高考物理一轮复习 第6单元电场第1讲　电场的力的性质课件 新人教版.ppt

第1讲电场的力的性质 知识建构 模块建构 技能建构 模块建构 知识建构 技能建构 模块建构 知识建构 技能建构 一 电荷 电荷守恒定律 1 电荷 自然界中存在着两种电荷 用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷 用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电荷 模块建构 知识建构 技能建构 3 几个关于电荷的概念 2 电荷量 物体所带 电荷的多少 单位是 库仑 1 元电荷 电荷量为e 1 6 10 19c的电荷叫做元电荷 质子和电子均带元电荷电荷量 模块建构 知识建构 技能建构 3 场源电荷 电场是由电荷产生的 我们把产生 电场的电荷叫做场源电荷 2 点电荷 形状和大小对研究问题的影响可 忽略不计的带电体称为点电荷 4 试探电荷 检验电荷 研究电场的基本方法之一是放入一带电荷量很小的点电荷 考查其受力情况及能量情况 这样的电荷称为试探电荷或检验电荷 模块建构 知识建构 技能建构 5 电荷守恒定律 4 物体起电有三种方式 即 a 摩擦起电 b 接触起电 c 感应起电 1 内容 电荷既不能创造 也不能消灭 它们只能从一个物体转移到另一个物体 或从物体的一部分转移到另一部分 在转移的过程中 系统 电荷的代数和不变 模块建构 知识建构 技能建构 2 意义 电荷守恒定律是自然界的普遍规律 既适用于宏观系统 也适用于微观系统 注意 a 任何带电体的电荷量皆为元电荷电荷量的 整数倍 b 不管是哪种起电方式 它们的实质都是电子的 转移 二 库仑定律 1 内容 真空中两个点电荷间的相互作用力 跟它们的电荷量的乘积成正比 跟它们的距离的平方成反比 作用力的方向在它们的连线上 2 数学表达式为 f k 式中k 9 109n m2 c2 称为静电力常量 模块建构 知识建构 技能建构 3 库仑定律成立的条件是 真空中的点电荷 三 电场 电场强度 电场线 1 电场 电荷周围存在的一种特殊物质 是电荷间发生相互作用的媒介物质 其基本性质是对放入其中的电荷有力的作用 模块建构 知识建构 技能建构 1 物理意义 电场强度是描述电场力的性质的物理量 其大小与放入的试探电荷无关 它表示单位电荷在该点受到的电场力 2 电场强度 模块建构 知识建构 技能建构 3 公式 e 单位 v m或n c 2 定义 放入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 4 方向 与正电荷在该点的受力方向一致 与负电荷在该点的受力方向相反 是矢量 模块建构 知识建构 技能建构 5 决定因素 电场强度决定于电场本身 与q无关 注意 a 电场中某点的电场强度的大小与形成电场的电荷的电荷量有关 而与场源电荷的电性无关 而电场中各点场强方向由场源电荷电性决定 b 由定义式可知 电场力f qe 即电荷在电场中所受的电场力的大小由电场和电荷共同决定 电场力的方向由场强方向和电荷电性决定 c 如果空间几个电场叠加 则空间某点的电场强度为各电场在该点电场强度的矢量和 应根据矢量合成法则 平行四边形定则合成 当各场强方向在同一直线上时 选定正方向后作代数运算合成 模块建构 知识建构 技能建构 1 概念 为了形象地描述电场中各点场强的强弱和方向 在电场中画出一系列的曲线 曲线上各点的切线方向表示该点的电场强度方向 3 电场线 模块建构 知识建构 技能建构 2 电场线的特点 切线方向表示该点场强的方向 也是正电荷的受力方向 电场线是起源于正电荷 或无穷远处 终止于负电荷 或无穷远处 疏密表示该处电场的强弱 电场线越密 则场强越大 匀强电场的电场线是平行且等间距直线 沿着电场线方向 电势越来越低 场强的方向是电势降低最快的方向 静电场的电场线不相交 不中断 不成闭合曲线 但变化的电场的电场线是闭合的 模块建构 知识建构 技能建构 3 几种典型电场的电场线分布 电场线与等势面垂直 电场线的方向是由电势较高的等势面指向电势较低的等势面 模块建构 知识建构 技能建构 模块建构 知识建构 技能建构 模块建构 知识建构 技能建构 注意 电场线是人为引入的 不是客观存在的 虽然电场线是用来描述电场的强弱和方向的 但只根据一条电场线无法判断电场强弱和场源情况 沿电场线的方向电势虽然越来越低 但场强不一定越来越小 电场线不是带电粒子的运动轨迹 带电粒子在电场中的运动轨迹由带电粒子受到的合外力情况和初速度情况来决定 运动轨迹上各点的切线方向是粒子速度的方向 电场线只能描述电场的方向及定性地描述电场强弱 它决定了带电粒子在电场线上的各点受电场力的方向和加速度方向 显然 它不一定是带电粒子在电场中的运动轨迹 只有同时满足以下三个条件 运动轨迹就和电场线重合 a 电场线为直线 b 电荷初速度为零 或不为零但速度方向和电场线平行 c 电 荷仅受电场力作用或受其他力 但其他力的方向和电场线平行 模块建构 知识建构 技能建构 4 匀强电场 在某个区域内各处场强大小相等 方向相同 该区域电场为匀强电场 匀强电场的电场线 是疏密相同的平行的直线 相互之间距离相等 例如 两块相同 正对放置的平行金属板 若板间距离很小 当它们分别带有等量的正负电荷时 板间的电场 除边缘附近 就是匀强电场 模块建构 知识建构 技能建构 1 电场强度e的定义式e 根据此式 下列说法中正确的是 a 该式说明电场中某点的场强e与f成正比 与q成反比 拿走q 则e 0 b 式中q是放入电场中的点电荷的电量 f是该点电荷在电场中某点受到的电场力 e是该点的电场强度 c 式中q是产生电场的点电荷的电量 f是放在电场中的点电荷受到的电场力 e是电场强度 d 在库仑定律的表达式f k中 可以把k看做是点电荷q2产生的电场在点电荷q1处的场强大小 也可以把k看做是点电荷q1产生的电场在点电荷q2处的场强大小 模块建构 知识建构 技能建构 解析 e 为电场强度的定义式 适用于各种电场 其中q为检验电荷的电量 f为其在电场中所受的电场力 电场强度e由电场决定 与检验电荷及其受力无关 故a c错 b对 由e 和库仑定律f k知 k为q1在q2处产生的电场的场强 k为q2在q1处产生的电场的场强 故d对 答案 bd 模块建构 知识建构 技能建构 2 下列关于带电粒子在电场中的运动轨迹与电场线的关系说法中正确的是 a 带电粒子在电场中运动 如只受电场力作用 其加速度方向一定与电场线方向相同 b 带电粒子在电场中的运动轨迹一定与电场线重合 c 带电粒子只受电场力作用 由静止开始运动 其运动轨迹一定与电场线重合 d 带电粒子在电场中的运动轨迹可能与电场线重合 模块建构 知识建构 技能建构 定加速度方向 正电荷加速度方向与电场线的切线方向相同 负电荷则相反 故a错 带电粒子的运动轨迹应由粒子在电场中运动的初速度和受力情况来决定 而该带电粒子所在运动空间的电场的电场线可能是直线也可能是曲线 带电粒子在电场力作用下只有满足 1 电场线是直线 2 粒子的初速度为零或初速度方向与电场线在一条直线上时 其运动轨迹才与电场线重合 故b c错而d选项正确 答案 d 解析 电荷的运动轨迹和电场线是完全不同的两个概念 在分析有关问题时 既要明确二者的本质区别 还要搞清二者重合的条件 电场线方向表示场强方向 它决定电荷所受电场力方向 从而决 模块建构 知识建构 技能建构 3 如图所示 在真空中一条竖直向下的电场线上有a b两点 一带电质点在a处由静止释放后沿电场线向上运动 到达b点时速度恰好为零 则下列说法正确的是 a 该带电质点一定带正电荷 b 该带电质点一定带负电荷 c a点的电场强度大于b点的电场强度 d 质点在b点所受到的合力一定为零 模块建构 知识建构 技能建构 电场力减小 可知a处电场强度大于b处电场强度 c项正确 d项错 答案 bc 解析 带电质点由a点释放后向上运动 可知合力方向向上 而质点所受重力方向竖直向下 故电场力一定竖直向上 与电场线方向相反 可知该质点一定带负电 b项正确 a项错 带电质点到b点时速度又减为零 可知向上运动过程中 合力先向上再向下 即重力不变 模块建构 知识建构 技能建构 4 长为l的绝缘细线下系一带正电的小球 其带电荷量为q 悬于o点 如图所示 当在o点另外固定一个正电荷时 如果球静止在a处 则细线拉力是重力mg的两倍 现将球拉至图中b处 60 放开球让它摆动 问 1 固定在o处的正电荷的带电荷量为多少 模块建构 知识建构 技能建构 2 摆球回到a处时悬线拉力为多少 解析 1 球静止在a处受三个力作用 重力mg 静电力f和细线拉力f拉 由受力平衡和库仑定律列式得 f拉 f mg f k f拉 2mg 三式联立解得 q 模块建构 知识建构 技能建构 2 小球从b到a的过程中只有重力做功 所以机械能守恒 有 mgl 1 cos60 mv2 由牛顿第二定律 得f拉 mg f m 由于静电力f mg 得 f拉 3mg 答案 1 2 3mg 模块建构 知识建构 技能建构 一 库仑定律的应用 模块建构 知识建构 技能建构 例1三个电荷量均为q 正电 的小球a b c的质量均为m 放在水平光滑绝缘的桌面上 分别位于等边三角形的三个顶点 其边长为l 如图甲所示 甲 模块建构 知识建构 技能建构 2 若中心电荷带电荷量在第 1 问的基础上加倍 三个带电小球将加速运动 则其刚开始运动时的加速度为多大 1 在三角形的中心o点应放置什么性质的电荷 才能使三个带电小球都处于静止状态 其电荷量是多少 模块建构 知识建构 技能建构 3 若中心电荷带电荷量在第 1 问的基础上加倍后 仍保持三个小球相对距离不变 可让它绕中心电荷同时旋转 则它们旋转的线速度为多大 名师点金 使带电小球都处于静止状态 由对称性知其中一个小球平衡 其他两个也是平衡的 第 2 问求出合外力 利用牛顿第二定律即可得出结果 第 3 问中a b c三小球所受的合力充当向心力 模块建构 知识建构 技能建构 规范全解 对a球进行受力分析 其受b c球的库仑力及中心o点电荷的作用力 如图乙所示 1 由几何关系知 r ao l a球受力平衡 有 f2 k f1 2fcos30 其中f k 所以q q 由f2的方向知q带负电 乙 模块建构 知识建构 技能建构 2 当q 2q时 f2 2f2 a球所受的合力f合 f2 f1 2f2 f1 f1 由牛顿第二定律有 a 模块建构 知识建构 技能建构 3 当q 2q时 a球所受合力为 f合 f1 其提供a球做圆周运动的向心力 所以 m 又r l 解得v q 答案 1 负电荷q 2 3 q 方法概述 一 库仑定律的使用方法 库仑定律严格地说只适用于真空中的点电荷 在要求不是很精确的情况下 空气可近似当作真空来处理 注意库仑力是矢量 计算库仑力时有两种方法 1 直接运用公 模块建构 知识建构 技能建构 式 将电荷量的绝对值代入公式计算大小 根据同种电荷相斥 异种电荷相吸来判断库仑力是引力还是斥力 2 直接运用公式 将电荷量的正负号代入公式计算 若计算结果为正值 表明为斥力 若计算结果为负值 表明为引力 二 一条直线上三个电荷的平衡有如下规律 模块建构 知识建构 技能建构 1 两个固定点电荷与一个自由点电荷的平衡规律 若两固定电荷为同种电荷 自由电荷应置于两固定电荷连线之间且靠近电荷量较小的固定电荷 与自由电荷的电性和电荷量无关 若两固定电荷为异种电荷 自由电荷应置于两固定电荷连线的延长线上且靠近电荷量较小的固定电荷一侧 与自由电荷的电性和电荷量无关 模块建构 知识建构 技能建构 2 三个自由点电荷的平衡规律 三个自由点电荷q1 q2 q3都平衡时 三个自由点电荷必共线 若q2位于q1 q3之间 与q1 q3间的距离分别为r1 r2 则中间电荷q2靠近电荷量较小的电荷 位置关系满足 电荷量关系满足 其中中间电荷q2的电荷量最小 电性为 两边同中间异 三 两个完全相同的小球接触后 电荷要重新分布 其所带电荷量要平分 设分别带q1 q2的正电荷 二者接触后每个小球带电荷量为 如果带q1 q2的异种电荷 接触后每个小球带电荷量为 电性与电荷量大的小球相同 模块建构 知识建构 技能建构 变式训练1如图甲所示 在一条直线上有两个相距0 4m的点电荷a b a带电 q b带电 9q 现引入第三个点电荷c 恰好使三个点电荷均在电场力的作用下处于平衡状态 问 c应带什么性质的电 应放于何处 所带电荷量为多少 甲 模块建构 知识建构 技能建构 规范全解 如图乙所示 根据平衡条件判断 c应带负电 放在a的左边且和ab在一条直线上 设c带电荷量为q 与a点相距为x 则以a为研究对象 由平衡条件 k k 以c为研究对象 则k k 解得x r 0 2m q q 故c应带负电 放在a的左边0 2m处 带电荷量为 q 答案 负电a的左边0 2m处q 乙 模块建构 知识建构 技能建构 甲 二 电场强度的计算及场强的叠加 2 检验电荷 q放在点c时 其受力fc的大小 方向如何 1 匀强电场场强e的大小 方向如何 3 检验电荷 q放在点b时 其受力fb的大小 方向如何 模块建构 知识建构 技能建构 名师点金 模块建构 知识建构 技能建构 规范全解 1 由题意可知 f1 k f2 qe 由f1 f2 所以qe k 则e k 匀强电场方向沿d b方向 模块建构 知识建构 技能建构 2 检验电荷放在c点 则有 ec e k 乙 模块建构 知识建构 技能建构 3 检验电荷放在b点 则有 eb e2 e 2e 2k 所以fb qeb 2k 方向沿d b方向 答案 1 k方向沿d b方向 2 k方向与ac成45 角斜向下 3 2k方向沿d b方向 模块建构 知识建构 技能建构 1 场强三个表达式的比较 方法概述 模块建构 知识建构 技能建构 2 场强的叠加 多个电场在空间某点产生的合场强 等于每个电场单独存在时在该点产生的场强的矢量和 这就是场强叠加原理 由于场强是矢量 求合场强须用平行四边形定则 模块建构 知识建构 技能建构 1 等量同种电荷 以正电荷为例 如图所示 3 双电荷 电场的分布规律 2 等量异种电荷 如图所示 模块建构 知识建构 技能建构 模块建构 知识建构 技能建构 变式训练2如图所示 某无限长粗糙绝缘直杆与等量异种电荷连线的中垂线重合 杆水平放置 杆上有a b o三点 其中o为等量异种电荷连线中点 ao bo 现将一带电小圆环从杆上a点以初速度v0向b点滑动 滑到b点时速度恰好为0 则关于小圆环的运动 下列说法正确的是 a 运动的加速度逐渐变小 b 运动的加速度先变大再变小 c 运动到o点的速度为 d 运动到o点的速度大于 模块建构 知识建构 技能建构 规范全解 在等量异种电荷连线的中垂线上 电场强度由中点向两侧逐渐减小 带电圆环受到的电场力也是由大变小 根据垂直杆方向合力为零 杆对圆环的弹力也是由大变小 对应的摩擦力也在变小 当由a点以初速度v0释放后 圆环先做加速度增大的减速运动再做加速度减小的减速运动 a错 b对 由动能定理得c错 d对 答案 bd 模块建构 知识建构 技能建构 例3如图所示 图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 若带电粒子在运动过程中只受到电场力作用 则根据此图能得到正确判断的是 a 带电粒子所带电荷的正负 b 带电粒子在a b两点的受力方向 c 带电粒子在a b两点的加速度何处较大 d 带电粒子在a b两点的速度何处较大 三 与电场线相关的问题 模块建构 知识建构 技能建构 名师点金 1 由轨迹弯曲方向判断电场力的方向 2 由电场线的疏密判断加速度的大小 3 根据动能定理分析速度的大小 规范全解 由轨迹弯曲方向可判断电场力沿电场线指向左侧 由于不知电场线的方向 故不能判断带电粒子的正负 a错 b对 电场线密的地方场强大 故在a点电荷所受的电场力大 加速度大 c正确 由a到b电场力做负功 速度减小 d正确 答案 bcd 模块建构 知识建构 技能建构 方法概述 电场线在解题中可以 1 判断场强的大小和方向 由电场线的疏密程度和该点的切线方向 2 判断电荷在电场中的受力方向 正电荷所受电场力方向与该点场强方向相同 负电荷则相反 3 判断电势的高低 沿着电场线方向电势逐渐降低 4 判断电荷在电场中移动时 电场力做功的正负 顺着电场线方向移动正 模块建构 知识建构 技能建构 电荷 电场力做正功 反之做负功 5 判断电荷电势能的大小及变化 正 负 电荷在电场中顺 逆 着电场线方向移动 电场力做正功 电荷的电势能减小 反之电势能增加 电场力对电荷做了多少正功 或负功 电荷的电势能就减少 或增加 多少 即有关系式w ep 6 解释静电感应现象 由电场线的特点可以判断 7 确定电荷的有无及分布 由电场线的特点及性质判断 8 判断库仑力的大小及方向 由电场线特点及性质判断 模块建构 知识建构 技能建构 变式训练3空间存在甲 乙两相邻的金属球 甲球带正电 乙球原来不带电 由于静电感应 两球在空间形成了如图所示稳定的静电场 实线为其电场线 虚线为其等势线 a b两点与两球球心连线位于同一直线上 c d两点关于直线ab对称 则 a a点和b点的电势相同 模块建构 知识建构 技能建构 b c点和d点的电场强度相同 c 正电荷从a点移至b点 电场力做正功 d 负电荷从c点沿直线移至d点 电势能先增大后减小 模块建构 知识建构 技能建构 规范全解 由电场线和等势面的分布图可知 a点的电势高于b点的电势 故a错 c点和d点的电场强度大小相等 但方向不同 所以b错 由于a点的电势高于b点的电势 正电荷从a点移至b点 电场力做正功 故c正确 负电荷从c点沿直线cd移至d点 电势能先减小后增大 选项d错 答案 c 模块建构 知识建构 技能建构 高考真题1 模块建构 知识建构 技能建构 模块建构 知识建构 技能建构 命题分析 本题主要考查曲线运动中速度方向 合外力方向 运动轨迹之间的关系 要求考生熟悉此关系 解析提示 粉尘只受电场力作用 由于电场线是曲线 轨迹不可能与电场线重合 粉尘做曲线运动 轨迹应向力的方向弯曲 模块建构 知识建构 技能建构 规范全解 由于带电粒子受到的电场力的方向沿电场线的切线方向 粒子曲线运动的偏转方向与受力方向一致 但不可能沿电场线运动 故选项a正确 答案 a 考向预测1 2011年朝阳一模 如图所示 在真空中有两个固定的等量异种点电荷 q和 q 直线mn是两点电荷连线的中垂线 o是两点电荷连线与直线mn的交点 a b是两点电荷连线上关于o的对称点 c d是直线mn上的两个点 下列说法中正确的是 a a点的场强大于b点的场强 将一检验电荷沿mn由c移动到d 所受电场力先增大后减小 b a点的场强小于b点的场强 将一检验电荷沿mn由c移动到d 所受电场力先减小后增大 c a点的场强等于b点的场强 将一检验电荷沿mn由c移动到d 所受电场力先增大后减小 d a点的场强等于b点的场强 将一检验电荷沿mn由c移动到d 所受 模块建构 知识建构 技能建构 电场力先减小后增大 解析 在两电荷的连线上 由场强的叠加原理可知 中点o场强最小 从点o分别向点a或b 场强逐渐增大 由于a b是两点电荷连线上关于o的对称点 场强相等 排除选项a b 在两电荷连线的中垂线上 中点o的场强最大 由o点到c点或d点场强逐渐减小 所以沿m