高考物理 电容器库仑定律 电场强度 电场线电场中带电粒子的运动课件

自主学习1 电容器 1 组成 两个彼此且又的导体 2 带电荷量 一个极板所带电荷量的 3 充 放电 相互靠近 绝对值 绝缘 充电 把电容器接在电源上后 电容器两个极板分别带上等量的电荷的过程 充电后 两极板间有存在 电容器储存 放电 用导线将充电后的电容器的两极板接通 极板上电荷的过程 放电后的两极板间不再有电场 电场能转化为的能量 异种 电荷 中和 其他形式 电场 2 电容 1 定义 电容器所带的与电容器两板间的的比值 2 意义 表示电容器容纳电荷的物理量 3 定义式 4 单位 1法拉 F 微法 F 皮法 pF 电荷量 电势差 本领 106 1012 3 平行板电容器的电容 1 决定因素 平行板电容器的电容C跟板间电介质的介电常数 成 跟正对面积S成 跟极板间的距离d成 2 决定式 3 熟记两点 保持两极板与电源相连 则电容器两极板间不变 充电后断开电源 则电容器所带的不变 正比 正比 反比 电压 电荷量 特别提醒 1 电容由电容器本身决定 与极板的带电情况无关 如相同水桶中水深每增加1cm 所增加的水的量是由桶本身因素 形状 决定 与装水情况无关 2 公式是电容的定义式 对任何电容器都适用 公式是平行板电容器的决定式 只对平行板电容器适用 深化拓展静电计和验电器静电计是用来测量电容器两极板间的电压的 指针偏角大 电压大 验电器是用来验证物体是否带电的 指针偏角大 所带电荷量大 针对训练对于水平放置的平行板电容器 下列说法正确的是 A 将两极板的电压加大 电容将增大B 将两极板平行错开 使正对面积减小 电容将减小C 在下板的内表面上放置一面积和极板相等 厚度小于板间距的陶瓷板 电容将增大D 在下板的内表面上放置一面积和极板相等 厚度小于极板间距的铝板 电容将增大 解析 影响平行板电容器电容大小的因素有 随正对面积的增大而增大 随两极板间距离的增大而减小 在两极板间放入电介质 电容增大 据上面叙述可直接看出A错误 B C正确 对于D选项 实际效果相当于减小了平行板的间距 D正确 答案 BCD 自主学习1 带电粒子在电场中加速带电粒子在电场中加速 若不计粒子的重力 则电场力对带电粒子做功等于带电粒子的增量 1 在匀强电场中 2 在非匀强电场中 动能 2 带电粒子在电场中的偏转带电粒子以垂直匀强电场的场强方向进入电场后 做类平抛运动 轨迹为抛物线 垂直于场强方向做运动 vx v0 x v0t 平行于场强方向做初速度为零的运动 匀速直线 匀加速直线 侧移距离 偏转角 如图所示 深化拓展1 带电粒子在电场中偏转的几个重要推论 1 若不同的带电粒子是从静止经过同一加速电压U0加速后进入偏转电场的 则由动能定理有 由此得 结论 不同的带电粒子从静止经过同一电场加速后进入同一偏转电场 它们在电场中的偏转角度和偏转距离总是相同的 2 作粒子速度的反向延长线 与初速度方向交于O点 O点与电场边缘的距离为x 如图所示 则结论 粒子从偏转电场中射出时 就像是从极板间的x处的O点沿直线射出 点拔 用动能定理计算末速度时 要注意式中的Uy不是两极板间的电压U 而是入射点和出射点之间的电压 2 带电粒子在电场中的运动是否考虑重力 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 一般都不能忽略重力 针对训练 2009 师附中模拟 三个质量相同 分别带正电 负电和不带电的小球 以相同的速率在带电平行金属板间的P沿垂直于电场方向射入电场 分别落在A B C三点 如图所示 则 A 落在A点的小球带正电 B点的小球不带电 C点小球带负电B 三小球在电场中运动的时间相等C 三小球到达正极板时的动能关系是 EkA EkB EkCD 三小球在电场中的加速度关系是 aC aB aA 解析 到达极板时水平位移xA xB xC 而初速v0相同 故三个小球在电场中的运动时间tA tB tC 在竖直方向 三球的位移相同 根据得aAEkB EkA 综上分析知选项A D正确 答案 AD 自主学习1 构造 电子枪 偏转电极 荧光屏 2 工作原理 如图所示 1 如果在偏转电极XX 和YY 之间都没有加电压 则电子枪射出的电子沿直线传播 打在荧光屏 在那里产生一个亮斑 2 YY 上加的是待显示的 XX 上是机器自身的锯齿形电压 叫做 若所加扫描电压和信号电压的周期相同 就可以在荧光屏上得到待测信号在一个周期内变化的 中心 信号电压 扫描电压 图象 针对训练图所示为电子束加速偏转装置 电极K产生的热电子 初速度为0 经电场加速后 进入两平行金属板间 如果两板间加一偏转电压 则电子束将偏转 每单位电压引起的电子偏转距离叫偏转灵敏度 为了提高偏转灵敏度 必须 A 把偏转板长度l增长一些B 设法使发射的电子多一些C 尽量把偏转极板间的距离d做得短些D 把加速电场的电压提高一些解析 设加速电压为U1 偏转电压为U2 由偏转位移则灵敏度为由此可知A C项正确 答案 AC 规律方法 1 首先要区分的两种情况 电容器两极板电势差U保持不变 即连接电源 电容器的带电荷量Q保持不变 即断开电源 2 讨论电容器的问题常用三个基本的公式 即 如果涉及受力问题 则用F qE 如果涉及电势问题 则用 P O UPO E dPO 要注意电势的正 负 如果涉及电势能问题 则用 A q A或用正电荷在电势越高的地方电势能越大 负电荷在电势越低的地方电势能越大 或者将电荷移向标准位置 通过电场力做功的情况进行比较 例1 平行板电容器的两极板A B接于电池两极 一带正电小球悬挂在电容器内部 闭合开关 电容器充电 这时悬线偏离竖直方向的夹角为 如图所示 则 A 保持开关S闭合 带正电的A板向B板靠近 则 角增大B 保持开关S闭合 带正电的A板向B板靠近 则 角不变C 开关S断开 带正电的A板向B板靠近 则 角增大D 开关S断开 带正电的A板向B板靠近 则 角不变 解析 保持开关闭合 板间电势差不变 A向B靠近 E增大 变大 断开S Q不变 只改变d 而板间场强 定值 又因为Q不变 Cd不变 故E不变 则 不变 答案 AD 总结提升 分清两类问题 掌握三个公式 记住一个结论 2009 高考福建理综 如图所示 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 A 带电油滴将沿竖直方向向上运动B P点的电势将降低C 带电油滴的电势能将减小D 若电容器的电容减小 则极板带电量将增大 解析 本题考查平行板电容器的动态变化 匀强电场的电势差与场强关系 物体的平衡条件等物理规律及电容 电势和电势能等物理概念 意在考查考生对基本规律和基本概念的理解 以及综合分析 推理 判断的能力 当平行板电容器的上极板竖直向上移动一小段距离时 两极板之间的距离d增大 由可知 电容C减小 由于移动过程中两极板与电源相连 两极板间的电压U不变 等于电源的电动势E 极板间的场强E场将变小 带电油滴原来在重力和电场力的作用下平衡 带电油滴所受的电场力竖直向上 极板移动后 电场力F qE场会变小 油滴所受合力变为竖直向下 油滴将沿竖直方向向下运动 故A错误 场强E场减小时 P点到电势为零的负极板的距离dP没变 由UP E场dP P点的电势将降低 故B正确 由油滴所受电场力方向可知 油滴带负电 油滴在P点的电势能 P qUP 降低UP qUP的绝对值减小 则油滴的电势能增大 故C错误 由电容的定义式U不变C减小时 Q要减小 故D错误 答案 B 规律方法带电粒子在电场中的运动 综合了静电场和力学的知识 分析方法和力学的分析方法基本相同 先分析受力情况再分析运动状态和运动过程 平衡 加速或减速 是直线还是曲线 然后选用恰当的规律解题 解决这类问题的基本方法 1 采用运动和力的观点 即用牛顿第二定律和运动学知识求解 2 用能量转化的观点 即用动能定理和功能关系求解 3 利用动量的观点 即用动量定理和动量守恒定律求解 例2 如图所示 一光滑斜面的直角点A处固定一带电荷量为 q 质量为m的绝缘小球 另一同样小球置于斜面顶点B处 已知斜面长为L 现把上部小球从B点由静止自由释放 球能沿斜面从B点运动到斜面底端C处 求 1 小球从B处开始运动到斜面中点D处时的速度 2 小球运动到斜面底端C处时 球对斜面的压力是多大 思维点拔 由于小球沿斜面下滑过程中所受电场力为变力 因此不能用功的定义来求解 只能用动能定量求解 解析 1 由题意知 小球运动到D点时 由于AD AB 所以有电势 D B 即UDB D B 0 则由动能定理得 mgsin30 mv 0 联立 解得 vD 2 当小球运动至C点时 对球受力分析如图所示 则由平衡条件得 FN F库sin30 mgcos30 由库仑定律得 F库 联立 得 由牛顿第三定律得 答案 总结提升 带电体在非匀强电场中的运动 求速度时要优先选择能量的方法来处理 电场力的功用qU计算 并注意电势 电势差的分析 2009 高考浙江理综 如图所示 相距为d的平行金属板A B竖直放置 在两板之间水平放置一绝缘平板 有一质量m 电荷量q q 0 的小物块在与金属板A相距l处静止 若某一时刻在金属板A B间加一电压 小物块与金属板只发生了一次碰撞 碰撞后电荷量变为 q 并以与碰前大小相等的速度反方向弹回 已知小物块与绝缘平板间的动摩擦因数为 若不计小物块电荷量对电场的影响和碰撞时间 则 1 小物块与金属板A碰撞前瞬间的速度大小是多少 2 小物块碰撞后经过多长时间停止运动 停在何位置 解析 1 加电压后 B板电势高于A板 小物块在电场力与摩擦力共同作用下向A板做匀加速直线运动 电场强度为E 小物块所受的电场力与摩擦力方向相反 则合外力为F合 qE mg故小物块运动的加速度为 设小物块与A板相碰时的速度为v1 则v 2a1l解得 2 小物块与A板相碰后以与v1大小相等的速度反弹 因电荷量及电性改变 电场力大小与方向发生变化 摩擦力的方向发生改变 小物块做匀减速直线运动 小物块所受的合外力大小为加速度大小为设小物块碰后到停止的时间为t 注意到末速度为零 有 0 v1 a2t设小物块碰后停止时距离A板的距离为x 注意到末速度为零 有或距离B板为d 2l 规律方法带电粒子做曲线运动的条件是 合力与初速度方向不在一条直线上 如果题目中涉及到加速度及运动时间 常见的处理方法是将曲线运动进行分解 然后各分运动分别使用牛顿定律 并结合运动学方程等进行求解 如果题目中只涉及到力 位移 初末速度等 用功能关系解题非常简捷 例3 在如图所示的xOy平面内 y轴正方向竖直向上 存在着水平向右的匀强电场 有一带正电的小球自坐标原点O沿y轴正方向竖直向上抛出 它的初动能为5J 不计空气阻力 当它上升到最高点M时 它的动能为4J 1 试分析说明带电小球被抛出后沿竖直方向和水平方向分别做什么运动 2 若带电小球落回到x轴上的P点 在图中标出P的位置 并大致绘出其轨迹 3 求带电小球到达P点时的动能 解析 1 竖直方向 小球受重力作用 做竖直上抛运动 沿水平方向 小球受水平向右的恒定电场力作用 做初速度为零的匀加速直线运动 2 上升时间与下落时间相等 由运动学公式知水平位移之比1 3 P点坐标如图所示 3 粒子在M点速度方向水平 因粒子上升时间与下落时间相等 在水平方向上 vM at vxP a 2t 故vxP 2VM 粒子在P点的动能 2009 高考安徽理综 16分 如图所示 匀强电场方向沿x轴的正方向 场强为E 在A d 0 点有一个静止的中性微粒 由于内部作用 某一时刻突然分裂成两个质量均为m的带电微粒 其中电荷量为q的微粒1沿y轴负方向运动 经过一段时间到达 0 d 点 不计重力和分裂后两微粒间的作用 试求 1 分裂时两个微粒各自的速度 2 当微粒1到达 0 d 点时 电场力对微粒1做功的瞬时功率 3 当微粒1到达 0 d 点时 两微粒间的距离 解析 1 设分裂时微粒1的初速度为v1 到达 0 d 点所用时间为t 依题意可知微粒1带负电 在电场力的作用下做类平抛运动 得下列方程 d v1t qE ma 根号外的负号表示沿y轴的负方向 设分裂时另一微粒2的速度为v2 根据动量守恒定律mv1 mv2 0 2 当微粒1运动到B 0 d 点时 速度在x轴方向上的分量为vBx 则 由 解得电场力对它做功的瞬时功率 3 中性微粒分裂时 根据电荷守恒定律 微粒2带等量的正电荷 所受电场力沿x轴的正方向 在电场力的作用下也做类平抛运动 根据对称性 当微粒1到达B 0 d 点时 微粒2运动到C 2d d 点 此时两微粒间的距离是BC 规律方法带电粒子在交变电场中运动的情况一般较复杂 由于不同阶段的受力情况不同 运动也不同 故要分段应用牛顿第二定律和运动学公式求解 注意分段的时间和段与段之间的连接参量 速度 例4 如图所示 A和B表示在真空中相距为d的平行金属板 加上电压后 它们之间的电场可视为匀强电场 图象表示一周期性的交变电压波形 横坐标代表时间t 纵坐标代表电压U 从t 0开始 电压为一给定值U0 经过半个周期 突然变为 U0 再过半个周期又变为U0 如此周期性地交替变化 在t 0时 将上述交变电压U加在A B两极上 使开始时A板的电势比B板的高 这时在B板处有一初速度为零的电子 质量为m 电荷量为 e 在电场力的作用下开始运动 问 1 要使这个电子到达A板时具有最大的动能 则所加交变电压的频率最大值不能超过多少 2 如果使这个电子运动到A板时速度为零 则所加交变电压频率的最小值为多少 分析 若不考虑时间和空间的限制 电子从t 0时开始运动 根据受力分析可知电子将经历周期性加速 减速且一直向右运动 其最大动能出现在由加速转为减速的瞬间 但现在电子的运动限于两板间 加速度大小是恒定的 只有利用有限的空间一直加速才能使电子到达A板时动能最大 解析 1 在电场力的作用下 电子加速度的大小恒为 设