（浙江选考）高考物理大一轮复习 第六章 静电场 第3讲 电容器的电容、带电粒子在电场中的运动学案.doc

第3讲电容器的电容、带电粒子在电场中的运动考试标准知识内容必考要求加试要求说明电容器的电容bc1.不要求应用平行板电容器电容的决定式进行计算2.示波管问题的分析与计算不涉及两个偏转电极同时加电压的情形3.解决带电粒子偏转运动问题只限于垂直电场方向入射且偏转电极加恒定电压的情形.带电粒子在电场中的运动bd一、电容器1电容器的充、放电(1)充电：使电容器带电的过程，充电后电容器两极板带上等量的异种电荷，电容器中储存电场能(2)放电：使充电后的电容器失去电荷的过程，放电过程中电场能转化为其他形式的能2公式c和c的比较(1)定义式：c，不能理解为电容c与q成正比、与u成反比，一个电容器电容的大小是由电容器本身的因素决定的，与电容器是否带电及带电多少无关(2)决定式：c，r为电介质的相对介电常数，s为极板正对面积，d为板间距离自测1下列关于电容器的叙述正确的是()a电容器是储存电荷和电能的容器，只有带电的容器才称为电容器b从c可以看出，电容的大小取决于带电荷量和电压c电容器所带的电荷量是指两个极板所带电荷量的绝对值d电容器充电过程，是将电能转变成电容器的电场能并储存起来的过程；电容器放电过程，是将电容器储存的电场能转化为其他形式的能的过程答案d二、带电粒子在电场中的运动1加速问题若不计粒子的重力且无其他外力作用，则电场力对带电粒子做的功等于带电粒子的动能的增量(1)在匀强电场中：wqedqumv2mv02.(2)在非匀强电场中：wqumv2mv02.2带电粒子在电场中偏转的运动规律不计重力的带电粒子以速度v0垂直于电场线方向飞入匀强电场，如图1.图1(1)沿初速度方向做匀速直线运动运动时间(2)沿电场力方向，做匀加速直线运动自测2如图2所示，两极板与电源相连接，电子从负极板边缘垂直电场方向射入匀强电场，且恰好从正极板边缘飞出，现在使电子的入射速度为原来的2倍，而电子仍从原来位置射入，且仍从正极板边缘飞出，则两极板间的距离应变为原来的()图2a2倍 b4倍 c. d.答案c命题点一平行板电容器的动态分析1电容器始终与恒压电源相连，电容器两极板间的电势差u保持不变2电容器充电后与电源断开，电容器两极所带的电荷量q保持不变3u不变(1)根据c先分析电容的变化，再分析q的变化(2)根据e分析场强的变化(3)根据uabed分析某点电势变化4q不变(1)根据c先分析电容的变化，再分析u的变化(2)根据e分析场强变化拓展点电容器充放电分析例1如图3所示，两块较大的金属板a、b相距为d，平行放置并与一电源相连，开关s闭合后，两板间恰好有一质量为m、带电荷量为q的油滴处于静止状态，以下说法正确的是()图3a若将s断开，则油滴将做自由落体运动，g表中无电流b若将a向左平移一小段位移，则油滴仍然静止，g表中有ab的电流c若将a向上平移一小段位移，则油滴向下加速运动，g表中有ba的电流d若将a向下平移一小段位移，则油滴向上加速运动，g表中有ba的电流答案c解析由于油滴处于静止状态，所以qmg.若将s断开，由于电容器的电荷量不变，则电压u不变，油滴仍处于静止状态，选项a错误若将a向左平移一小段位移，则电容c变小，电压u不变，则qcu变小，所以电流由ba，此时油滴仍静止，选项b错误若将a向上平移一小段位移，电容c变小，电压u不变，则q变小，所以电流由ba，此时qmg，油滴向下加速运动，所以选项c正确若将a向下平移一小段位移，电容c变大，电压u不变，则q变大，所以电流由ab，此时qmg，油滴向上加速运动，所以选项d错误变式1(2017嘉兴市质检)超级电容器又叫双电层电容器，是一种新型储能装置，它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电容器如图4为一款标有“2.7 v,3 000 f”的超级电容器，据此可知该款电容器()图4a放电时电容不变b充电时电能减少c在2.7 v电压下才能工作d两极所加电压为2.7 v时，电容才达到3 000 f答案a解析电容器的电容由电容器本身因素决定，放电时电容不变，故a正确；充电时，其他形式的能转化成电能，即电能增加，故b错误；电容器在低于2.7 v的电压下仍可正常工作，故c错误；电容与电压无关，其大小一直是3 000 f，故d错误变式2用控制变量法，可以研究影响平行板电容器电容的因素(如图5)设两极板正对面积为s，极板间的距离为d，静电计指针偏角为.实验中，极板所带电荷量不变，若()图5a保持s不变，增大d，则不变b保持s不变，增大d，则变小c保持d不变，增大s，则变小d保持d不变，增大s，则不变答案c解析由c知，保持s不变，增大d，电容减小，由于电容器电荷量不变，根据c，可知电容器两极板间电势差变大，静电计指针偏角变大，选项a、b错误；保持d不变，增大s，电容器电容增大，电势差变小，静电计指针偏角变小，选项c正确，d错误变式3一平行板电容器两极板之间充满云母介质，接在恒压直流电源上若将云母介质移出，则电容器()a极板上的电荷量变大，极板间电场强度变大b极板上的电荷量变小，极板间电场强度变大c极板上的电荷量变大，极板间电场强度不变d极板上的电荷量变小，极板间电场强度不变答案d解析由c可知，当将云母介质移出时，r变小，电容器的电容c变小；因为电容器接在恒压直流电源上，故u不变，根据qcu可知，当c减小时，q减小再由e，由于u与d都不变，故电场强度e不变，选项d正确命题点二带电粒子(带电体)在电场中的直线运动1带电粒子在电场中运动时是否考虑重力的处理方法(1)基本粒子：如电子、质子、粒子、离子等，除有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力(但并不忽略质量)(2)带电颗粒：如液滴、油滴、尘埃、小球等，除有说明或有明确的暗示以外，一般都要考虑重力2带电粒子在电场中运动时的两种解题思路(1)应用牛顿运动定律处理带电粒子的直线运动带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场，受到的电场力与速度方向在一条直线上，带电粒子做匀变速直线运动，根据带电粒子的受力情况，用牛顿运动定律和运动学公式确定带电粒子的速度、位移、时间等(2)用动能定理处理带电粒子在电场中的直线运动对带电粒子进行受力分析，确定有哪几个力做功，做正功还是负功；确定带电粒子的初、末状态的动能，根据动能定理列方程求解例2(2016浙江4月选考8)密立根油滴实验原理如图6所示两块水平放置的金属板分别与电源的正负极相接，板间电压为u，形成竖直向下电场强度大小为e的匀强电场用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和带电荷量各不相同的油滴通过显微镜可找到悬浮不动的油滴，若此悬浮油滴的质量为m，则下列说法正确的是()图6a悬浮油滴带正电b悬浮油滴的带电荷量为c增大电场强度大小，悬浮油滴将向上运动d油滴的带电荷量不一定是电子带电荷量的整数倍答案c解析油滴悬浮不动，说明其所受的电场力与重力平衡，所以带负电，a错；由eqmg得q，所以b错；如果增大电场强度大小，油滴所受的电场力增大，油滴就会向上运动，c对；所有带电体的电荷量都是电子带电荷量的整数倍，d错拓展点1带电粒子在匀强电场中的直线运动变式4两平行金属板相距为d，电势差为u，一电子质量为m，电荷量为e，从o点沿垂直于极板的方向射出，最远到达a点，然后返回，如图7所示，h，此电子具有的初动能是()图7a. beduhc. d.答案d解析由动能定理得：ehek，所以ek，故d正确拓展点2带电粒子在交变电场中的直线运动变式5如图8所示，a、b两金属板平行放置，在t0时将电子从a板附近由静止释放(电子的重力忽略不计)分别在a、b两板间加上下列哪种电压时，有可能使电子到不了b板()图8答案b拓展点3带电粒子在电场力和重力作用下的直线运动问题变式6如图9所示，一带电液滴在重力和匀强电场对它的作用力作用下，从静止开始由b沿直线运动到d，且bd与竖直方向所夹的锐角为45，则下列结论不正确的是()图9a此液滴带负电b液滴的加速度等于gc合力对液滴做的总功等于零d液滴的电势能减少答案c解析带电液滴由静止开始沿bd做直线运动，所受的合力方向必定沿bd直线，液滴受力情况如图所示，电场力方向水平向右，与电场方向相反，所以此液滴带负电，故选项a正确；由图知液滴所受的合力fmg，其加速度为ag，故选项b正确；因为合力的方向与运动的方向相同，故合力对液滴做正功，故选项c错误；由于电场力所做的功w电eqxbdsin 450，故电场力对液滴做正功，液滴的电势能减少，故选项d正确，故选c.变式7(2017浙江4月选考8)如图10所示，在竖直放置间距为d的平行板电容器中，存在电场强度为e的匀强电场有一质量为m、电荷量为q的点电荷从两极板正中间处静止释放重力加速度为g.则点电荷运动到负极板的过程()图10a加速度大小为agb所需的时间为tc下降的高度为yd电场力所做的功为weqd答案b解析点电荷受到重力、电场力的作用，所以a，选项a错误；根据运动独立性，水平方向点电荷的运动时间为t，则 t2，化简得t，选项b正确；下降高度ygt2，选项c错误；电场力做功w，选项d错误命题点三带电粒子在电场中的偏转1带电粒子在匀强电场中偏转时的两个结论(1)不同的带电粒子从静止开始经过同一电场加速后再从同一偏转电场射出时速度的偏转角总是相同的证明：由qu0mv02及tan 得tan .(2)粒子经电场偏转后，合速度的反向延长线与初速度延长线的交点o为粒子水平位移的中点，即o到电场边缘的距离为.2带电粒子在匀强电场中偏转的功能关系当讨论带电粒子的末速度v时也可以从能量的角度进行求解：quymv2mv02，其中uyy，指初、末位置间的电势差例3如图11所示，两块相同的金属板正对着水平放置，板间距离为d.当两板间加电压u时，一个质量为m、电荷量为q的带电粒子，以水平速度v0从a点射入电场，经过一段时间后从b点射出电场，a、b间的水平距离为l，不计粒子的重力求：图11(1)带电粒子从a点运动到b点经历的时间；(2)带电粒子经过b点时速度的大小；(3)a、b间的电势差答案(1)(2) (3)解析(1)带电粒子在水平方向做匀速直线运动，从a点到b点经历时间t；(2)带电粒子在竖直方向做匀加速直线运动，板间场强大小e加速度大小a经过b点时粒子沿竖直方向的速度大小vyat带电粒子经过b点时速度的大小v；(3)粒子从a点运动到b点过程中，由动能定理得：quabmv2mv02a、b间的电势差uab.变式8(2016绍兴市联考)如图12所示，电荷量之比为qaqb13的带电粒子a、b以相同的速度v0从同一点出发，沿着跟电场强度垂直的方向射入平行板电容器中，分别打在c、d点，若occd，忽略粒子重力的影响，则下列说法不正确的是()图12aa和b在电场中运动的时间之比为12ba和b运动的加速度大小之比为41ca和b的质量之比为112da和b的位移大小之比为11答案d解析粒子a和b在匀强电场中做类平抛运动，水平方向由xv0t及occd得，tatb12；竖直方向由hat2得a，它们沿竖直方向运动的加速度大小之比为aaab41；根据a得m，故，a和b的位移大小不相等，故选项a、b、c正确，d错误变式9(2017金华十校联考)如图13所示，离子发生器在p极板产生一束质量为m、电荷量为q的离子(初速度可忽略，重力不计，离子间的相互作用力可忽略)，经p、q两板间的加速电场加速后，以速度v0从a点沿ab方向水平进入边长为l的正方形abcd匀强电场区域(电场方向竖直向上)，离子从abcd边界上某点飞出时的动能为mv02.求：图13(1)p、q两板间的电压u；(2)离子离开abcd区域的位置；(3)abcd区域内匀强电场的场强e的大小答案(1)(2)bc边中点(3)解析(1)离子在pq间加速过程，根据动能定理，有qumv，解得u.(2)离子射出电场时：mv2mv，得vv0，方向与ab所在直线的夹角为45，即vxvy，根据xvxt，yt，可得x2y；则xl，y，即离子从bc边上的中点飞出(3)离子在abcd区域内运动过程，根据动能定理，有qemvmv，解得e.1.(2017温州市质检)如图1所示，绝缘支架上固定两金属板，金属板之间的距离可调，下列说法正确的是()图1a该装置太大了，所以不能称为电容器b两金属板构成电容器，充电后能够储存电荷c电容器能够储存电荷，不能储存电场能d因为装置没有带电，所以电容为零答案b2.(2017湖州市高一期末)如图2所示是一个常用的电子元件，该电子元件()图2a是电阻b电容是1 000 fc带电荷量是16 000 cd击穿电压为16 v答案b解析由该电子元件的铭牌“16 v1 000 f”，f是电容的单位，可知这个电子元件是电容器，其电容是1 000 f，耐压值为16 v，击穿电压要大于16 v；由qcu知，c一定，带电荷量与实际电压成正比，故b正确，a、c、d错误3静电计是在验电器的基础上制成的，用其指针张角的大小来定性显示其金属球与外壳之间的电势差大小如图3所示，a、b是平行板电容器的两个金属极板，极板b固定，a可移动，开始时开关s闭合，静电计指针张开一定角度，则下列说法正确的是()图3a断开s后，将a向左移动少许，静电计指针张开的角度减小b断开s后，将a向上移动少许，静电计指针张开的角度增大c保持s闭合，在a、b间插入一电介质，静电计指针张开的角度增大d保持s闭合，将变阻器滑动触头向右移动，静电计指针张开的角度减小答案b解析静电计的指针张开的角度与静电计金属球和外壳之间的电势差相对应，断开开关s后，将a向左移动少许，电容器的电荷量不变，由c知电容减小，由u知电势差增大，静电计指针张开的角度增大，a错；同理，断开s后，将a向上移动少许，电容减小，电势差增大，静电计指针张开的角度增大，b对；保持s闭合，无论是在a、b间插入一电介质，还是将滑动变阻器滑动触头向右或向左移动，静电计金属球和外壳之间的电势差均为路端电压，静电计指针张开的角度不变，c、d错4已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向的关系为：电流从左边接线柱流进电流计，指针向左偏如图4所示，如果在导电液体的深度h发生变化时观察到指针正向左偏转，则()图4a导体芯a所带电荷量在增加，液体的深度h在增大b导体芯a所带电荷量在减小，液体的深度h在增大c导体芯a所带电荷量在增加，液体的深度h在减小d导体芯a所带电荷量在减小，液体的深度h在减小答案d解析电流计指针向左偏转，说明流过电流计g的电流由左右，则导体芯a所带电荷量在减小，电容器两端间的电势差不变，由qcu可知，导体芯a与液体形成的电容器的电容减小，根据c，知正对面积减小，则液体的深度h在减小，故d正确，a、b、c错误5如图5所示，平行板电容器带有等量异种电荷，与静电计相连，静电计金属外壳和电容器下极板都接地，在两极板间有一固定在p点的点电荷，以e表示两板间的电场强度，ep表示点电荷在p点的电势能，表示静电计指针的偏角若保持下极板不动，将上极板向下移动一小段距离至图中虚线位置，则()图5a增大，e增大 b增大，ep不变c减小，ep增大 d减小，e不变答案d解析若保持下极板不动，将上极板向下移动一小段距离，根据c可知，c变大；根据qcu可知，在q一定的情况下，两极板间的电势差减小，则静电计指针偏角减小；根据e，qcu，c，联立可得e，可知e不变；p点离下极板的距离不变，e不变，则p点与下极板的电势差不变，p点的电势不变，故ep不变；由以上分析可知，选项d正确6如图6所示，矩形区域abcd内存在竖直向下的匀强电场，两个带正电粒子a和b以相同的水平速度射入电场，粒子a由顶点a射入，从bc的中点p射出，粒子b由ab的中点o射入，从顶点c射出若不计重力，则a和b的比荷(带电荷量和质量的比值)之比是()图6a18 b81c12 d21答案b解析粒子水平方向上做匀速直线运动，a、b两粒子的水平位移之比为12，根据xv0t，知时间之比为12.粒子在竖直方向上做匀加速直线运动，根据yat2知，y之比为21，则a、b的加速度之比为81.根据牛顿第二定律知，加速度a，加速度之比等于电荷量与质量的比值之比，则两粒子的比荷之比为81.故b正确，a、c、d错误7如图7所示，一充电后的平行板电容器的两极板相距l.在正极板附近有一质量为m、电荷量为q(q0)的粒子；在负极板附近有另一质量为m、电荷量为q的粒子在电场力的作用下，两粒子同时从静止开始运动已知两粒子同时经过一平行于正极板且与其相距l的平面若两粒子间相互作用力可忽略，不计重力，则mm为()图7a32 b21 c52 d31答案a解析设电场强度为e，两粒子的运动时间相同，对质量为m的粒子有，am，l t2；对质量为m的粒子有，am，l t2，联立解得，故a正确8.如图8所示，一平行板电容器的两极板与一电压恒定的直流电源相连，极板水平放置，极板间距为d；在下极板上叠放一厚度为l的金属板，其上部空间有一带电粒子p静止在电容器中当把金属板从电容器中快速抽出后，粒子p开始运动重力加速度为g.粒子运动的加速度为()图8a.g b.g c.g d.g答案a解析带电粒子在电容器两极板间时受到重力和电场力的作用，最初处于静止状态，由二力平衡条件可得：mgq；当把金属板从电容器中快速抽出后，电容器两极板间的电压不变，但两极板间的距离变大，电场强度变小，粒子所受电场力变小，粒子受力不再平衡，产生了加速度，根据牛顿第二定律有mamgq，两式联立可得ag，故a正确9如图9所示，带电平行金属板a、b，板间的电势差为u，板间距离为d，a板带正电，b板中央有一小孔一带电的微粒，带电荷量为q，质量为m，自孔的正上方距b板高h处由静止自由下落，若微粒恰能落至a、b板的正中央c点，则下列说法中，错误的是()图9a微粒在下落过程中动能逐渐增大，重力势能逐渐减小b微粒下落过程中重力做功为mg，电场力做功为c微粒落入电场中，电势能逐渐增加，其增加量为d若微粒从距b板高2h处自由下落，则恰好能到达a板答案a解析微粒下落至c点的过程中，重力做功mg，重力势能减小；电场力做功，电势能增加，增加量为，微粒动能先增大后减小，故a错误，b、c正确；由动能定理得，微粒由h处下落时，mgq0，即qumg(2hd)，由2h处下落时，mg(2hd)qu0，说明微粒恰能到达a板，故d正确10.(2016杭州市十校联考)如图10所示，电子在电势差为u1的加速电场中的左极板位置由静止开始运动，然后射入电势差为u2的两块水平的平行极板间的偏转电场中，入射方向跟极板平行整个装置处在真空中，重力可忽略在满足电子能射出平行极板区域的条件下，下述四种情况中，一定能使电子的偏转角变大的是()图10au1变大、u2变大bu1变小、u2变大cu1变大、u2变小du1变小、u2变小答案b解析设电子被加速后获得的速度为v0，水平极板长为l，则由动能定理得u1qmv，电子在水平极板间偏转所用时间t，又设电子在水平极板间的加速度为a，水平极板的板间距为d，由牛顿第二定律得a，电子射出偏转电场时，平行于电场方向的速度vyat，联立解得vy，又tan ，故u2变大、u1变小，一定能使偏转角变大，故b正确11.真空中的某装置如图11所示，其中平行金属板a、b之间有加速电场，c、d之间有偏转电场，m为荧光屏今有质子、氘核和粒子均由a板从静止开始被加速电场加速后垂直于电场方向进入偏转电场，最后打在荧光屏上已知质子、氘核和粒子的质量之比为124，电荷量之比为112，则下列判断中正确的是()图11a三种粒子从b板运动到荧光屏经历的时间相同b三种粒子打到荧光屏上的位置相同c偏转电场的电场力对三种粒子做功之比为122d偏转电场的电场力对三种粒子做功之比为124答案b解析设加速电压为u1，偏转电压为u2，偏转极板的长度为l，板间距离为d，在加速电场中，由动能定理得qu1mv02，解得v0，三种粒子从b板运动到荧光屏的过程，水平方向做速度为v0的匀速直线运动，由于三种粒子的比荷不同，则v0不同，所以三种粒子从b板运动到荧光屏经历的时间不同，故a错误；由牛顿第二定律得：qma，yat2，t，tan ，vyat，联立各式解得：y、tan ，可知y与粒子的种类、质量、电荷量无关，故三种粒子偏转距离相同，打到荧光屏上的位置相同，故b正确；偏转电场的电场力做功为wqey，则w与q成正比，三种粒子的电荷量之比为112，则有电场力对三种粒子做功之比为112，故c、d错误12(2016宁波市九校联考)如图12所示，m、n是竖直放置的两平行金属板，分别带等量异种电荷，两极间产生一个水平向右的匀强电场，场强为e，一质量为m、电荷量为q的微粒，以初速度v0竖直向上从两极正中间的a点射入匀强电场中，微粒垂直打到n极上的c点，已知abbc.不计空气阻力，则下列判断错误的是()图12a微粒在电场中做匀变速曲线运动b微粒打到c点时的速率与射入电场时的速率相等cmn板间的电势差为dmn板间的电势差为答案d解析微粒受重力和电场力，两个力都是恒力，由平行四边形定则知，微粒所受合力为恒力，故微粒做匀变速曲线运动，选项a正确；微粒的运动可分解为水平方向的匀加速运动和竖直方向的匀减速运动，设微粒运动的时间为t，由匀变速直线运动规律得abvct，bcv0t，又abbc，由以上各式解得，vcv0，选项b正确；微粒从a到c的过程中，由动能定理得qmgbc0，由v22ax得bc，联立解得umn，选项c正确；umne2abe2bc，选项d错误13(2017嘉兴市质检)如图13所示为密立根油滴实验示意图，两块水平放置的金属板分别与电源的正、负极相接，使板间形成竖直向下、场强为e的匀强电场用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和电荷量各不相同的油滴在某次实验中观察到两板中间位置有一个油滴悬浮在电场中，若油滴质量为m，两板间距离为d，已知重力加速度为g，求：图13(1)油滴的带电性质；(2)油滴所带的电荷量；(3)若仅将场强变为原来的2倍，