选修3-1电场(课件).ppt

2006年10月 电场 第九章 考纲要求 知识结构 第一部分 电荷间的相互作用 1 两种电荷 毛皮摩擦橡胶棒 丝绸摩擦玻璃棒 橡胶棒 负电 毛皮 正电 玻璃棒 正电 丝绸 负电 2 元电荷 e 1 6 10 19C 带电体所带电荷量为元电荷的整数倍 3 起电 摩擦起电 感应起电 接触起电 电荷中和 电子的转移 4 电荷守恒定律 最早由密立根用实验测得 比荷 带电体所带电荷量与其质量之比q m 电荷既不能创造 也不能消灭 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 一 电荷 二 库仑定律 1 内容 真空中两个点电荷之间相互作用的电力 跟它们的电荷量的乘积成正比 跟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 3 条件 真空中 点电荷 理想模型 当带电体相互间距离远大于其本身大小时带电体可看做点电荷 4 说明 静电力常量k 9 109N m2 C2 计算时Q1 Q2的正负号不用代入 库仑力的方向可由两电荷的电性判断 两电荷之间的库仑力是一对作用力与反作用力 空气中近似适用 例1 步步高P134应用1 1 例2 有两个完全一样的金属小球A B A带电量7Q B带电量 Q 相距为r 球的半径比r小得多 将两小球接触后放回原位置 小球间库仑力是原来的多少倍 将不带电的相同小球C与A接触后移去 A B间库仑力为原来多少倍 将不带电的相同小球C与A接触后再与B接触后移去 A B间库仑力为原来多少倍 将不带电的相同小球C反复与A B球接触 最后移去C球 试问A B间的库仑力变为原来的多少倍 例3 步步高P135例2 例4 步步高P134例1 例6 步步高P135例3 第二部分 电场力的性质 一 电场 电荷周围客观存在的一种特殊物质 电场的基本性质 对放入其中的电荷有力的作用 电荷在电场中具有电势能 电荷间的相互作用是通过电场来实现的 二 电场强度 描述电场的力的性质的物理量 1 定义 放入电场中某点的电荷所受的电场力F跟它的电荷量q的比值 叫做该点的电场强度 简称场强 表达式 普适公式 矢量 方向为正电荷在电场中受到的电场力方向 表达式中q为试探电荷可正可负 点电荷电场的场强 匀强电场的场强 2 电场线 是为了形象地描述电场而人为画出的假想的曲线 静电场中 电场线起始于正电荷 或无穷远处 终止于负电荷 或无穷远处 电场线上各点的切线方向与该点场强方向相同 电场线的疏密能大致表示电场中各处场强的大小 不相交 不闭合 不存在相互平行同方向但疏密不同的电场线 电场中两点沿电场线方向或两等势面间距 生场电荷 几种常见的电场中电场线的分布及特点 例1 步步高P137应用1 1 例2 步步高P138例2 例3 步步高P137应用1 2 例5 步步高P137应用2 1 例6 如图所示 两根长为L的丝线下端悬挂质量为m 带电量分别为 q和 q的小球A和B 处于场强为E 方向水平向左的匀强电场之中 使长度也为L的连线AB拉紧 并使小球处于静止状态 求E的大小满足什么条件才能实现上述平衡状态 例7 如图所示 质量为m 带电量为 q的微粒在0点以初速度v0与水平方向成 角射出 微粒在运动中受阻力大小恒定为f 如果在某方向加上一定大小的匀强电场后 能保证微粒仍沿v0方向做直线运动 试求所加匀强电场的最小值 若加上大小一定 方向水平向左的匀强电场 仍能保证微粒沿vo方向做直线运动 并经过一段时间后又返回o点 求微粒回到o点时的速率 第三部分 电场能的性质 一 电势能 1 定义 因电场对电荷有作用力而具有的由电荷相对位置决定的能量 2 电势能具有相对性 通常取无穷远处或大地为电势能的零点 3 电势能大小 电荷在电场中某点的电势能在数值上等于把电荷从这点移到电势能为零处电场力所做的功 电势能有正负 其正负表示电荷在该点具有的电势能比零电势能大或小 即其正负表示大小 4 电场力做功是电势能变化的量度 电场力对电荷做正功 电荷的电势能减少 电场力对电荷做负功 电荷的电势能增加 二 电势 描述电场的能的性质的物理量 1 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 时电场力所做的功 2 表达式 单位 伏特 V 3 意义 电场中某一点的电势在数值等于单位电荷在那一点所具有的电势能 4 相对性 电势是相对的 只有选择零电势的位置才能确定电势的值 通常取无限远或地球的电势为零 5 标量 只有大小 没有方向 但有正 负之分 这里正负只表示比零电势高还是低 6 高低判断 顺着电场线方向电势越来越低 7 电势与引入电场的试探电荷无关 它由电场本身决定 三 等势面 电场中电势相等的点构成的面 形象描述电场中各点电势的情况 1 意义 等势面来表示电势的高低 2 典型电场的等势面 点电荷电场的等势面 匀强电场的等势面 等量异种电荷的等势面 等量同种电荷的等势面 连线上从正电荷向负电荷 电势降低 中垂线为等势面且电势为零 同种正电荷 连线上电势先降低后升高 中点最低 中垂线上由中点向两边降低 中点最高 3 等势面的特点 同一等势面上的任意两点间移动电荷电场力不做功 等势面一定跟电场线垂直 电场线总是从电势较高的等势面指向电势较低的等势面 等势面密的地方电场强 四 电势差 1 定义 电荷q在电场中由一点A移动到另一点B时 电场力所做的功WAB与电荷量的q的比值 2 表达式 3 4 电势差由电场的性质决定 与零电势点选择无关 5 电场力做功 该式适用于一切电场 电场力做功与路径无关 计算时可将q UAB的正负代入以判断电场力做功的正负 五 电势差与电场强度关系 1 场强方向是电势降低最快的方向 2 匀强电场中 沿场强方向上的两点间的电势差等于场强和这两点间距离的乘积 U E d 场强在数值上等于沿场强方向每单位距离上降低的电势 概念辨析 请判断下列说法是否正确 电场线越密的位置 电势越高 与零电势点电势差越大的位置 电势越高 电势越高的位置 电场强度越大 电荷沿电场线方向运动 电荷所在位置的电势越来越低 电场强度为零的位置 电势也一定为零 电势为零的位置 电场强度也一定为零 电荷沿电场线方向运动 所具有的电势能越来越小 电荷在电势越高的位置 电势能越大 电荷所具有的电势能越大的位置 电势越高 例1 步步高P140页应用1 1 例2 步步高P142页例3 例3 步步高P142页例4 例5 如图中所示虚线表示等势面 相邻等势面间的电势差相等 有一带正电的小球在电场中运动 实线表示该小球的运动轨迹 小球在a点的动能等于2ev b点的动能等于0 5ev 若取c点为零势点 则当这个带电小球的电势能等于 4 5eV时 不计重力和空气阻力 它的动能等于A 16evB 14evC 6evD 4ev 例6 步步高P143页例5 例7 步步高P142页例1 例8 步步高P141页应用3 1 例9 如图所示 在沿水平方向的匀强电场中有一固定点O 用一根长度为L 0 40m的绝缘细线把质量为m 0 10kg 带有正电荷的金属小球挂在O点 小球静止在B点时细线与竖直方向的夹角为 37 现将小球拉至位置A使细线水平后由静止释放 求 1 小球运动通过最低点C时的速度大小 2 小球通过最低点C时细线对小球的拉力大小 第四部分 静电屏蔽电容 一 静电平衡 把导体放入场强为E0的电场中 1 静电平衡 导体中 包括表面 没有电荷定向移动的状态 2 特点 导体内部场强处处为零 感应电场的场强与外电场场强等大反向 导体内部电势处处相等 表面为等势面 净电荷分布于导体的外表面上 3 静电屏蔽 导体壳保护它所包围的区域 使这个区域不受外部电场影响的现象 定义 举例 金属网罩挡住外电场 金属网罩接地挡住内部电场 在实际中的重要应用 电学仪器和电子设备外面的金属网罩 通讯电缆外面包一层铅皮 防止外电场干扰 二 电容器 电容 1 电容器 构成 两个导体夹一个绝缘体 导体 极板 绝缘体 电介质 充 放电 充电 使电容器带上电荷的过程 放电 使电容器失去电荷的过程 两板间的电场中贮存有电场能 电场能转化为其它形式的能 常用电容器 聚笨乙烯电容器 符号 电解电容器 符号 符号 可变电容器 固定电容器 2 电容 C 定义 电容器所带电荷量Q与电容器两板间的电势差U的比值 表达式 电容器一极板所带电量的绝对值 意义 表征电容器容纳电荷本领的大小 由电容器本身结构决定 单位 法拉 F 常用微法 F 皮法 pF 1F 106 F 1012pF 额定电压与击穿电压 击穿电压加在电容器两端的极限电压 超过此电压电介质将被击穿 额定电压电容器长期工作时所能承受的电压 比击穿电压低 平行板电容器的电容 为电介质的介电常数 s为两极板的正对面积 d为两极板间距 影响电容大小的因素 3 关于平行板电容器的两类问题 电容器与电源相连 两极板间电压不变 电容器充电后与电源断开 电容器所带电量不变 4 电容式传感器 测定角度 的电容式传感器 测定液面高度h的电容式传感器 测定压力F的电容式传感器 测定位移x的电容式传感器 例1 长为L的导体棒原来不带电 现将一电量为q的点电荷放在距棒左端R处 如图所示 当达到静电平衡后 棒上感应的电荷在棒内中点O处产生的场强有多大 方向如何 例2 在带正电的金属球的正上方 一个枕形导体自由下落 如图所示 在未碰上金属球之前 在下落过程中 A 导体内部场强为零 电子相对导体不运动 B 导体内部场强为零 电子相对导体向下运动 C 导体内部场强不为零 电子相对导体向下运动 D 导体内部场强不为零 电子相对导体向上运动 例3 两平行金属板 正对放置 充电后两极间的电势差为2V 两极板带电量分别为 6 10 6C和 6 10 6C 求 1 电容C 2 若电势差升高1V 电容C 和所带电量Q 为多少 例5 如图所示 平行板电容器经开关S与电池连接 a处有一电荷量非常小的点电荷 S是闭合的 a表示a点的电势 F表示点电荷受到的电场力 现将电容器的B板向下稍微移动 使两板间的距离增大 则 A a变大 F变大B a变大 F变小C a不变 F不变D a不变 F变小 例6 一平行板电容器充电后与电源断开 负极板接地 在两极板间有一正电荷 电量很小 固定在P点 如图所示 以E表示两极板间的场强 U表示电容器的电压 W表示正电荷在P点的电势能 若保持负极板不动 将正极板移到图中虚线所示的位置 则 A U变小 E不变 B E变大 W变 C U变小 W不变 D U不变 W不变 第五部分 带电粒子在电场中的运动 一 带电体的分类 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 一般不考虑重力 质量不能忽略 2 带电颗粒 如液滴 油滴 尘埃 小球等 除有说明或明确的暗示以外 一般要考虑重力 二 带电粒子在电场中的运动 1 带电粒子在电场中的平衡 当带电粒子在电场中静止或匀速直线运动时 必有电场力与重力等大反向 在问题中常作为隐含条件出现 2 带电粒子在电场中的加速 当带电粒子沿与电场方向相同或相反的方向进入电场 只受电场力作用 则粒子作匀变速直线运动 在匀强电场中亦可用牛顿定律结合运动学公式求解 3 带电粒子在电场中的偏转 如图 带电粒子 q m v0 平行板电容器板间距d 电势差U 板长L 粒子在电场中只受电场力的作用 做类平抛运动 x方向 匀速vx v0 x v0t y方向 匀加速vy at a qU md y at2 2 飞行时间 侧移距离 偏转角度 O 特点 同一方向同位置入射