑斜面上，则关于场强方向及大小的判断正确的是()899kQr图 5A向右，tan C向右，sin 答案BmgqmgqB向左，tan D向左，sin mgqmgq解析小球静止，所受合力为零重力和水平方向的电场力不能使其平衡，因此一定会受到斜面支持力的作用由三力平衡情况可知，小球所受电场力应水平向右，即Eqmgtan ，由此得匀强电场场强大小为tan .因小球带负电，所以匀强电场方向与小球受力方向相反，即电场方向向左故选 B.电势能和电势电势差1电势和电场强度的区别(1)电势是标量，是描述电场能的性质的物理量；电场强度是矢量，是描述电场力的性质的物理量(2)电势高的地方场强不一定大，二者在大小上无必然联系(3)沿电场强度方向电势降低2电势高低的判断判断角度依据电场线方向依据电场力做功依据场源根据UAB的高低取无穷远处电势为零，正电荷周围电势为正值，负电荷周围电势判断方法沿电场线方向电势逐渐降低mgqWAB，将WAB、q的正负号代入，由UAB的正负判断 A、qB8电荷的正负依据电势能的高低3.电势能大小的判断判断角度做功判断法电荷电势法公式法为负值；靠近正电荷处电势高，靠近负电荷处电势低正电荷在电势较高处电势能大，负电荷在电势较低处电势能大判断方法电场力做正功，电势能减小；电场力做负功，电势能增大正电荷在电势高的地方电势能大，负电荷在电势低的地方电势能大由Epq 将q、的大小、正负号一起代入公式，Ep的正值越大，电势能越大；Ep的负值越小，电势能越大在电场中，若只有电场力做功，电荷的动能和电势能相互转化，动能增大，电势能减小，反之，动能减小，电势能增大能量守恒法例 2如图 6，直线上有O、a、b、c四点，a、b间的距离与b、c间的距离相等在O点处有固定点电荷已知b点电势高于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()图 6A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点处点电荷带正电，其周围部分电场线分布如图所示，带负电荷的粒子由c到b再到a过程中，电场强度不断变大，又bcab，故WabWbc，故A、B 项均错误；粒子由cba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 项错误电场力做功的计算方法(1)由公式WFlcos 计算，此公式只适用于匀强电场，可变形为：WqElcos .(2)由WqU来计算，此公式适用于任何形式的静电场(3)由动能定理来计算：W电场力W其他力Ek.(4)由电势能的变化来计算：WABEpAEpB.变式题组94如图 7 所示，一圆环上均匀分布着正电荷，x轴垂直于环面且过圆心O.下列关于x轴上的电场强度和电势的说法中正确的是()图 7AO点的电场强度为零，电势最低BO点的电场强度为零，电势最高C从O点沿x轴正方向，电场强度减小，电势升高D从O点沿x轴正方向，电场强度增大，电势降低答案B解析圆环上均匀分布着正电荷，可以将圆环等效为很多正点电荷的组成，同一条直径的两端点的点电荷的合场强类似于等量同种电荷的场强，故圆环的中心的合场强一定为零，x轴上的合场强，在圆环的右侧方向沿轴向右，左侧方向沿轴向左，电场强度都呈现先增大后减小的趋势，因沿电场线的方向电势逐渐降低，所以可得O点的电势最高，选项 B 正确5 如图 8 所示，一带负电的粒子，沿着电场线从A点运动到B点的过程中，以下说中正确的是()图 8A带电粒子的电势能越来越小B带电粒子的电势能越来越大C带电粒子受到的静电力一定越来越小D带电粒子受到的静电力做正功答案B解析带负电的粒子所受静电力方向与电场线方向相反，所以当带负电的粒子沿着电场线从A点运动到B点的过程中，静电力做负功，电势能越来越大，选项 A、D 错误，B 正确；电场线的疏密表示场强的大小，所以EAEA，所以粒子的加速度aBaA.由定性画出的等势面并根据沿电场线方向电势降低，可知电势AB.由粒子运动轨迹的弯曲方向可知静电力做正功，所以动能、电势能的变化情况为EkBEkA，EpBPN可知，负电荷在M点电势能小于在N点的电势能，选项C 错误正电荷在M点静止释放，电荷在电场力的作用下运动，但是运动轨迹并不是电场线，选项D 错误电势差与电场强度的关系(加试)在匀强电场中由公式UEd得出“一式二结论”13图 14(1)“一式”UW电E，其中d是沿电场线方向上的距离dqd(2)“二结论”AB结论 1匀强电场中的任一线段AB的中点C的电势 C，如图 14 甲所示2结论 2匀强电场中若两线段ABCD，且ABCD，则UABUCD(或 ABCD)，如图乙所示例 4(2015浙江学考模拟)如图 15 所示，匀强电场场强为 110 N/C，abdc4 cm，bcad3 cm，则下述计算结果正确的是()3图 15Aab之间的电势差为 4 000 VBac之间的电势差为 50 VC将q510 C 的点电荷沿矩形路径abcda移动一周，静电力做功为零D将q510 C 的点电荷沿abc或adc从a移动到c，静电力做功都是0.25 J答案C解析UabEab110 0.04 V40 V，选项 A 错；UacUab40 V，选项 B 错；将负点电荷移动一周，电势差为零，静电力做功为零，故选项 C 对；WacqUac510 40 J0.2 J，选项 D 错公式UABEd的应用技巧1公式UABEd只适用于匀强电场的定量计算2公式中的“d”指电场中两点沿电场强度方向的距离，如果电场中两点不沿场强方向，d的取值应为两点连线在场强方向的投影，或为两点所在等势面间的垂直距离3在应用时，可把公式UABEd简化为UEd，即只计算两点间的电势差大小，至于电势差的正负、电场强度的方向我们根据题意另作判断4电场强度与电势差的关系式也可写作E每单位距离上降低的电势143333UAB，它的意义是：电场强度在数值上等于沿电场方向d变式题组10(2016金华十校调研)a、b、c是匀强电场中的三个点，各点电势依次为10 V、2 V、6 V；三点在同一平面上，下列图中电场强度的方向表示正确的是()答案C解析由于Uabab8 V，则ab中点处电势为 6 V，因此c点与ab中点的电势相同，c点与ab中点的连线则为一条等势线，电场强度方向应垂直于该等势线并且指向电势较低的方向，故选项 C 正确11如图 16 所示，在平面直角坐标系中，有方向平行于坐标平面的匀强电场，其中坐标原点O处的电势为 0，点A处的电势为 6 V，点B处的电势为 3 V，则电场强度的大小为()图 16A200 V/mC100 V/m答案A解析x轴上OA的中点C的电势为 3 V，则BC的连线为等势线，如图所示，电场的方向与等势线垂直，且由电势高处指向电势低处，根据几B200 3 V/mD100 3 V/mU3何关系，O点到BC的距离为d1.5 cm，所以E V/m200d0.015V/m，故选项 A 正确.1下面关于电势差的理解正确的是()A电势差是矢量，电势差的正负表示方向B电势差是标量，电势差的正负表示大小C电势差是一个相对量，电场中两点间电势差的大小与零电势位置的选取有关D电势差是标量，电势差的正负反映了电场中两位置电势的高低15答案D解析电势差是标量，没有方向，电势差的正负反映了电场中两个不同位置的电势高低，选项A、B 错误，选项 D 正确；电势差是一个绝对量，反映电场能的性质，与零电势位置的选取无关，选项C 错误2(2016杭州模拟)对公式EUab的理解，下列说法正确的是()dA此公式适用于计算任何电场中a、b两点间的电势差Ba点和b点间距离越大，则这两点的电势差越大C匀强电场中a、b两点沿电场线的距离越大，则电场强度越小D公式中的d是匀强电场中a、b所在的两等势面之间的距离答案D解析此公式只适用于匀强电场，选项 A 错误；a、b两点间的电势差不仅取决于场强的大小，还取决于沿电场方向的距离d，a、b间距离大，d不一定大，故选项B 错误；匀强电场中的电场强度大小与a、b两点间的距离无关，是恒定的，选项C 错误；公式中的d是匀强电场中a、b所在的两等势面之间的距离，选项D 正确图 13根据如图 1 所示的电场线，可以判定()A该电场一定是匀强电场BA点的电势一定低于B点电势C负电荷放在B点电势能比A点大D负电荷放在B点电势能比A点小答案C解析题图的电场线可能是匀强电场中的电场线，也可能是正电荷放在左端时的电场线，也可能是负电荷放在右端箭头处的电场线，还有可能是正、负电荷间的一条电场线，故该电场不一定是匀强电场根据电场线的方向，顺着电场线的方向电势越来越低，故A点电势一定高于B点电势把负电荷从A点移动到B点时，电场力做负功，电势能增加，故负电荷在B点电势能比A点大，应选C.4(2015浙江学考模拟)在具有一定厚度的空心金属球壳的球心位置处放一正电荷，图中的四个图画出了其空间电场的电场线情况，符合实际情况的是()答案D解析正电荷放在空心金属球球心，球壳由于静电感应带电，内表面带负电，外表面带正电，因为16电场线从正电荷出发，到无穷远或到负电荷终止，球壳金属内部合场强处处为零，所以D 正确5(2015金华学考模拟)如图 2 所示，将悬挂在细线上的带正电荷的小球A放在不带电的金属空心球C内(不与内壁接触)，另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，则()图 2AA向左偏离竖直方向，B向右偏离竖直方向BA的位置不变，B向右偏离竖直方向CA向左偏离竖直方向，B的位置不变DA和B的位置都不变答案B解析金属球壳C能屏蔽外部的电场，外部的电场不能深入内部，因此小球A不会受到静电力的作用，不会发生偏转；金属球壳C处在电荷A的电场中，内壁是近端，感应异号电荷负电，外壁是远端，感应同号电荷正电，该正的感应电荷在外部空间同样会激发电场，对小球B有吸引的作用，B向右偏，选项 B 正确6如图 3 所示，实线为不知方向的三条电场线，从电场中M点以相同速度垂直于电场线方向飞出a、b两个带电粒子，仅在电场力作用下的运动轨迹如图中虚线所示，则()图 3Aa一定带正电，b一定带负电Ba的速度将减小，b的速度将增加Ca的加速度将减小，b的加速度将增大D两个粒子的动能一个增加一个减小答案C解析粒子在电场力作用下做曲线运动，电场力指向轨迹的凹侧，从图中轨迹变化来看电场力都做正功，动能都增大，电势能都减少电场线的方向不知，所以粒子带电性质不定，所以A、B、D 错误电场线密的地方电场强度大，电场线疏的地方电场强度小，所以a受力减小，加速度减小，b受力增大，加速度增大，所以C 正确7如图 4 所示，图中实线是一簇未标明方向的由点电荷产生的电场线，虚线是某带电粒子通过该电场区域时的运动轨迹，a、b是轨迹上的两点，若带电粒子在运动过程中只受电场力作用，根据此图无法做出的判断是()17图 4A带电粒子所带电荷的正、负B带电粒子在a、b两点的受力方向C带电粒子在a、b两点的加速度何处较大D带电粒子在a、b两点的速度何处较大答案A解析由电场线的疏密可知，a点的场强大，带电粒子在a点的加速度大；画出初速度方向结合运动轨迹的偏转方向，可判断带电粒子所受电场力的方向，但由于电场的方向未知，所以不能判断带电粒子的电性；利用初速度的方向和电场力方向的关系，可判断带电粒子由a到b时电场力做负功，动能减小，因此vavb，故选 A.8(2015浙江学考模拟)如图 5 所示，空间中的M、N处存在两个被固定的、等量同种正点电荷，在它们的连线上有A、B、C三点，已知MACNNB，MAB，故UBA5 V，选项 C 正确15(2016宁波市联考)如图 12 所示，带有等量异号电荷的一对平行金属板A、B间为一匀强电场，B10 VD3 VA、B相距 6 cm，C、D为电场中的两点(其中C点在金属板上)，且CD4 cm，CD连线和场强方向成 60角已知电子从D点移到C点静电力做功为 3.21017J，则匀强电场的场强E及A、B两点间的电势差UAB为()图 12A210 N/C；450 VB110 N/C；450 VC110 N/C；600 VD110 N/C；600 V答案D3.210解析由题知，电子由D移到C静电力做正功WqELCDcos 60，则E1921.610410 0.5N/C110 N/C.由于电子从D移到C静电力做正功，因此，受到的静电力方向向上，电子带负电，则场强方向为AB.A、B间电势差为UABEdAB110 610 V600 V故选项 D 正确16如图 13 所示，在绝缘的斜面上方，存在着匀强电场，电场方向平行于斜面向上，斜面上的带电金属块在平行于斜面的力F作用下沿斜面移动已知金属块在移动的过程中，力F做功 32 J，金属块克服电场力做功 8 J，金属块克服摩擦力做功 16 J，重力势能增加 18 J，则在此过程中金21424174544属块的()图 13A动能减少 10 JC机械能减少 24 J答案A解析由动能定理可知 Ek32 J8 J16 J18 J10 J，A 正确；克服电场力做功为8 J，则电势能增加 8 J，B 错误；机械能的改变量等于除重力以外的其他力所做的总功，故应为 E32 J8 J16 J8 J，C 错误；金属块内能的增加量等于克服摩擦力所做的功，D 错误17如图 14 所示，匀强电场中有a、b、c三点，ab5 cm，bc12 cm，其中ab沿电场方向，bc和电场方向成 60角，一个电荷量为q410 C 的正电荷从a移动到b，静电力做功为W11.210 J，求：78B电势能增加 24 JD内能增加 32 J图 14(1)匀强电场的电场强度E的大小；(2)电荷从b移到c，静电力做的功W2；(3)a、c两点的电势差Uac.答案(1)60 V/m(2)1.4410 J(3)6.6 V7UabW11.210解析(1)设a、b两点的间距为d，W1qUab，E，所以E V/m60 V/m.dqd410851027(2)设b、c两点沿电场强度方向的距离为d1，UbcEd1，d1bccos 60，W2qUbc由以上三式得：W2qEbccos 601.4410 J(3)电荷从a移到c静电力做功为WW1W2qUac7W1W21.21071.44107所以Uac V6.6 V.8q41022