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- 2021-06-01 发布
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高二物理电势差、电势、电势能北师大版
【本讲教育信息】
一. 教学内容:
电势差、电势、电势能
二. 重点、难点:
(一)电势差
1. 概念:电荷q在电场中由一点A移动到另一点B时,电场力所作的功WAB与电荷量的比值WAB/q,叫做A、B两点间的电势差,用UAB表示。
2. 电势差是表征电场能的性质的物理量。在数值上,A、B两点间的电势差等于单位正电荷由A点移动到B点时电场力做的功。
(二)电势
定义:电场中某点的电势,等于单位正电荷由该点移动到参考点(零电势点)时电场力所作的功。即某点的电势等于该点与零电势点间的电势差,
1. 电场中某点的电势由电场本身性质决定,与放入的检验电荷无关,与是否放入检验电荷无关。
2. 电势是相对的,只有先确定了电场中某点的电势为零后,才能确定电场中其他点的电势。
3. 电势是标量,但有正负,电势为正表示该点电势比零电势点高;电势为负表明比零电势点低。
当取无穷远处为零电势点时可以推证(请同学们自己完成):正点电荷的电场中各点的电势都为正的,负点电荷的电场中各点的电势都为负的。
4. 顺着电场线方向电势越来越低,逆着电场线方向电势越来越高。
分UAB和UBA,这时电势差取正值,都简写成U。这时电势差也叫电压。
(三)电势能
1. 电场力作功的特点:在电场中移动电荷时电场力作功的多少,只跟被移动电荷的始末位置有关,跟运动路径无关。
2. 电势能的概念:由电荷在电场中的位置所决定的能量叫电势能,电势能是由电场和电荷组成的系统共有的。
3. 电场力作功与电势能的改变:在电场中移动电荷,若电场力作正功,电势能减小,即由电势能转化为其他形式的能;若电场力作负功,电势能增加,即由其他形式的能转化为电势能;电场力作功多少,电势能就改变多少,所以电场力的功是电荷电势能变化的量度。
(四)电场中电荷q从A移动到B,电场力做功WAB=qUAB。
三. 难点分析:
(1)
2. 电势、电势能的高低、大小、正负的判定
(1)根据激电场的源电荷判断
正电荷+Q激发的电场,离+Q越近,电势越高。
负电荷-Q激发的电场,离-Q越近,电势越低。
(2)根据电场线判断:
顺着电场线的方向,电势逐渐降低
(3)根据检验电荷判断:
电场中移动电荷A时,电场力做正功,电势能一定降低。
3. 如何处理计算中的正、负号
“+、-”号在不同的物理量中表示的物理意义不同。矢量的正负号表示方向;而标量的正负号的物理意义也不尽相同,如电势、电势能的正负号表示相对于参考点的高低;电场力作功的正负则表示电场力与电荷位移的夹角关系,表示电场力是动力还是阻力。
下面的处理方式,供同学们参考。
(1)求矢量,一律不带符号。
在进行矢量运算时,所有物理量一律不带符号,只计算矢量的大小,矢量的方向可根据有关知识另行判断。
号电荷相吸”,可判断力的方向。
再如E=F/q计算场强时,先只代F大小和q电量多少,计算出E大小,再根据“正电荷受力方向为场强方向”判断E方向。
(2)求标量如WAB=qUAB等,有两种处理方法:
法一:一律带“+”“-”号
将所有物理量的符号均带上,计算所得最后结果即待求量结果。
法二:一律取绝对值
所有量均取绝对值(均取正值),再根据物理过程判断所求量的正、负。
(见例3)
【典型例题】
例1. a、b为电场中的两点,且a点电势高于b点,则可知( )
A. 把负电荷从a点移到b点电场力做负功,电势能增加
B. 把正电荷从a点移到b点电场力做正功,电势能减少
C. 无论移动的是正电荷还是负电荷,电荷的电势能都要减少
D. 无论是否有电荷移动,a点电势能总是大于b点的电势能
分析:无论正电荷还是负电荷,电场力做正功电势能减少,电场力做负功电势能增加,因此A、B两选项都是正确的,C错误。对D选项,我们首先要清楚,在电场中某点放入电荷,这个电荷就具有电势能。像重力势能属于物体和地球构成的物理系统一样,电势能是由放入电场的电荷和电场共同决定的。不明确放在a、b点的电荷性质,不能比较其电势能高低;若a、b两点不放入电荷,单就电场中的某点,不存在电势能问题。因此D选项错误。
解:AB选项正确
例2. 如图所示,一负点电荷产生的电场中有A、B两点,两点间电势差为200V,电量为-6×10-8C的电荷从B移到A,它的电势能改变多少?是增加还是减少?该电荷在A、B两点的电势能哪个大?哪点场强大?哪点电势高?
分析:本题电势能的改变量可由|△Ep|=|W|=qU求解,且电势能是增加还是减少可分三步判定:
(1)电场力是什么方向——由于移动的是负电荷,它受电场力的方向跟场强方向相反(图示向右)。
(2)电荷移动方向和电场力方向的关系——电荷由B向A移动,与受电场力方向相反。
(3)电场力做正功还是做负功——电场力做负功,因而电势能增加。
又因为检验电荷为负电荷,因此电势能EPA>EPB。
发,该点电荷在图示电场线的左侧,故rA<rB,即场强EA>EB。
解:电势能的改变量:
例3.
解析:(方法一)先求电势差绝对值,再判断电势高低
电荷q从A到B电场力做正功,电势能一定降低
又q为负电荷,故电势升高
电荷q从A到C电场力做负功,电势能升高。
(方法二)
例4. 如图所示,实线为一簇未标明方向的由点电荷产生的电场线,虚线是某一带电粒子经过该电场区域的运动轨迹,a、b为其轨迹上的两点。若带电粒子在运动中只受电场力作用,根据此图可作出正确判断的是( )
A. 带电粒子所带电荷的符号
B. 带电粒子在a、b两点的受力方向
C. 可以比较带电粒子在a、b两点的速度大小
D. 可以比较带电粒子在a、b两点的电势能的大小
分析:带电粒子在运动中只受电场力作用,它的轨迹是曲线,则弯曲的一侧即为受力方向,图中的轨迹弯曲的方向是指向电场线密集的一侧,则说明带电粒子所受的电场力是指向场源电荷(即题中所说的点电荷),故可以判断带电粒子在a、b两点的受力方向。带电粒子的受力方向确定后,则说明带电粒子离点电荷越远,电势能越大(它们之间为引力),可以判断带电粒子在a点的电势能比在b点的电势能小,由带电粒子与点电荷间为引力,带电粒子运动又逐渐远离点电荷,故电场力做负功,由动能定理可以判断a点的速度比b点的速度大。但由于不知道场源电荷的性质,故不能判断带电粒子所带电荷的符号。
解:B、C、D选项正确。
小结:这是一道综合性较强的题,利用带电粒子的轨迹来确定带电粒子所受电场力的方向,从而确定带电粒子在轨迹上两点的速度大小和电势能的大小。
本题由于只有电场力做功,则粒子运动中,动能与电势能总和守恒,也可由电势能的高低来判断动能的大小。
例5. 如图中,a、b为竖直向上的电场线上的两点,一带电质点在a点由静止释放,沿电场线向上运动,到b点速度恰好为零,下列说法正确的是( )
A. 带电质点在a、b两点所受的电场力都是竖直向上的
B. a点的电势比b点的电势高
C. 带电质点在a点的电势能比在b点的电势能小
D. a点的电场强度比b点的电场强度大
分析:带电质点由a点到b点的运动,必为先加速后减速,质点的重力不可忽略(若不计重力,则释放后质点必做加速运动),所以质点所受的电场力应向上。开始时电场力大于重力,后来电场力小于重力,电场力一直做正功,带电质点的电势能减小,重力势能增大,动能先增大后减小,电场强度应变小。
解:A、B、D选项正确。
小结:此题综合性较强,关键要根据带电质点的运动判断重力不可忽略,这是隐含条件。然后由电场力做功判断电势能的变化;由电场线的方向判断电势的高低;由质点的运动判断电场力的变化。最后得出场强的变化。
【模拟试题】
1. 对于电场中A、B两点,下列说法正确的是( )
A. 电势差的定义式,说明两点间的电势差与电场力做功成正比,与移动电荷的电荷量q成反比
B. A、B两点间的电势差等于将正电荷从A点移到B点电场力所做的功
C. 将1C电荷从A点移到B点,电场力做1J的功,这两点间的电势差为1V
D. 若电荷由A点移到B点的过程,除受电场力外,还受其他力的作用,电荷电势能的变化就不再等于电场力所做的功
2. 电荷在电场中移动时,下面说法正确的是( )
A. 正电荷顺着电场线移动,电场力作正功,电势能增加
B. 正电荷逆着电场线移动,电场力作负功,电势能增加
C. 负电荷顺着电场线移动,电场力作负功,电势能减少
D. 负电荷逆着电场线移动,电场力作正功,电势能减少
3. 如图所示在电场中,任取一条电场线,电场线上的a、b两点相距为d,则( )
A. a点场强一定大于b点场强
B. a点电势一定高于b点电势
C. ab两点处在匀强电场中
D. ab两点间的电势差等于单位正电荷由a点沿任意路径移到b点过程中电场力做的功
4. 下列关于电场性质的说法,正确的是( )
A. 电场强度大的地方,电场线一定密,电势也一定高
B. 电场强度大的地方,电场线一定密,但电势不一定高
C. 匀强电场中两点间的电势差的大小仅与两点间的距离有关
D. 两个等量同种电荷连线中点电势为零,场强不为零
5. 已知在一个电场中,正电荷在A点的电势能大于它在B点的电势能,则( )
A. 将正电荷从A点移到B点,电场力作正功
B. 将正电荷从A点移到B点,将克服电场力作功
C. 将负电荷从A点移到B点,电场力作正功
D. 将负电荷从A点移到B点,将克服电场力作功
6. 一个点电荷从静电场中的a点移到b点,其电势能变化为零,则( )
A. a、b两点的场强一定相等
B. 该电荷一定沿等势面移动
C. 作用于该点电荷的电场力与其移动方向总是垂直的
D. a、b两点电势一定相等
7. 如图所示,电场中有A、B两点,则下列说法中正确的是( )
A. 电势,场强
B. 电势,场强
C. 将电荷从A点移到B点电场力做了正功
D. 将电荷分别放在A、B两点时具有的电势能
8. 一个带正电的质点,电量,在静电场中由a点移到b点,在这过程中,除电场力外,其他力做功,质点的动能增加了,则a、b两点间电势差为( )
A. B.
C. D.
9. 如图所示,对两个电量均为的点电荷连线中点O和中垂线上某点P正确的是( )
A.
B.
C. 将正电荷从O移到P,电场力做正功
D. 将正电荷从O移到P,电场力做负功
10. 如图所示,在同一条电场线上有A、B两点,已知将从A点移到B点,外力克服电场力做功,则电场线的方向是由____________点指向____________点的;A、B两点比较,____________点的电势高。
11. 如图所示,在某点电荷的电场中,若取无穷远处电势为零,则A点电势为30V,如果将C的电荷放在A点,它具有电势能为,如果把q从A移到B,电场力做功的绝对值是,则q在B点的电势能为____________J,电势=____________V。
12. 如图所示,匀强电场场强为E,在电场中A、B、C三点构成边长为a的等边三角形。它所在平面和电场线平行,且AB边与电场线垂直。当正电荷q从B→C→A运动时电场力做功____________,当从B→A→C运动时电场力做功____________。
13. 如果把的正电荷,从无穷远移至电场中的A点,需要克服电场力做功,那么:
(1)q在A点的电势能和A点的电势各是多少?
(2)q未移入电场前A点的电势是多少?
14. 在电场里,一个电子从A点移到B点,电场力做功30 eV,已知B点的电势为110V,求A点的电势。
15. 在电场中把电量为的负电荷从A点移到B点,电场力作功,再把它从B点移到C点,外力克服电场力作功,A、B、C三点电势最高的是哪一点?A、C间的电势差为多少?
试题答案
1. C 2. BD 3. BD 4. B
5. AD 6. D 7. BC
8. B
解析:设电场力做的功为
由动能定理有:
解得:
则
9. C
10. A;B;A
11.
12.
解析:正电荷受电场力方向沿电场方向,由于电场力做功与路径无关,从B→C→A运动与从B→A沿直线运动做功相同,因为,故。
同理
13. (1);(2)
解析:(1)克服电场力做功,电荷的电势能增加,可知q在A点的电势能为正值。
(2)A点的电势由电场本身决定,与A点是否有电荷无关。所以q移入电场前,A点的电势仍为。
14. 80V
解析:由电场力做功,AB两点间电势差的大小:
电子从A点移到B点,电场力做正功,它的电势能减小。由于电场力对负电荷做正功时,负电荷一定是从低电势向高电势移动,所以。
即:
15. B点;
解析:
由<1><2>得:
即A、B、C三点中B点电势最高
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