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- 2021-06-01 发布
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高二物理电势差、电势、电势能通用版
【本讲主要内容】
电势差、电势、电势能
【知识掌握】
【知识点精析】
一. 电势差
解析:为什么这样定义电势差?会有什么物理上的意义。
3. 由以上分析可知:
(1)顺电场线移动正电荷做正功,反之则反,但功跟电量比值不变,由两点位置决定,且为正值。
(2)逆电场线移动负电荷做负功,反之则反,但功跟电量比值不变,由两点位置决定,且为负值。
4. 由此得以下物理意义:
物理意义:
1. 由电场中两点位置决定,反映电场能的性质。
2. 与检验电荷电量、电性无关。
3. 表示移动单位电量正电荷,电场力做的功。
二. 电势
1. 高度差与高度关系分析:
m物体由A移到B ,叫AB两点高度差。
m物体由A移到参考点O ,叫AO两点高度差。
∵是A相对特殊点高度差
∴叫A点高度,类似地:
2. 概念:
(1)带电量q的电荷由电场中某点A移到参考点O,电场力做功WAO跟q比值叫(AO两点电势差)A点电势。
(2)电场中某点相对参考点的电势差,叫该点电势。
物理意义:
(1)由电场中某点位置决定,反映电场能的性质。
(2)与检验电荷电量、电性无关。
(3)表示将1C正电荷移到参考点电场力做的功。
3.
4. 单位:V(伏)
5.
三. 电势能
1. 质量为m物体,由重力场中某点移到参考点重力能做多少功,m在该点具有多少重力势能。电量为q的电荷,由电场中某点移到参考点电场力能做多少功,q在该点只有多少重力势能。以上说法我们可以认为是规定的一样,按这个规定可以这样定义电势能。
2. 概念:
(1)电荷在电场中具有的能。
(2)电荷q由电场中某点A移到参考点O,电场力做的功等于q在A
点具有的电势能。
3.
4. 电场力做功跟电势能变化关系:
(1)
(2)电场力做正功,电势能减少~转化成其它形式能。
(3),电场力做负功,电势能增加~其它形式能转化成电势能。
5.
6.
【解题方法指导】
例1. 一带电荷量等于的负电荷在电场中从a点移到b点时电场力做功,从b点移到c点时电势能增加,从c点移到d点时克服电场力做功,则a、b、c、d四点中电势最低的点为( )
A. a点 B. b点 C. c点 D. d点
解:
三式相加
取d,排除a
分析:比较a、b,已排除b
∴c、b不必比较第二式可不求,直接比较a、c。
解法二: 取a,除b
取a,除c
取d,除a
将各点电势都与某一点比,且学会求电势差可用全过程做总功除以电量。
例2. 如图所示,平行直线表示电场线,但未标方向,带电荷量为的粒子在电场中只受电场力作用,由A点移到B点,动能损失0.1J,若A点电势为,则下列判断正确的是( )
(1)B点的电势为10V
(2)电场线方向从右向左
(3)粒子的运动轨迹可能是轨迹1
(4)微粒的运动轨迹可能是轨迹2
A. (1)(3) B. (2)(4) C. (2)(3) D. (1)(4)
解:据动能定理,∵只受电场力作用
∴①×
,电势升高
∴电场线向左 ∴②√
∴电场力向左,指向轨迹内侧 ∴③√
∴选C
请同学们思考:
(1)能否根据动能的变化,判定电势能的变化。
(2)若不只在电场力作用下,能否判定电势能的变化。
解析:(1)∵只受电场力作用
∴电场力做的功就是合力做的功
∵动能减少
∴据动能定理,合力做负功,即电场力做负功
∴据电场力做功跟电势能变化关系,电势能增加。
(2)∵不只受电场力作用
∴合力做功不等于电场力做功
∴知道动能的变化,据动能定理可知合力做的功,但确定不了电场力做功
∴确定不了电势能变化
请同学们记住以下规律:
1. 只在电场力作用下:
(1)电场力做正功,电势能减少,动能增加,电能其它形式能(动能)
(2)电场力做负功,电势能增加,动能减少,其它形式能(动能)电能
2. 不只受电场力作用:
(1)电场力做正功,电势能减少,动能如何变化不确定。
(2)电场力做负功,电势能增加,动能如何变化不确定。
∴此题只受电场力作用这句话很关键。
【考点突破】
【考点指要】
在历年高考中,电势、电势差、电场力做功、电势能及其关系都是考查重点,概念问题多以选择题出现,有些知识渗透到综合题中,因为这些概念是描述电场的能的性质,所以与能量问题结合是常见的。
【典型例题分析】
例1. (2020·天津理综·18)一带电油滴在匀强电场E中的运动轨迹如图中虚线所示,电场方向竖直向下。若不计空气阻力,则此带电油滴从a运动到b的过程中,能量变化情况为( )
A. 动能减小 B. 电势能增加
C. 动能和电势能之和减少 D. 重力势能和电势能之和增加
解:油滴受力如图所示
∴轨迹向上变曲
据能量守恒,
思考:
1. 带电粒子带何种电荷?明确何种电荷是否能确定电场力做什么功。
2. 动能变化用什么衡量。
3. 电势能变化用什么衡量。
4. 重力势能变化用什么衡量。
请同学记住下面规律:
例2. (2000·春季招生·10)如图所示,P、Q是两个电荷量相等的正的点电荷,它们连线的中点是O,A、B是中垂线上的两点,用分别表示A、B两点的场强和电势,则( )
A. EA一定大于EB,UA一定大于UB
B. EA不一定大于EB,UA一定大于UB
C. EA一定大于EB,UA不一定大于UB
D. EA不一定大于EB,UA不一定大于UB
解:两同号正点电荷电场线知:在Q中垂线上,由中点O向无穷远电场线先变密后变疏
∴场强先增大,后减小
∵A、B两点哪一点周围电场线疏密不能确定
∴EA与EB无法比较大小
因为正点电荷各点电势都为正值,向无穷远电势越来越低
∴UA>UB
析:
这道题既考查了电场强度,又考查了电势,要明确正电荷电场中各点电势为正,远离正电荷、电势降低。
【达标测试】
1. 电场中两点间电势差的意义是( )
A. 它是由两点的位置决定的,与移送的电荷的种类和数量无关
B. 电势差与电场力作功成正比,与被移送的电量成反比
C. 电势差大小等于移送单位电荷时电场力所作的功
D. 两点间没有电荷移动,电势差为零
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点过程中电场力作的功
4. 若带正电的粒子只受电场力作用,则它在任意一段时间内( )
A. 一定沿电场线从高电势处向低电势处运动
B. 一定沿电场线从低电势处向高电势处运动
C. 不一定沿电场线运动,但一定向电势能减小的方向运动
D. 不一定沿电场线运动,也不一定由高电势处向低电势处运动
5. (2020浙江杭州高三检测)
如图所示,在等量的异种点电荷形成的电场中,有A、B、C三点,A
点为两点电荷连线的中点,B点为连线上距A点距离为d的一点,C点为连线中垂线距A点距离也为d的一点。则下面关于三点电场强度的大小、电势高低的比较,正确的是( )
A.
B.
C.
D. 因为零电势点未规定,所以无法判断电势的高低
6. (2020江苏连云港高三调研)
A、B是一条电场线上的两个点,一带负电的微粒仅在电场力作用下以一定初速度从A点沿电场线运动到B点,其速度-时间图象如图甲所示。则这一电场可能是图乙中的( )
7. (2020江苏南京高三调研)
如图所示中实线是一簇未标明方向的由点电荷产生的电场线,虚线是某一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. 带电粒子在a、b两点的速度何处较大
D. 带电粒子在a、b两点的电势能何处较大
8. 如图所示,a、b、c是一条电场线上的三点,a、b间的距离等于b、c间的距离。用分别表示a、b、c三点的电势和场强,可以判定( )
A. B.
C. D.
9. 电荷量为的点电荷,从电场中的a点移到b点的过程中,电场力做功
,则下列说法正确的是( )
A. 电荷的电势能增加了
B. 电荷的电势能减少了
C. a、b两点电势差等于,a点电势高
D. a、b两点电势差等于,b点电势高
10. 如果把的正电荷,从无穷远处移至电场中的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?
【综合测试】
1. 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正确的关系是( )
A.
B.
C. 将正电荷从O点移至P点,电场力作正功
D. 将正电荷从O点移至P点,电场力作负功
2. 在静电场中,将一个电子由a点移到b点,电场力作功为5eV,下列判断中正确的是( )
A. 电场强度的方向一定由b点指向a点
B.
C.
D. 因零电势点未确定,故a、b两点的电势没有确定值
3. 如图所示,A、B两点各放有电量为+Q和+2Q的点电荷,A、B、C、D四点在同一直线上,且AC=CD=DB,将一正电荷从C点沿直线移到D点,则( )
A. 电场力一直作正功 B. 电场力先作正功再作负功
C. 电场力一直作负功 D. 电场力先作负功再作正功
4. 一个带正电的质点,电量,在静电场中由a点移到b点,在这个过程中,除电场力外,其他力作的功为,质点的动能增加了,则a、b两点间的电势差为( )
A. B. C. D.
5. 如图所示,质量为m,带正电量为q的小球,用绝缘丝线悬于O点,置于场强为E的匀强电场中,最初保持悬线为竖直方向。当小球由静止释放向上摆至最高点的过程中,其重力势能增量为,电势能的增量为,二者之和为,则三者应符合下面哪种关系( )
A. B.
C. D.
6. 如图所示,直角三角形ABC的斜边倾角为30°,底边BC长2L,处在水平位置,斜边AC是光滑绝缘的。在底边中点O处放置一正电荷Q,一个质量为m、电荷量为q的带负电的质点从斜面顶端A沿斜边滑下,滑到斜边的垂足D时速度为v。[将(1)、(2)题正确选项前的标号填在括号内]
(1)在质点的运动中不发生变化的是( )
①动能
②电势能与重力势能之和
③动能与重力势能之和
④动能、电势能、重力势能三者之和
A. ①② B. ②③ C. ④ D. ②
(2)质点的运动是( )
A. 匀加速运动 B. 匀减速运动
C. 先匀加速后匀减速的运动 D. 加速度随时间变化的运动
(3)该质点滑到非常接近斜边底端C点时,速率vC为多少?沿斜面向下的加速度aC为多少?
7. 如图所示,一条长为L的细线上端固定,下端拴一质量为m的带电小球,将它置于一匀强电场中,场强大小为E,方向水平向右。已知细线离开竖直位置的偏角为α时,小球处于平衡:
(1)小球带何种电荷?求出小球所带的电量。
(2)若使细线的偏角由α增大到,然后将小球由静止释放,则为多大才能使在细线到达竖直位置时小球的速度刚好为零?
8. 如图所示,光滑绝缘杆竖直放置,且与以正点电荷Q为圆心的圆周交于B、C两点,一质量为m,带电量为q的空心小球从杆上A点无初速下滑,且AB=BC=h,小球滑到B点的速度为,求:
(1)小球滑到C点时的速度多大?
(2)A、C两点间电势差为多少?
9. 一个带正电的质点,电荷量,在静电场中由a点移到b点,在此过程中,除电场力外,其他力做的功为,质点的动能增加了,则a、b两点间的电势差为( )
A. B. C. D.
10. 如图所示,两等量异种电荷在真空中相隔一定距离,OO’表示两点电荷连线的中垂面,在两点电荷所在竖直平面上取图示的1、2、3三点。则这三点的电势的高低关系是( )
A. B.
C. D.
11. A、B两带电小球,A固体不动,B的质量为m、电荷量为q,在库仑力作用下,B由静止开始在水平面上运动。已知开始时,A、B间的距离为L,B的加速度为a,经过一段时间后,B的加速度为,此时A、B间距离为多少?已知此时B的速度为v,则在此过程中电荷电势能的减少量为多少?如果A不固定,且质量为2m,电荷量为2q,则同样当B的速度为v时,A、B两个电荷的电势能减少量又为多少?
达标测试答案
1. AC 2. BD 3. BD 4. D
5. 解析:点A、B在同一条电场线上,,点A、C在同一条等势线上,。但B点处的电场线较密,C点处的电场线较疏,故选项B正确。
答案:B
6. 解析:由甲图可知,微粒的速度减小,而加速度增大,可知,电场力做正功,带负电的微粒由高电势向低电势处运动,且电场线的密度增大,可知,选项A正确,选项B、C、D错误。
答案:A
7. 解析:尽管本题不涉及计算,但对同学们的分析能力要求很高。由于本题中的带电粒子没有告诉你是正还是负,似乎给分析带来一定的难度,但从带电粒子运动的轨迹知必与场源电荷为异种电荷,即知B正确,这也是解决本题的突破口。然后无论带电粒子从a运动到b还是从b运动到a,均可判断出C、D正确,即知本题的答案应是BCD。
答案:BCD
8. 解析:由于沿电场线方向电势降低,故A正确。由于不知这条电场线是什么电荷产生的,场强关系不能确定,故B、D错。虽然,只有匀强电场,C才对。由于电场不能确定,故D错。
答案:A
9. 解析:电荷在电场中移动时,电场力做正功,电势能减少,减少的电势能等于电场力所做的功。
由得
因为a、b两点间移动的是正电荷,电场力又做正功,一定是从高电势处移动到低电势处,所以a点的电势高。
答案:BC
10. 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。(无穷远处电势为0)
(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。
答案:(1)
(2)
【综合测试答案】
1. BC
点拨:O到P的电场方向由O指向P,由O至P延长到无穷远,电场强度E先由零变大至最大值再又变小至零。
2. C
点拨:电子电量。
3. B
点拨:由于A、B两点均放有带正电的点电荷,在AB连线上有一点的合场强必为零,设该点为E,且距A点距离为x,AB两点间的距离为L,根据点电荷的场强公式和场的叠加原理,有:
解得
可见E点在CD之间,E点左侧的合场强方向水平向右,E点右侧的合场强方向水平向左。所以将一正电荷沿直线从C点移到D点的过程中,电场力先作正功再作负功。
4. B
点拨:由动能定理和电场力作功的公式求解。
5. C
点拨:在小球的受力中,只有电场力和重力作功,因此电势能、动能、重力势能之和恒定,或表述为,即电势能的改变量,动能的改变量,重力势能的改变量之和为零,小球由静止向上摆动过程中,重力作负功,重力势能增加,而电场力作正功,电势能减少,但两者的增量之和等于动能的改变量。
6. (1)C (2)D
(3)
则B、C、D三点在以O为圆心的同一圆周上,是O点处点电荷Q产生的电场中的等势点,所以,q由D到C的过程中电场力作功为零,由能量守恒定律:
其中
解得:
质点在C点受三个力的作用:
根据牛顿定律
得:
点拨:质点下滑过程中受重力、电场力、斜面对质点的弹力作用,随质点的下滑电场力的大小和方向都变化,且弹力亦随之变化,故质点所受合外力随时间变化,由牛顿第二定律可知质点做加速度随时间变化的运动。在质点运动过程中斜面对质点的弹力不作功,重力和电场力作功使机械能和电势能发生变化,但电势能、动能与重力势能之和不变。
7. (1)正电 (2)
点拨:根据动能定理和牛顿第二定律分析、计算。
8. 解:因B、C两点在同一个等势面上,故
所以过程中电场力对小球作功为零
的过程,由动能定理得:
得:
过程,由动能定理得:
得:
那么
9. 解析:设电场力做的功为W1,由动能定理有:
解得
则
答案:B
10. 解析:由于两电荷等量异号,因此在两点电荷距离相等的位置,电势大小相等,符号相反,叠加后电势为零(选无穷远处为零电势面),以OO’为界,左侧电势大于零,右侧电势小于零,故A选项正确。
答案:A
11. 解析:由牛顿第二定律和库仑定律可知
小球B的加速度
设小球B的加速度为时两球间的距离为s,则有
解得
此过程电场力做正功,电荷的电势能减少,转化为B球的动能。则此过程中电荷电势能的减少量为。
若A不固定,释放后两球都将运动,对两球所组成的系统,合外力为零,动量守恒,设当B球的速度为v时,A球的速度为v’,则有,此过程A、B两个电荷的电势能减少量为
解得
答案:
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