高考物理 热点题型和提分秘籍 专题6.3 电容器 带电粒子在电场中运动（含解析）.doc

专题6.3 电容器 带电粒子在电场中运动【高频考点解读】1.带电粒子在匀强电场中的运动2.示波管3.常见电容器电容器的电压、电荷量和电容的关系【热点题型】题型一 平行板电容器的动态分析例1、如图632所示，电路中r1、r2均为可变电阻，电源内阻不能忽略，平行板电容器c的极板水平放置。闭合电键s，电路达到稳定时，带电油滴悬浮在两板之间静止不动。如果仅改变下列某一个条件，油滴仍能静止不动的是() 图632a增大r1的阻值b增大r2的阻值 c增大两板间的距离 d断开电键s【提分秘籍】 1分析比较的思路(1)先确定是q还是u不变：电容器保持与电源连接，u不变；电容器充电后与电源断开，q不变。(2)用决定式c确定电容器电容的变化。(3)用定义式c判定电容器所带电荷量q或两极板间电压u的变化。(4)用e分析电容器极板间电场强度的变化。2两类动态变化问题的比较充电后与电池两极相连充电后与电池两极断开不变量uqd变大c变小q变小e变小c变小u变大e不变s变大c变大q变大e不变c变大u变小e变小r变大c变大q变大e不变c变大u变小e变小【举一反三】 美国物理学家密立根通过研究平行板间悬浮不动的带电油滴，比较准确地测定了电子的电荷量。如图633所示，平行板电容器两极板m、n相距d，两极板分别与电压为u的恒定电源两极连接，极板m带正电。现有一质量为m的带电油滴在极板中央处于静止状态，且此时极板带电荷量与油滴带电荷量的比值为k，则() 图633a油滴带负电b油滴带电荷量为c电容器的电容为d将极板n向下缓慢移动一小段距离，油滴将向上运动题型二 带电粒子在电场中的直线运动例2如图634所示，在a点固定一正电荷，电量为q，在离a高度为h的c处由静止释放某带同种电荷的液珠，开始运动瞬间向上的加速度大小恰好等于重力加速度g。已知静电力常量为k，两电荷均可看成点电荷，不计空气阻力。求：图634(1)液珠的比荷；(2)液珠速度最大时离a点的距离h；(3)若已知在点电荷q的电场中，某点的电势可表示成，其中r为该点到q的距离(选无限远的电势为零)。求液珠能到达的最高点b离a点的高度rb。【答案】(1)(2)h(3)2h【提分秘籍】 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解决带电粒子在电场中的直线运动问题的两种思路(1)运动状态的分析：带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场，受到的电场力与运动方向在同一条直线上，做加(减)速直线运动。(2)用功与能的观点分析：电场力对带电粒子做的功等于带电粒子动能的变化量，即qumv2mv02。解决此类问题的关键是灵活利用动力学分析的思想，采用受力分析和运动学方程相结合的方法进行解决，也可以采用功能结合的观点进行解决，往往优先采用动能定理。【举一反三】 如图635所示，在某一真空中，只有水平向右的匀强电场和竖直向下的重力场，在竖直平面内有初速度为v0的带电微粒，恰能沿图示虚线由a向b做直线运动。那么() 图635a微粒带正、负电荷都有可能b微粒做匀减速直线运动c微粒做匀速直线运动d微粒做匀加速直线运动题型三 带电粒子在匀强电场中的偏转 例3、如图638所示，正方体真空盒置于水平面上，它的abcd面与efgh面为金属板，其他面为绝缘材料。abcd面带正电，efgh面带负电。从小孔p沿水平方向以相同速率射入三个质量相同的带正电液滴a、b、c，最后分别落在1、2、3三点，则下列说法正确的是() 图638a三个液滴在真空盒中都做平抛运动b三个液滴的运动时间不一定相同c三个液滴落到底板时的速率相同d液滴c所带电荷量最多解析：选d三个液滴在水平方向受到电场力作用，水平方向不是匀速直线运动，所以三个液滴在真空盒中不是做平抛运动，选项a错误。由于三个液滴在竖直方向做自由落体运动，三个液滴的运动时间相同，选项b错误。三个液滴落到底板时竖直分速度相等，而水平分速度不相等，所以三个液滴到底板时的速率不相同，选项c错误。由于液滴c在水平方向位移最大，说明液滴c在水平方向加速度最大，所带电荷量最多，选项d正确。 【提分秘籍】 1基本规律设粒子带电荷量为q，质量为m，两平行金属板间的电压为u，板长为l，板间距离为d(忽略重力影响), 则有(1)加速度：a。(2)在电场中的运动时间：t。(3)速度 v，tan 。(4)位移2两个结论(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的偏转角度总是相同的。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。【举一反三】 如图6310所示，水平放置的平行板电容器，两板间距为d8 cm，板长为l25 cm，接在直流电源上，有一带电液滴以v00.5 m/s的初速度从板间的正中央水平射入，恰好做匀速直线运动，当它运动到p处时迅速将下板向上提起 cm，液滴刚好从金属板末端飞出，求：图6310(1)将下板向上提起后，液滴的加速度大小；(2)液滴从射入电场开始计时，匀速运动到p点所用时间为多少？(g取10 m/s2)解析：(1)带电液滴在板间受重力和竖直向上的电场力，因为液滴匀速运动，所以有：qemg即qmg得qumgd答案：(1)2 m/s2(2)0.3 s【高考风向标】 1.【2015全国新课标14】如图所示，两平行的带电金属板水平放置。若在两板中间a点从静止释放一带电微粒，微粒恰好保持静止状态。现将两板绕过a点的轴（垂直于纸面）逆时针旋转45，再由a点从静止释放一同样的微粒，改微粒将a保持静止状态 b向左上方做匀加速运动c向正下方做匀加速运动 d向左下方做匀加速运动【答案】d【解析】现将两板绕过a点的轴（垂直于纸面）逆时针旋转时，两板间的电场强度不变，电场力也不变，所以现将两板绕过a点的轴（垂直于纸面）逆时针旋转后，带电微粒受两大小相等的力的作用，合力方向向左下方，故微粒将向左下方做匀加速运动，故d正确，a、b、c错误。1. (2014北京卷，15)如图1所示，实线表示某静电场的电场线，虚线表示该电场的等势面。下列判断正确的是 ()图1a1、2两点的场强相等 b1、3两点的场强相等 c1、2两点的电势相等 d2、3两点的电势相等解析同一电场中，电场线越密的地方场强越大，所以1点场强大于2、3点场强，a、b错误；同一等势面上各点电势相等，沿电场线方向电势降低，故c错误，d正确。答案d2(2014天津4)如图5所示，平行金属板a、b水平正对放置，分别带等量异号电荷一带电微粒水平射入板间，在重力和电场力共同作用下运动，轨迹如图中虚线所示，那么()图5a若微粒带正电荷，则a板一定带正电荷b微粒从m点运动到n点电势能一定增加c微粒从m点运动到n点动能一定增加d微粒从m点运动到n点机械能一定增加答案c3(2013广东15)喷墨打印机的简化模型如图11所示，重力可忽略的墨汁微滴，经带电室带负电后，以速度v垂直匀强电场飞入极板间，最终打在纸上，则微滴在极板间电场中()图11a向负极板偏转b电势能逐渐增大c运动轨迹是抛物线d运动轨迹与所带电荷量无关答案c4(2012江苏2)一充电后的平行板电容器保持两极板的正对面积、间距和电荷量不变，在两极板间插入一电介质，其电容c和两极板间的电势差u的变化情况是()ac和u均增大bc增大，u减小cc减小，u增大dc和u均减小答案b解析由平行板电容器电容的决定式c知，当插入电介质后，r变大，则在s、d不变的情况下c增大；由电容定义式c，得u，又电荷量q不变，故两极板间的电势差u减小，选项b正确【高考押题】 1如图1所示，平行板电容器与电动势为e的直流电源(内阻不计)连接，下极板接地。一带电油滴位于电容器中的p点且恰好处于平衡状态。现将平行板电容器的上极板竖直向上移动一小段距离，则() 图1a带电油滴将沿竖直方向向上运动bp点的电势将降低c带电油滴的电势能将减小d电容器的电容减小，极板带电荷量将增大解析：选b上极板向上移动一小段距离后，板间电压不变，仍为电源电动势e，故电场强度将减小，油滴所受电场力减小，故油滴将向下运动，a错；p点的电势大于0，且p点与下极板间的电势差减小，所以p点的电势降低，b对；两极板间电场方向竖直向下，所以p点的油滴应带负电，当p点电势减小时，油滴的电势能应增加，c错；电容器的电容c，由于d增大，电容c应减小，极板带电荷量qce将减小，d错。2(多选)如图2所示的电路，闭合开关，水平放置的平行板电容器中有一个带电液滴正好处于静止状态。为了使液滴竖直向上运动，下列操作可行的是() 图2a断开开关，将两板间的距离拉大一些b断开开关，将两板水平地向相反方向移开一些c保持开关闭合，将两板间的距离减小一些d保持开关闭合，以两板各自的左侧板沿为轴，同时向上(即逆时针方向)转过一个小角度3(多选)如图3所示，平行板电容器与电动势为e的直流电源(内阻不计)连接，下极板接地，静电计所带电荷量很少，可被忽略。一带负电油滴被固定于电容器中的p点。现将平行板电容器的下极板竖直向下移动一小段距离，则()图3a平行板电容器的电容将变小b静电计指针张角变小c带电油滴的电势能将减少d若先将上极板与电源正极的导线断开，再将下极板向下移动一小段距离，则带电油滴所受电场力不变4(多选)如图4所示 ，m、n是在真空中竖直放置的两块平行金属板，板间有匀强电场，质量为m、电荷量为q的带电粒子，以初速度v0由小孔进入电场，当m、n间电压为u时，粒子刚好能到达n板，如果要使这个带电粒子能到达m、n两板间距的处返回，则下述措施能满足要求的是() 图4a使初速度减为原来的b使m、n间电压提高到原来的2倍c使m、n间电压提高到原来的4倍d使初速度和m、n间电压都减为原来的解析：选bd在粒子刚好到达n板的过程中，由动能定理得qed0mv02，所以d，令带电粒子离开m板的最远距离为x，则使初速度减为原来的，x；使m、n间电压提高到原来的2倍，电场强度变为原来的2倍，x，使m、n间电压提高到原来的4倍，电场强度变为原来的4倍，x；使初速度和m、n间电压都减为原来的，电场强度变为原来的一半，x。5(多选)如图5所示为匀强电场的电场强度e随时间t变化的图像。当t0时，在此匀强电场中由静止释放一个带电粒子，设带电粒子只受电场力的作用，则下列说法中正确的是()图5a带电粒子将始终向同一个方向运动b2 s末带电粒子回到原出发点c3 s末带电粒子的速度为零d03 s内，电场力做的总功为零6如图6所示，两平行金属板间有一匀强电场，板长为l，板间距离为d，在板右端l处有一竖直放置的光屏m，一带电荷量为q、质量为m的质点从两板中央射入板间，最后垂直打在m屏上，则下列结论正确的是() 图6a板间电场强度大小为b板间电场强度大小为c质点在板间的运动时间和它从板的右端运动到光屏的时间相等d质点在板间的运动时间大于它从板的右端运动到光屏的时间解析：选c根据质点垂直打在m屏上可知，质点在两板中央运动时向上偏转，在板右端运动时向下偏转，mgqe，选项a、b错误；根据运动的分解和合成，质点沿水平方向做匀速直线运动，质点在板间的运动时间和它从板的右端运动到光屏的时间相等，选项c正确d错误。7.如图7所示，一电子枪发射出的电子(初速度很小，可视为零)进入加速电场加速后，垂直射入偏转电场，射出后偏转位移为y，要使偏转位移增大，下列哪些措施是可行的(不考虑电子射出时碰到偏转电极板的情况)() 图7a增大偏转电压ub增大加速电压u0c增大偏转极板间距离 d将发射电子改成发射负离子8(多选)如图8所示，平行板电容器ab两极板水平放置，a在上方，b在下方，现将其和二极管串联接在电源上，已知a和电源正极相连，二极管具有单向导电性，一带电小球沿ab中心水平射入，打在b极板上的n点，小球的重力不能忽略，现通过上下移动a板来改变两极板ab间距(两极板仍平行)，则下列说法正确的是() 图8a若小球带正电，当ab间距增大时，小球打在n的右侧b若小球带正电，当ab间距减小时，小球打在n的左侧c若小球带负电，当ab间距减小时，小球可能打在n的右侧d若小球带负电，当ab间距增大时，小球可能打在n的左侧9如图9，水平放置的金属薄板a、b间有匀强电场，已知b板电势高于a板。电场强度e5105 n/c，间距d1.25 m。a板上有一小孔，m恰好在孔的正上方，距离h1.25 m。从m处每隔相等时间间隔由静止释放一个质量m1103 kg的带电小球。第1个带电小球的电量q11108 c，第n个带电小球的电量qnnq1。取g10 m/s2。求：图9 (1)第1个带电小球从m处下落至b板的时间；(2)第几个带电小球将不能抵达b板；(3)第(2)问中该带电小球下落过程中机械能的变化量。解析：(1)t10.5 s，v15 m/s，a15 m/s2，dv1t2a1t22，即2t224t210，解得：t2 s，t总t1t2 s；答案：(1) s(2)5(3)2.08102 j10如图10所示，a、b为两块平行金属板，a板带正电、b板带负电。两板之间存在着匀强电场，两板间距为d、电势差为u，在b板上开有两个间距为l的小孔。c、d为两块同心半圆形金属板，圆心都在贴近b板的o处，c带正电、d带负电。两板间的距离很近，两板末端的中心线正对着b板上的小孔，两板间的电场强度可认为大小处处相等，方向都指向o。半圆形金属板两端与b板的间隙可忽略不计。现从正对b板小孔紧靠a板的o处由静止释放一个质量为m、电量为q的带正电微粒(微粒的重力不计)，问：图10(1)微粒穿过b板小孔时的速度多大？(2)为了使微粒能在cd板间运动而不碰板，cd板间的电场强度大小应满足什么条件？(3)从释放微粒开始，经过多长时间微粒通过半圆形金属板间的最低点p点？解析：(1)设微粒穿过b板小孔时的速度为v，根据动能定理，有qumv2解得v (2)微粒进入半圆形金属板后，电场力提供向心力，有qemm联立，得e答案：(1) (2)e(3)(2k1) k0,1,2，11如图9甲所示，真空室中电极k发出的电子(初速度不计)经过电势差为u1的加速电场加速后，沿两水平金属板c、d间的中心线射入两板间的偏转电场，最后打在荧光屏上。c、d两板间的电势差ucd随时间变化的图象如图乙所示，设c、d间的电场可看作匀强电场，且两板外无电场。已知电子的质量为m、电荷量为e(重力不计)，c、d极板长为l，板间距离为d，偏转电压u2，荧光屏距c、d右端的距离为，所有电子都能通过偏转电极。图9(1)求电子通过偏转电场的时间t0；(2)若ucd的周期tt0，求荧光屏上电子能够到达的区域的长度；(3)若ucd的周期t2t0，求到达荧光屏上o点的电子的动能。解析(1)电子在加速电场的加速过程u1emv在偏转电场中运动，水平方向匀速运动v0t0l，得t0l。答案(1)l(2)(3)u1e12如图12所示，光滑水平轨道与半径为r的光滑竖直半圆轨道在b点平滑连接，在过圆心o的水平界面mn的下方分布有水平向右的匀强电场现有一质量为m、电荷量为q的小球从水平轨道上a点由静止释放，小球运动到c点离开圆轨道后，经界面mn上的p点进入电场(p点恰好在a点的正上方，如图所示，小球可视为质点，小球运动到c点之前电荷量保持不变，经过c点后电荷量立即变为零)已知a、b间距离为2r，重力加速度为g，在上述运动过程中，求：图12(1)电场强度e的大小；(2)小球在圆轨道上运动时的最大