高中物理电磁学知识

凡是涉及电磁学知识题目必须掌握 凡是涉及电磁学知识题目必须掌握 1 知得电性 即带正电荷还是负电荷 知得电性 即带正电荷还是负电荷 2 知电场 知电场 E 或磁场或磁场 B 的方向的方向 3 判断出 判断出 F电 电 F安 安 f洛 洛等的受力方向情况 等的受力方向情况 4 再根据运动情况 再根据运动情况 判断各力做功情况 能量转化情况及运动规律等 判断各力做功情况 能量转化情况及运动规律等 5 再选取适当的规律解题 再选取适当的规律解题 电荷运动电荷运动 变变 化的电场化的电场 产生磁场 产生磁场 电场电场 电场力的性质电场力的性质 电场强度电场强度 E 一 电荷 电荷守恒定律一 电荷 电荷守恒定律 1 两种电荷 两种电荷 用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电荷 用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷 2 元电荷 元电荷 所带电荷的最小基元 一个元电荷的电量为 e 1 6 10 19 C 是一个电子 或质子 所带的电量 说明 任何带电体的带电量皆为元电荷电量的整数倍 荷质比 比荷 电荷量 q 与质量 m 之比 q m 叫电荷的比荷 3 物体带电方法有三种物体带电方法有三种 摩擦起电 接触起电 注意 电荷的变化是电子的转移引起的 完全相同的带电金属球相接触 同种电荷总电荷量平均分配 异种电 荷先中和后再平分 感应起电 切割 B 或磁通量发生变化 光电效应 在光的照射下使物体发射出电子 4 电荷守恒定律 电荷守恒定律 电荷既不能创造 也不能被消灭 它们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 系统的电荷总数是不变的 二 库仑定律二 库仑定律 1 内容 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 第第 1 1 课课 电荷电荷 电荷静止电荷静止周围的是静电场 周围的是静电场 熟记几种典型的电场的电场线分布情况 周期性运动周期性运动周期性变化的 E周期性变化的 B 形成电磁 波 匀速匀速恒定电流周围产生稳定的 B 直线电流 环形电流 通电螺线管 安培右手螺旋定则 电电 场场 的二次方成反比 作用力的方向在它们的连线上 方向由电性决定 同性相斥 异性相吸 2 公式 公式 2 21 r QQ kF 229 109 CmNk 叫静电力恒量 极大值问题 极大值问题 在 r 和 Q1 Q2 恒定值的情况下 当 Q1 Q2时 F 有最大值 3 适用条件 适用条件 真空中 点电荷 点电荷点电荷是一个理想化的模型 在实际中 如果带电体间的距离比它们自身的大小大得多 以致带电 体的形状和大小对相互作用力的影响可以忽略不计时 就可以把带电体视为点电荷 这一点与万有引力很相似 但又有不同 对质量均匀分布的球 无论两球相距多近 r都等于球心 距 而对带电导体球 距离近了以后 电荷会重新分布 不能再用球心距代替r 点电荷很相似于我们 力学中的质点 注意注意 两电荷之间的作用力是相互的 遵守牛顿第三定律 作用力与反作用力作用力与反作用力 使用库仑定律计算时 电量用绝对值代入 作用力的方向根据 同性相排斥 异性相吸引 的 规律定性判定 计算方法 计算方法 带正负计算 为正表示斥力 为负表示引力 一般电荷用绝对值计算 方向由电性异 同判断 三个自由点电荷平衡问题 静电场的典型问题 它们均处于平衡状态时的规律 三个自由点电荷平衡问题 静电场的典型问题 它们均处于平衡状态时的规律 三点共线 两同夹异 两大夹小 中间电荷靠近另两个中电量较小的 中间点电荷的平衡求间距 两边之一平衡求中间点电荷的电量 关系式为 313221 qqqqqq 或 右左中 QQQ 2 q1 q3固定时 q2的平衡位置具有唯一性 且与 q2的电量多少 电性正负无关 三 电场 三 电场 1 带电体周围客观存在的一种物质 是电荷间相互作用的媒体 电场 电场 只要电荷存在它周围就存在电场 电场是客观存在的 它具有力和能的特性 力 电场强度 能 磁通量 若电荷不动周围的是静电场 若电荷运动周围不单有电场而且产生磁场 2 电场的基本性质电场的基本性质 对放入其中的电荷有力的作用 能使放入电场中的导体产生静电感应现象 3 电场可以由存在的电荷产生 也可以由变化的磁场产生 电场可以由存在的电荷产生 也可以由变化的磁场产生 四 电场强度四 电场强度 E 描述描述电场力特性电场力特性的物理量 的物理量 矢量 矢量 1 定义 定义 放入电场中某一点的电荷受到的电场力 F 跟它的电量 q 的比值 叫做这一点的电场强度 表示 该处电场的强弱 2 求求 E E 的规律及方法的规律及方法 有如下有如下 5 5 种种 q F E 定义式普遍适用 方向 正电荷在该点的受力方向 是矢量 适用于任何电场 电场中某点的场强是确定值 其大小和方向与检验电荷 q 无关 检验电荷 q 充当 测量工 具 的作用 单位是 N C 或 V m 描述自身的物理量 统统不能说 正此 反比 下同 2 r Q kE 导出式 真空中的点电荷形成的电场 E 由场源电荷 Q 和场源电荷到某点的距离 r 决定 d U E 只适用于匀强电场 是场强与电势差的关系式 注意式中 d 为两点间沿电场线方向上的距离 单位 距离上的电势差 电场的矢量叠加 当存在几个场源时 某处的合场强 各个场源单独存在时在此处产生场强的矢 量和 利用对称性求解 3 方向 方向 与该点正电荷受力方向相同 与负电荷的受力方向相反 电场线的切线方向是该点场强的方向 场强的方向与该处等势面的方向垂直 平行板电容器边缘除外 4 在电场中某一点确定了 则该点场强的大小与方向就是一个定值 与放入的检验电荷无关 即使不放 在电场中某一点确定了 则该点场强的大小与方向就是一个定值 与放入的检验电荷无关 即使不放 入检验电荷 入检验电荷 该处的场强大小方向仍不变 检验电荷 q 充当 测量工具 的作用 某点的 E 取决于电场本身 即场源及这点的位置 与 q检的正负 电何量 q检和受到的电场力 F 无关 这一点很相似于重力场中的重力加速度 点定则重力加速度定 与放入该处物体的质量无关 即使不放 入物体 该处的重力加速度仍为一个定值 5 电场强度是矢量 电场强度是矢量 电场强度的合成按照矢量的合成法则 平行四边形法则和三角形法则 6 电场强度和电场力是两个概念 电场强度和电场力是两个概念 电场强度的大小与方向跟放入的检验电荷无关 而电场力的大小与方 向则跟放入的检验电荷有关 五 电场线五 电场线 定义 定义 在电场中画出一系列的从正电荷出发到负电荷终止的曲线 使曲线上每一点的切线方向都跟该 点的场强方向一致 这些曲线叫电场线 在电场中为了形象的描绘电场而人为想象出或假想的曲线 描述 E 的强弱 疏密 和方向 电场线实际上 并不存 但 E 又是客观存在的 电场线是人为引入的研究工具 电场线是人为引入的研究工具 实际上是不存在的 实际上是不存在的 匀强电场 点电荷与带电平板 等量异种点电荷的电场 等量同种点电荷的电场孤立点电荷周围的电场 法拉第首先提出用电场线形象生动地描绘电场或磁场 切线方向表示该点场强的方向 也是正电荷的受力方向 静电场电场线有始有终 始于 或无穷远处 终止于 或无穷远 疏密表示该处电场的强弱 也表示该处场强的大小 越密 则 E 越强 匀强电场的电场线平行且等间距直线表示 平行板电容器间的电场 边缘除外 没有画出电场线的地方不一定没有电场 沿着电场线方向 电势越来越低 但 E 不一定减小 沿 E 方向电势降低最快的方向 电场线 等势面 电场线由高等势面批向低等势面 静电场的电场线不相交 不终断 不成闭合曲线 但变化的电场的电场线是闭合的 电场线不是电荷运动的轨迹 也不能确定电荷的速度方向 除非三个条件同时满足 只有当电场线为直线 v0 0 或 v0方向与 E 方向平行 仅受电场力作 用 运动轨迹才与电场线重合 六 匀强电场六 匀强电场 在电场中如果各点的场强的大小和方向都相同 这样的电场叫匀强电场 匀强电场中的电 场线是间距相等且互相平行的直线 七 熟记几种典型电场的电场线特点 重点 七 熟记几种典型电场的电场线特点 重点 孤立点电荷周围的电场 等量异种点电荷的电场 连线和中垂线上的电场特点 等量同种点电荷的 电场 连线和中垂线上的电场特点 匀强电场 点电荷与带电平板 具有某种对称性的电场 均 匀辐射状的电场 周期性变化的电场 电场能的性质电场能的性质 电势电势 一 电势差一 电势差 U 是指两点间的 定义 电场中两点间移动检验电荷 q 从 A B 电场力做的功 WAB跟其电量 q 的比值叫做这两点间 的电势差 UAB WAB q 是标量 UAB的正负只表示两点电势谁高谁低 UAB为正表示 A 点 的电势高于 B 点的电势 数值上 单位正电荷从 A B 过程中电场力所做的功 等于 A B 两点的电势之差 即 UAB A B 在匀强电场中 UAB EdE dE表示沿电场方向上的距离 意义 意义 反映电场本身性质 取决于电场两点 与移动的电荷 q 无关 与零电势的选取无关 电势差对应静电力做功 电能 其它形式的能 W qu 电动势对应非静电力做功 电能 其它形式的能 匀强电场中电势差与电场强度的关系匀强电场中电势差与电场强度的关系 公式表达 d U E 或 EdU 理解 公式 d U E 反映了电场强度与电势差之间的关系 由公式可知 电场强度的方向就是电势降低最快的 第第 2 2 课课 方向 公式 d U E 的应用只适用于匀强电场 且应用时注意 d 的含义是表示某两点沿电场线方向上的距离 或两点所在等势面之间的距离 由公式可得结论 在匀强电场中 两长度相等且相互平行的线段的 两端点间的电势差相等 对于非匀强电场 此公式可以用来定性分析某些问题 如在非匀强电场中 各相邻等势面的电势差 为一定值时 那么 E 越大处 d 越小 即等势面越密 二 电势二 电势 是指某点的 描述电场能性质的物理量 必须先选一个零势点 必须先选一个零势点 具有相对性 相对零势点而言 具有相对性 相对零势点而言 常选无穷远或大地作为零电势 正点电荷产生的电场中各点的电势为正 负点电荷产生的电场中各点的电势为负 定义 是指这点与电势零点之间的电势差叫做该点的电势 是标 量 令 BAABAB U 0 在数值上 单位正电荷由该点移到零电势点时电场力所做的功 特点 特点 标量 有正负 无方向 只表示相对零势点比较的结果 电场中某点的电势由电场本身因素决定 与检验电荷无关 与零势点的选取有关 沿电场线方向电势降低 逆 但场强不一定减小 沿 E 方向电势降得最快 当存在几个场源时 某处合电场的电势等于各个场源在此处产生电势代数和的叠加 电势高低的判断方法电势高低的判断方法 1 根据电场线的方向判断 沿电场线方向电势降低 2 电场力做功判断 电荷的正负及移动的方向 3 电势能变化判断 4 场源电荷判断 跟场源正电荷越近 电势越高 跟场源负电荷越近 电势越低 点评点评 类似于重力场中的高度 某点相对参考面的高度差为该点的高度 注意 注意 1 电势是相对的与零电势的选取有关 而电势差是绝对的 与零电势的选取无关 类似于高度是相对的 与参考面的选取有关 而高度差是绝对的与参考面的选取无关 2 一般选取无限远处或大地的电势为零 当零电势选定以后 电场中各点的电势为定值 3 电场中 A B 两点的电势差等于 A B 的电势之差 即 UAB A B 沿电场线方向电势降低 电势与电场强度的关系电势与电场强度的关系 电势反映电场能的特性 而电场强度反映电场力的特性 电势是标量 具有相对性 而电场强度是矢量 不具相对性 两者叠加时运算法则不同 电势的正负有大小的含义 而电场强度的正 负表示方向不同 并不表示大小 电势与电场强度的大小没有必然的联系 某点的电势为零 电场强度可不为零 反之亦然 同一检验电荷在 E 大处 F 大 但正电荷在 高处 才大 而负电荷在 高处 反而小 5 电势和电场强度都是由电场本身的因素决定的 与检验电荷无关 三 电势能三 电势能 E 1 概念 概念 电荷在电场中所具有的势能叫电势能 电势能是电荷与所在电场所共有的 具有相对性 与参考 位置 势能零点 的选择有关 通常选地面或 远为电势能零点 由电荷 场源 及电荷在电场中的相对位置决定的能量 叫电荷的电势能 电荷在电场中某点的电势能 把电荷从此点移到电势能零处电场力所做的功 E q A 0 特别指出 特别指出 电势能实际应用不大 常实际应用的是电势能的变化 四 电场力做功与电势能变化的关系四 电场力做功与电势能变化的关系 如同重力做功与重力势能的关系一样 2 电势能的变化 电势能的变化 电场力做功过程就是电势能与其它形式能转化的过程 电势差 做功的数值就是能量 转化的数量 电场力做正功电势能减少 电场力做负功电势能增加 电场力对电荷做功的多少等于电荷电势能的变化 量 所以电场力的功是电荷电势能变化的量度 用 表示电势能 则将电荷从 A 点移到 B 点有 B W AAB 重力势能变化 重力做正功重力势能减少 重力做负功重力势能增加 3 电势能变化的判断方法 电势能变化的判断方法 由电荷的正负和移动的方向去判断 4 种情况 功的正负 电势能的变化 重点和难点知识 重点和难点知识 正 负电荷沿 逆 电场方向移动的 4 种情况 上课时一定要搞清楚的 否则对以后的学习带来 困难 a 依电场力做功正负判断 b 由电荷沿电场线移动方向判断 正电荷顺电场线移动时 电场力是做正功 电势能减少 负电荷顺电场线移动时 电场力是做负功 电势能增加 c 若只有电场力做功时 动能和电势能互相转化 则动能增加 电势能就减少 反之 电势能就 增加 W FSCOS 匀强电场 W qEd d 为沿场强方向上的距离 W qU Ep U 为电势差 q 为电量 重力做功 W Gh h 为高度差 G 为重量 电场力 重力 做功跟路径无关 是由初末位置的电势差 高度差 与电量 重量 决定 四 等势面 线 体四 等势面 线 体 1 电场中电势相等的点构成的面叫做等势面 电场线和等势面都是人们虚拟出来形象描述电场的工 具 2 特点 1 各点电势相等 等势面上任意两点间的电势差为零 在等势面上移动电荷 不论方式如何 只要起终点在同一等势面上 电场力不做功 电场力做功为零 路径不一定沿等势面运动 但起点 终点一定在同一等势面上 沿电场线移动电荷 电场力一定做功 2 画法规定 相邻的等势面间的电势差相等 等差等势面的蔬密可表示电场的强弱 3 处于静电平衡状态的导体 整个导体是一个等势体 其表面为等势面 E内 0 任两点间 UAB 0 越靠近导体表面等势面越密 形状越与导体形状相似 等势面越密 电场线越密 电场强度越大 曲率半径越小 越尖 的地方 等势面 电场线 都越密 这就可解释尖端放电现象 如避雷针 4 匀强电场 电势差相等的等势面间距离相等 点电荷形成的电场 电势差相等的等势面间距不相等 越向外距离越大 5 等势面上各点的电势相等但电场强度不一定相等 6 电场线总是 等势面 且从高等势面指向低等势面 沿着电场线方向电势降低 7 两个等势面永不相交 8 实际中测量等电势点较容易 所以往往通过描绘等势线来确定电场线 规律方法规律方法 1 1 一组概念的理解与应用一组概念的理解与应用 电势 电势能 电场强度都是用来描述电场性质的物理 它们之间有十分密切的联系 但也有很大区别 现列表进行比较 1 电势与电势能比较 电势 电势能 1反映电场能的性质的物理量荷在电场中某点时所具有的电势能 2电场中某一点的电势 的大小 只跟电场本身 有关 跟点电荷无关 电势能的大小是由点电荷 q 和该点电势 共同决 定的 3电势差却是指电场中两点间的电势之差 电势能差 E 是指点电荷在电场中两点间的电势 U A B 取 B 0 时 A U 能之差 E EA EB W 取 EB 0 时 EA 4沿电场线方向电势逐渐降低 取定零电势点后 某点的电势高于零者 为正值 某点的电势低 于零者 为负值 正点荷 十 q 电势能的正负跟电势的正负相 同 负电荷 一 q 电势能的正负限电势的正负相 反 5单位 伏特单位 焦耳 6联系 q w q U 2 电场强度与电势的对比 电场强度 E电势 1描述电场的力力的性质描述电场的能能的性质 2电场中某点的场强等于放在该点的正点电荷所 受的电场力 F 跟正点电荷电荷量 q 的比 值 E F q E 在数值上等于单位正电荷所受 的电场力 电场中某点的电势等于该点跟选定的标准位置 零电势点 间的电势差 E q 在数值上 等于单位正电荷所具有的电势能 3矢量标量 4单位 N C V mV 1V 1J C 5联系 在匀强电场中 UAB Ed d 为 A B 间沿电场线方向的距离 电势沿着电场强度的 方向降落 2 公式公式 E U d 的理解与应用的理解与应用 1 公式 E U d 反映了电场强度与电势差之间的关系 由公式可知 电场强度的方向就是电势降低最快的 方向 2 公式 E U d 只适用于匀强电场 且 d 表示沿电场线方向两点间的距离 或两点所在等势面的范离 3 对非匀强电场 此公式也可用来定性分析 但非匀强电场中 各相邻等势面的电势差为一定值时 那 么 E 越大处 d 越小 即等势面越密 3 电场力做功与能量的变化应用电场力做功与能量的变化应用 电场力做功 可与牛顿第二定律 功和能等相综合 解题的思路和步骤与力学中的完全相同 但要 注意电场力做功的特点 与路径无关 电场中的导体 电容器电场中的导体 电容器 知识简析知识简析 一 电场中的导体一 电场中的导体 1 静电感应 静电感应 把金属导体放在外电场 E外中 由于导体内的自由电子受电场力作用定向移动 使得导体 两端出现等量的异种电荷 这种由于导体内的自由电子在外电场作用下重新分布的现象叫做静电感应 第第 3 3 课课 在靠近带电体端感应出异种电荷 在远离带电体端感应出同种电荷 由带电粒子在电场中受力去分析 静电感应可从两个角度来理解 根据同种电荷相排斥 异种电荷相吸引来解释 也可以从电势的角度来解释 导体中的电子总是沿电势高的方向移动 2 静电平衡状态 静电平衡状态 发生静电感应后的导体 两端面出现等量感应电荷 感应电荷产生一个附加电场 E附 这个 E附与原 电场方向相反 当 E附增到与原电场等大时 即 E附 E外 合场强为零 自由电子定向移动停止 这时的导体处于静电平衡状态 注意 这时没有定向移动而不是说导体内部的电荷不动 内部的电子仍在做无规则的运动 3 处于静电平衡状态的导体的特点 处于静电平衡状态的导体的特点 1 内部场强处处为零 电场线在导体内部中断 导体内部的电场强度是外加电场和感应电荷产生电场 这两种电场叠加的结果 表面任一点的场强方向跟该点表面垂直 因为假若内部场强不为零 则内部电荷会做定向运动 那么就不是静电平衡状态了 2 净电荷分布在导体的外表面 内部没有净电荷 曲率半径小的地方 面电荷密度大 电场强 这一原理 的避雷针 因为净电荷之间有斥力 所以彼此间距离尽量大 净电荷都在导体表面 3 整个导体是一个等势体 表面是一个等势面 导体表面上任意两点间电势差为零 因为假若导体中某两点电势不相等 这两点则有电势差 那么电荷就会定向运动 3 静电屏蔽静电屏蔽 处于静电平衡状态的导体 其空腔导体壳 或金属网罩 能把外电场 遮住 内部的场强处处为零 使 导体内部区域不受外部电场的影响 这种现象就是静电屏蔽 二 电容 电容器 静电的防止和应用二 电容 电容器 静电的防止和应用 电容器 电容器 是一种电子元件 构成 两个互相靠近又彼此绝缘的导体组成电容器 作用 容纳电荷 电路中起到隔直通交 高频 电容 电容 容纳电荷本领 是电容器的基本性质 与是否带电 带电多少无关 充电 充电 使电容器两极板带上等量异种电荷的过程叫充电 充电的过程是将电场能储存在电容器中 放电 放电 使充电后的电容器失去电荷的过程叫放电 放电的过程是将储存在电容器中的电场能转化为其 他形式的能 电容器的带电量 电容器的带电量 是指每个极板上所带电量的绝对值 是指一板上的电量 定义 定义 电容器所带电荷量与的比值叫电容 定义公式 U Q C C Q U 因为 U1 Q1 C U2 Q2 C 所以 C Q U 电容的物理意义 电容的物理意义 是描述电容器容纳电荷本领大小的物理量 在数量上等于把电容器两板间的电势差增大 lV 所需电荷量 电容器定了则电容是定值 跟电容器所带电量及板间电势差无关 注意 C 跟 Q U 无关 只取决于 电容器本身 电容的单位 电容的单位 法拉 符号 F pF F F 126 10101 进制为 106 平行板电容器的电容 平行板电容器的电容 公式 kd S C 4 跟两板间的正对面积成正比 跟两板间的介电常数成正比 跟两板间 距离成反比 5 常用电容器 常用电容器 从构造上看分为固定电容器 纸介电容器与电解电容器 和可变电容器 6 电容器的击穿电压和工作电压 电容器的击穿电压和工作电压 击穿电压是指电容器的极限电压 额定电压是电容器最大工作电 压 电容器被击穿相当于短路 而灯泡坏了相当于断路 注意 电容器的电容是反映电容器本身储电特性的物理量 由电容器本身决定 与电容器是否带电 带电荷量的多少 板间电压的大小等均无关 电容器在实际使用中 两极板不允许相连 当它始终与电源相连时 两极板间的电压等于电源电压 当它充电后与电源断开时 通常可以认为其电荷量保持不变 7 平行板电容器问题的分析平行板电容器问题的分析 两种情况分析两种情况分析 关于电容器的动态分析关于电容器的动态分析 d S kd S C 4 由于电容器的 d S 变化而引起电容器的 C Q U E 怎样的变化的分析方法 先确定是还是不变 电容器的保持与电源相连接 U 不变 电容器充电后切断电源 Q 不变 由平行板电容器 kd S C 4 来确定电容变化 由 U Q C 的关系判断 Q U 变化 由 d U E 的关系确定电容器两极板间场强的变化 1 始终与电源相连 U 不变 当 d C Q CU E U d 仅变 s 时 E 不变 2 充电后断电源 q 不变 当 d c u q c E u d s kq4 d q c 不变 仅变 d 时 E 不 变 E 决定于面电荷密度 q s 可以解释尖端放电现象 带电粒子在电场中的运动带电粒子在电场中的运动 一 带电物体在电场中的运动一 带电物体在电场中的运动 带电物体 一般要考虑重力 在电场中受到除电场力以外的重力 弹力 摩擦力 由牛顿第二定律 来确定其运动状态 所以这部分问题将涉及到力学中的动力学和运动学知识 二 带电粒子在电场中的运动二 带电粒子在电场中的运动 带电微粒子在电场中的运动一般不考虑粒子的重力 带电粒子在电场中运动分两种情况 第一种是带电粒子垂直于电场方向进入电场 在沿电场力的方向上初速为零 作类似平抛运动 第二种情况是带电粒子沿电场线进入电场 作直线运动 加速电场加速电场 加速电压为 U 带电粒子质量为 m 带电量为 q 假设从静止开始加速 则根据动能定理 2 0 2 1 qEdquWmv 加 所以离开电场时速度为 m 2qu 0 加 v 在匀强电场中的偏转运动在匀强电场中的偏转运动 记住这些结论 第第 4 4 课课 如图所示 板长为 L 板间距离为 d 板间电压为 U 带电粒子沿平行于带电金属板以初速度 v0进入偏 转电