物理电场和电场强度.

第 1 页 共 6 页 物理电场和电场强度 教学结构 一 电场 是物质的一种特殊形态 1 电荷周围存在电场 分析库仑力 对 的作用力 是在其周围产生电场 通过电场作用给 B 2 电场力 在 产生的电场中受到的力 电荷在电场中受到的力称为电 场力 同一电荷在不同电场中或在同一电场不同位置所受电场力的大小和方向均 可能不同 二 电场强度 描述电场力的性质的物理量 1 电场的强弱 电荷 q 放在电场 A 处所受电场力为 FA 放置 B 处受电场力为 FB 若 FA FB到 A 处电场比 B 处强 2 电场强度 描述电场强弱的物理量 放入电场中某一点的电荷受到的电场力跟它电量的比值 叫这点E F q 的电场强度 简称为场强 其物理意义为 单位电量的电荷在电场中受到的电 场力 这是物理中常用的一种方法 同于单位时间物体的位移表示物体运动 快慢 3 场强是描述电场性质的物质的物理量 只由电场决定 与检验电荷无关 例如 在 A 点场强 与 q 的大小无关 与是否存在无关 不能理解为E F q A A EAq 成正比 与成反比 EF AA 与q 4 场强是矢量 其大小按定义式计算即可 其方向为正电荷的受力方E F q 向为该点场强方向 其单位为 N C 5 电场强度和电场力是两个不同的物理量 就像速度和位移是完全不同的两 个概念 最 根本不同的是 场强是表示电场的性质的物理量 电场力是电荷在电场中受的电场 的作用力 还应在大小 方向 单位等诸方面加以比较 它们的关系是或FEq E F q 6 点电荷在真空中电场的场强 在点电荷 Q 形成的电场中 距 Q 为 r 处放入 点电荷 q 如 图 1 所示 q 受的电场力即库仑力 根据场强定义FK Qq r 2 或该处场强为 r 可取任意值 因此即E F q K Q r 2 EK Q r 2 为点电荷在真空中场强公式 Q 为场源电量 r 为某点到场源的距离 k 为静电常数 第 2 页 共 6 页 其方向 若 Q 为正 q 受力方向如图所示 即为该点场强方向 若 Q 为负 场强方向 与图示方向相反 若把 q 换成 q 所受电场力方向正与场强方向相反 注意 是适用于点电荷在真空中的电场 而EK Q r 2 适用各种电场 E F q 7 场强可以合成分解 并遵守平行四边形法则 如图示 2 所示 QA与 QB在 C 处的场强分别为 EA EB E 即是 EA 与 EB的合成场强 若在 C 处放一个 q 点电荷 所受电场力 方向应与 E 反方向 三 电场线 1 电场线是描述电场强度分布的一族曲线 描述方法 用曲线的疏密描述电 场的强弱 用曲线某点的切线方向表示该点场强方向 2 电场的特点 1 在静电场中 电场线从正电荷起 终于负电荷 不闭合曲线 2 电场线不能相交 否则一点将有两个场强方向 3 电场线不是电场里实际存在的线 是为使电场形象化的假想线 3 点电荷的电场线 图 3 图 4 为正 负点电荷电场线的分布 应熟悉 从图 5 可看出 E1为 Q 在 A 处的场强 E2为 Q 在 A 处的场强 E 为 E1与 E2 的合场强 正好为电场线在 A 的切线 两个点电荷形成的电场中 每条电场 线上每个点符合上述的关系 4 匀强电场 1 定义 在电场的某一区域里 如果各点场强大小和方向都相同 这个区域的 电场叫匀强电场 2 电场线如图 6 所示 电场线互相平行的直线 线间距离相等 3 两块靠近 正对且等大平行的金属板 分别带等量 正负电荷时 它们之间的电场是匀强电场 边缘附近除 外 四 电场中的导体 1 导体的特征 导体内部有大量可以自由移动的电荷 金 属导体可自由移动是自由电子 2 静电感应 导体内的自由电荷是电场的作用而重新分 布的现象 第 3 页 共 6 页 认真分析如图所示的物理过程 把金属导体置于匀强电场中 金 属导体中自由电子在电场力作用向左运动 达到左外表面 而右外表面带正电 金 属导体外表面带的等量正负电荷称为感应电荷 感应电荷形成电场 E 的方向与电 场 E 方向相反向左 E 随着感应电荷增加而变大 当 E E 时 导体内场强为零 自由电子不受电场力作用 停止定向运动 达到静电平衡 静电平衡 导体中 包括表面 没有电荷走向移动的状态叫静电平衡 3 在导体处于静电平衡状态时有 1 在导体内部的场强处处为零 2 导体表面任何一点场强方向与该点表面垂直 3 电荷只能分布在外表面上 4 利用处于静电平衡状态时 导体内部场强处处为零的特点 利用金属网罩 金 属包皮 把外 电场遮住 使内部不受电场影响即静电屏数 解题点要 例一 在电场中 A 处放点电荷 q 其受电场力为 F 方向向左 则 A 处场强大小 为 方向为 若将 A 处放点电荷为 2q 则该处电场强度将 方向将 解析 根据电场强度定义式 场度方向向左 在 A 处放 2q 点电荷 该E F q A 处场强大小 方向都不变 注意 场强是表示电场性质的物理量 是由电场决定 与点 电荷电量无关 与点电荷电性无关 例二 如图 8 所示 一个质量为 30g 带电量C 的半径极小的小球 用 1710 8 丝线悬挂在某匀强电场中 电力线与水平面平行 当 小球静止时 测得悬线与竖直夹角为 30 由此可知 匀强电场方向为 电场强度大小为 g 取 N C10 2 2 m s 解析 分析小球受力 重力 mg 竖直向下 丝线拉力 T 沿丝 线方向向上 因为小球处于平衡状态 还应受水平向左的电场 力 F 小球带负电 所受电场力方向与场强方向向反 所以场强 方向水平向右 小球在三个力作用之下处于平衡状态 三个力的合力必为零 所以 F mgtg30 又 mgtg30 FEq Eq E mgtg30 301010 3 3 1710 1010 3 8 7 N C 例三 关于电场线 下述说法中正确的是 A 电场线是客观存在的 B 电场线与电荷运动的轨迹是一致的 C 电场线上某点的切线方向与与电荷在该点受力方向可以不同 第 4 页 共 6 页 D 沿电场线方向 场强一定越来越大 解析 电场线不是客观存在的 是为了形象描述电场的假想线 A 选项是错的 B 选项也是错的 静止开始运动的电荷所受电场力方向应是该点切线方向 下一 时刻位置应沿切线方向上 可能在电场线上 也可能不在电场线上 轨迹可能与 电场线不一致 何况电荷可以有初速度 运动轨迹与初速度大小方向有关 可能 轨迹很多 而电场线是一定的 正电荷在电场中受的电场力方向与该点切线方 向相同 而负电荷所受电场力与该点切线方向相反 选项 C 是正确的 场强大小 与场强的方向无关 与电场线方向无关 D 选项是错的 本题答案应是 C 例四 在 x 轴上 A B 两处分别放有两个点电荷 A 处为 Q B 处为 2Q 在 x 轴上某处 两个电荷各自产生电场强度数值为 EA和 EB 则 A EA EB之点 只有一处 该处合场强为 0 B EA EB之点有两处 一处合场强为 0 另一处合场强为 2EA C EA EB之点共有三处 其中两处合场强为 0 另一处合场强为 2EA D EA EB之点共有三处 其中一处合场强为 0 另二处合场强为 2EA 解析 根据题意画出图 9 在 AB 之间某点 x1 Q 在 x1处产生的场强 EK Q r A A 2 2Q 产生的场强 当时 EK Q r B B 2 rr AB 22 1 2 EA EB EA方向向左 EB的方向向左 合场强 E 2EA 在 A 点左侧 x2处 Ax2 rA Bx2 rB 存在 EA EB EA的方向向右 EB的方向向左 合场强 E 0 在 B 点右侧 x3rr AB 22 2 处 Ax2 Bx2 不可能 EA EB不存在 所以 EA EB之点有两处 且合场强rr AB 22 1 2 一处为 0 另一处为 2EA 答案应选 B 例五 如图 10 所示 正电荷 q 在电场力作用下由 p 向 Q 做加速运动 而且加速 度越来越大 那么可以断定 它所在的电场是图中哪能一个 解析 带电体在电场中做加速运动 其电场力方向与加速度方向相同 加速度越 来越大电荷所受电场力应越来越大 电量不变 电场力 应是 E 越来越大 电FEq 场线描述电场强度分布的方法是 电场线密度越大 表示场强越大 沿 PQ 方向 电场线密度增大的情况 第 5 页 共 6 页 才符合题的条件 应选 D 例六 如图 11 所示 在匀强电场中的 O 点放置点电荷 Q 其带电量为 C 此时距 O 点 10cm 处的 P 点 场强恰好为零 求原匀强电场的2010 8 场强大小是多少 若以 O 点为圆心 以 OP 长为半径作一圆 在 O 点正上 方圆周上 S 点的场强的大小是多少 方向如何 解析 P 点场强 EP 0 应为原场 E 与点电荷 Q 在 P 产生场强 EQ的合场强 E 与 EQ大小相等方向相反 大小关系为 QEEK Q op N C Q 2 9 8 2 3 9010 2010 01 1810 在 S 点产生场强大小等于 EQ 方向向上 与原场强 E 垂 直 S 处场强 ES是 E 与 EQ的合场强 如图 12 所示 EE N C S 225103 方向 与 E 成 45 角向上 课余思考 1 什么是电场强度 其方向是如何规定的 写出场强定义式和点电荷在真空 中各点场强的计算式 2 区分电场强度 电场力两个概念 同步练习 1 下列关于电场强度的叙述正确的是 A 电场中某点的场强在数值上等于单位电荷受到的电场力 B 电场中某点的场强与该点检验电荷所受电场力成正比 C 电场中某点的场强与方向就是检验电荷在该点所受电场力方向 D 电场中某点的场强与该点有无检验电荷无关 2 真空中两个带电量分别为 Q 和 4Q 的正点电荷 位于相距为 30cm 的 A B 两点 将另一个正电荷 q 置于 AB 连线上的 C 点 q 受的合力恰好为零 C 点距 A 点 cm 处 若将电荷 q 取走 C 点场强为 N C 3 如图 13 所示 AB 为体积可以忽略的带电小 球 AB 相距QC A 2010 8 QC B 2010 8 3cm 在水平外电场作用下 AB 保持静止 悬线都沿竖直方向 则外电场的