2020版高考物理第七章第42课时电场性质的应用（题型研究课）讲义.docx

第42课时电场性质的应用(题型研究课)1(多选)(2017全国卷)一匀强电场的方向平行于xOy平面，平面内a、b、c三点的位置如图所示，三点的电势分别为10 V、17 V、26 V。下列说法正确的是()A电场强度的大小为2.5 V/cmB坐标原点处的电势为1 VC电子在a点的电势能比在b点的低7 eVD电子从b点运动到c点，电场力做功为9 eV解析：选ABD由题图知ac垂直于bc，沿ca和cb两方向的场强分量大小分别为E12 V/cm、E21.5 V/cm，根据矢量合成可知E2.5 V/cm，A项正确；根据在匀强电场中平行线上等距同向的两点间的电势差相等，有Oabc，得O1 V，B项正确；电子在a、b、c三点的电势能分别为10 eV、17 eV和26 eV，故电子在a点的电势能比在b点的高7 eV，C项错误；电子从b点运动到c点，电场力做功W(1726)eV9 eV，D项正确。2(2018天津高考)如图所示，实线表示某电场的电场线(方向未标出)，虚线是一带负电的粒子只在电场力作用下的运动轨迹，设M点和N点的电势分别为M、N，粒子在M和N时加速度大小分别为aM、aN，速度大小分别为vM、vN，电势能分别为EpM、EpN。下列判断正确的是()AvMvN，aMaNBvMvN，MNCMN，EpMEpN DaMaN，EpMEpN解析：选D电场线密的地方场强大，粒子受到的电场力大，所以aMN，故B、C错误；又由Epq和能量守恒知，带负电的粒子在电势越低的位置，具有的电势能越大，而动能越小，即EpMvN，故A错误，D正确。3(2018北京高考)静电场可以用电场线和等势面形象描述。(1)请根据电场强度的定义和库仑定律推导出点电荷Q的场强表达式；(2)点电荷的电场线和等势面分布如图所示，等势面S1、S2到点电荷的距离分别为r1、r2。我们知道，电场线的疏密反映了空间区域电场强度的大小，请计算S1、S2上单位面积通过的电场线条数之比。解析：(1)在距点电荷Q为r的位置放一电荷量为q的检验电荷。根据库仑定律可知，检验电荷受到的电场力Fk根据电场强度的定义E得Ek。 (2)由Ek可知E。由题意知EN，故穿过两等势面单位面积上的电场线条数之比。答案：(1)Ek(2)4(2015全国卷)如图，一质量为m、电荷量为q(q0)的粒子在匀强电场中运动，A、B为其运动轨迹上的两点。已知该粒子在A点的速度大小为v0，方向与电场方向的夹角为60；它运动到B点时速度方向与电场方向的夹角为30。不计重力。求A、B两点间的电势差。解析：设带电粒子在B点的速度大小为vB，粒子在垂直于电场方向的速度分量不变，即vBsin 30v0sin 60由此得vBv0设A、B两点间的电势差为UAB，由动能定理有qUABm(vB2v02)解得UAB。答案：电场强度、电势、电势差、电势能等概念是高考的热点，且经常结合电场线、等势面或带电粒子在电场中的运动轨迹考查，有时还结合图像考查，并涉及力的平衡、牛顿第二定律、动能定理等力学知识，复习备考时应引起足够的重视。 命题点一电场线、等势面(线)与运动轨迹问题1带电粒子在电场中的运动轨迹是由带电粒子受到的合外力以及初速度情况共同决定的，运动轨迹上各点的切线方向表示粒子在该点的速度方向；电场线只能够描述电场的方向和定性地表示电场的强弱，它决定了带电粒子在电场中各点所受电场力的方向和加速度的方向。显然，电场线不一定是带电粒子在电场中的运动轨迹。2若同时满足以下三个条件，则带电粒子的运动轨迹与电场线重合：(1)电场线是直线。(2)带电粒子的初速度为零或者初速度的方向与电场线在同一条直线上。(3)带电粒子只受电场力或受其他力但其他力的合力方向与电场线平行。典例带电粒子仅在电场力作用下，从电场中a点以初速度v0进入电场并沿虚线所示的轨迹运动到b点，如图所示。下列说法正确的是()A粒子带负电荷B从a到b过程中，粒子的速度先增大后减小C从a到b过程中，粒子加速度一直增大D从a到b过程中，粒子的机械能先减小后增大解析由题图知粒子受到的电场力沿电场线方向，故粒子带正电，A错误；从a到b过程中，电场力先做负功再做正功，粒子的电势能先增大后减小，动能先减小后增大，速度先减小后增大，根据电场线的疏密知场强先变小后变大，加速度先减小后增大，故粒子的机械能先减小后增大，B、C错误，D正确。答案D带电粒子运动轨迹问题的分析思路(1)根据带电粒子(只受电场力)的运动轨迹确定带电粒子受到的电场力的方向，带电粒子所受的电场力指向运动轨迹曲线的凹侧，再结合电场线的方向确定带电粒子的电性。(2)根据带电粒子在不同的等势面之间移动，结合题意确定电场力做正功还是做负功、电势能的变化情况或等势面的电势高低。 集训冲关1.(多选)如图所示，真空中M、N点处固定有两等量异种点电荷，a、b、c表示两点电荷形成的电场中的3条等势线，b是M、N连线的中垂线，交M、N于O点，a、c关于b对称，点d、e、f、g是以O为圆心的圆与a、c的交点。已知一带正电的试探电荷从d点移动到e点时，试探电荷的电势能增加，则以下判断正确的是()AM点处固定的是正电荷Bd点的电势低于f点的电势Cd点的场强与f点的场强相同D将带正电的试探电荷沿直线由d点移动到f点，电势能先增大后减小解析：选BC正试探电荷从d点移动到e点电势能增加，则d点电势低于e点，d点的电势低于f点的电势，M点处为负电荷，N点处为正电荷，由等量异种点电荷电场分布特点可知，d、f两点的电场强度大小相等、方向相同，将带正电的试探电荷沿直线从d点移动到f点，电势能一直增大，故B、C正确，A、D错误。2.(多选)(2019大庆检测)如图所示，三条平行等距的虚线表示电场中的三个等势面，电势值分别为10 V、20 V、30 V，实线是一带负电的粒子(仅受电场力)在该区域内的运动轨迹。对于运动轨迹上的a、b、c三点，下列说法正确的是()A粒子必先过a，再到b，然后到cB粒子在三点所受的力FaFbFcC粒子在三点的动能大小为EkbEkaEkcD粒子在三点的电势能大小为EpbEpaEpc解析：选BD由题图可知，该电场必为匀强电场，电场线垂直等势面向上，带负电的粒子所受电场力与电场线方向相反而向下，由做曲线运动的条件可知，粒子的运动轨迹也可以先过c，再到b，然后到a，选项A错误；粒子在匀强电场中受力情况不变，选项B正确；粒子在运动过程中，电势能的增加量等于动能的减少量，则有EkcEkaEkb，EpbEpaEpc，选项D正确，C错误。3(2016全国卷)如图，P是固定的点电荷，虚线是以P为圆心的两个圆。带电粒子Q在P的电场中运动，运动轨迹与两圆在同一平面内，a、b、c为轨迹上的三个点。若Q仅受P的电场力作用，其在a、b、c点的加速度大小分别为aa、ab、ac，速度大小分别为va、vb、vc。则()Aaaabac，vavcvbBaaabac，vbvcvaCabacaa，vbvcvaDabacaa，vavcvb解析：选D由题图知，a、b、c三点到P的距离rbrcra，则由Ek可知，三点的电场强度EbEcEa，故Q在这三点的加速度abacaa。由运动轨迹可知Q所受P的电场力为斥力，从a到b电场力做负功，由动能定理|qUab|mvb2mva20，则vbva，从b到c电场力做正功，由动能定理|qUbc|mvc2mvb20，vcvb，又|Uab|Ubc|，则vavc，故vavcvb，选项D正确。 命题点二电场中的功能关系问题1电场力做功的四种求法定义式WABFlcos qEd(适用于匀强电场)电势的变化WqUABq(AB)动能定理W电W其他Ek电势能的变化WABEpBAEpAEpB2.电场中的功能关系(1)若只有电场力做功，电势能与动能之和保持不变。(2)若只有电场力和重力做功，电势能、重力势能、动能之和保持不变。(3)除重力外，其他各力对物体做的功等于物体机械能的变化量。(4)所有外力对物体做的总功等于物体动能的变化量。典例 (2019成都一诊)如图所示，竖直固定的光滑绝缘细杆上O点套有一个电荷量为q(q0)的小环，在杆的左侧固定一个电荷量为Q(Q0)的点电荷，杆上a、b两点与Q正好构成等边三角形，c是ab的中点。将小环从O点无初速度释放，通过a点的速率为v。若已知abOal，静电力常量为k，重力加速度为g。则()A在a点，小环所受弹力大小为B在c点，小环的动能最大C在c点，小环的电势能最大D在b点，小环的速率为解析在a点，小环所受的电场力沿aQ方向，大小为k，水平方向小环受力平衡，所以小环受到向右的弹力大小等于电场力沿水平方向的分力sin 60，A错误；在c点时，小环水平方向受到电场力和杆的弹力作用，竖直方向受到重力作用，合力竖直向下，小环有竖直向下的加速度，所以在c点时小环的动能不是最大，B错误；c点距离Q最近，电势最高，带负电的小环在c点的电势能最小，C错误；因为a、b两点到Q的距离相等，所以a、b两点电势相等，小环从a点到b点，电场力做功为0，应用动能定理得mglmvb2mv2，解得vb，D正确。答案D电场中功能关系问题的分析方法 集训冲关1.如图所示为沿水平方向的匀强电场的三条电场线，电场所在竖直平面内有一圆，A点为圆上和圆心同一高度的点，B点为圆上的最高点。位于A点的粒子源在竖直面内沿各个方向发射带正电的同种粒子(不计粒子重力)，粒子的初速度大小均为v0，竖直向上发射的粒子恰好经过B点，则从圆上离开的粒子的最大速度大小为()A3v0B2v0Cv0 Dv0解析：选A设粒子所带电荷量为q，质量为m，电场强度为E，圆的半径为R，因竖直向上发射的粒子做类平抛运动经过B点，故电场方向水平向右，且有a，Rv0t，Rat2，解得qE。粒子从圆上右侧与圆心等高处离开时电场力做的功最大，粒子的速度最大，则有qE2Rmv2mv02，可得v3v0，选项A正确。2(多选)如图所示，半径R0.5 m的圆弧接收屏位于电场强度方向竖直向下的匀强电场中，OB水平。一质量为m104 kg、带电量为q8.0105 C的粒子，从与圆弧圆心O等高且距O点0.3 m处的A点以初速度v03 m/s 水平射出，粒子重力不计，粒子恰好能垂直打到圆弧曲面上的C点(图中未画出)，取C点电势0，则()A该匀强电场的电场强度E100 N/CB粒子在A点的电势能为8105 JC粒子到达C点的速度大小为5 m/sD粒子速率为4 m/s时的电势能为4.5104 J解析：选CD粒子在电场力作用下做类平抛运动，如图所示，因粒子垂直打在C点，由类平抛运动规律知：C点速度方向的反向延长线必过O点，且ODAO0.3 m，DC0.4 m，则ADv0t，DCt2，联立并代入数据可得：E25 N/C，故A错误；因UDCEDC10 V，而A、D两点电势相等，所以A10 V，即粒子在A点的电势能为：EpqA8104 J，故B错误；从A点到C点由动能定理知：qUACmvC2mv02，代入数据得：vC5 m/s，故C正确；粒子在C点的总能量：ECmvC210452 J1.25103 J，由能量守恒定律可知，粒子速率为4 m/s时的电势能为：EpECmv21.25103 J10442 J4.5104 J，故D正确。命题点三电场中的图像问题题型1v t图像问题根据v t图像的速度变化、斜率变化确定电荷所受合力的方向与合力大小变化，确定电场的方向、电势的高低及电势能的变化。 例1(多选)如图甲，直线MN表示某电场中一条电场线，a、b是线上的两点，将一带负电的粒子从a点处由静止释放，粒子从a运动到b过程中的vt图线如图乙所示。设a、b两点的电势分别为a、b，电场强度大小分别为Ea、Eb，粒子在a、b两点的电势能分别为Wa、Wb，不计重力，则有()AabBEaEbCEaEb DWaWb解析由vt 图像的斜率减小可知，由a到b的过程中，粒子的加速度减小，所以电场强度变小，EaEb；根据能量守恒定律，粒子的速度增大，可知电势能减小，WaWb，因粒子带负电，则a0表示场强沿x轴正方向，EWBC，由电场力做功与电势能变化的关系得，粒子在AB段电势能变化量大于BC段的电势能变化量，C项正确；由Ex图像中图线与坐标轴围成的图形“面积”代表电势差，UOAE0x1，UACUAC，由动能定理qUEk，得qUOAEk0，qUACEkCEk，知粒子运动到C点时动能小于3Ek，D项正确。答案CD题型4 x图像问题1电场强度的大小等于 x图线的斜率大小，电场强度为零处， x图线存在极值，其切线的斜率为零。2在 x图像中可以直接判断各点电势的高低，并可根据电势高低关系确定电场强度的方向。3在 x图像中分析电荷移动时电势能的变化，可用WABqUAB，根据WAB的正负作出判断。 例4点电荷q1、q2固定在x轴上的O、M两点，两电荷连线上各点电势随x变化的关系如图所示，其中C为ND段电势最低的点，则下列说法正确的是()Aq1、q2为等量异种电荷BN、C两点间场强方向沿x轴负方向CN、D两点间的场强大小沿x轴正方向先减小后增大D将一正点电荷从N点移到D点，电势能先增大后减小解析由题图知，q1左侧和q2右侧电势随距离增大而降低，可判断两者均为正电荷，A错误；由沿电场线方向电势逐渐降低知，N、C间的场强方向沿x轴正方向，C点场强为0，B错误；根据ND段图线的斜率大小先减小后增大可知，场强先减小到零后增大，C正确；正点电荷从N点移到D点，由Epq知，电势能先减小后增大，D错误。答案C题型5Ep x图像问题1Ep x图像反映了电势能随位移变化的规律。2图线的切线斜率大小等于电场力大小。3可用于判断场强、动能、加速度等随位移的变化情况。 例5(多选)一带负电的粒子只在电场力作用下沿x轴正向运动，其电势能Ep随位移x变化的关系如图所示，其中Ox2段是对称的曲线，x2x3段是直线，则下列说法正确的是()Ax1处电场强度为零Bx1、x2、x3处电势1、2、3的关系为123C粒子在Ox2段做匀变速运动，x2x3段做匀速直线运动Dx2x3段对应匀强电场解析根据电势能与电势的关系Epq及电场强度大小与电势的关系E得E，由数学知识可知Epx图像切线的斜率大小等于，x1处切线斜率为零，则x1处电场强度为零，故A正确；由题图可看出在Ox1 段图像切线的斜率不断减小，由A项分析知电场强度减小，粒子所受的电场力减小，加速度减小，做非匀变速运动；x1x2段图像切线的斜率不断增大，电场强度增大，粒子所受的电场力增大，做非匀变速运动；x2x3段斜率不变，则电场强度大小和方向均不变，对应匀强电场，粒子所受的电场力不变，做匀变速直线运动，故C错误，D正确；根据粒子带负电，即q23，故B正确。答案ABD 集训冲关1.平行板间有如图所示的周期性变化的电压。重力不计的带电粒子静止在平行板中央，从t0时刻开始将其释放，运动过程无碰板情况。在各选项所示的图像中，能正确定性描述粒子运动的速度图像的是()解析：选A0时间内粒子做初速度为零的匀加速直线运动；T时间内做加速度大小与0时间内相等的匀减速直线运动，由对称性可知，在T时刻速度减为零。此后周期性重复，故A正确。2.在x轴上有两个点电荷q1和q2，其中有一个点电荷位于x0处，x轴上的电势随x变化的关系如图所示，则()Axx1处电场强度为0Bxx2处电场强度不为0Cq1、q2为不等量异种点电荷，且正电荷在x0处，负电荷在x0的某处解析：选C由