物理人教版 选修3-1.ppt

同步导学与评估新课标人教版选修3-1,物理,目录,第一单元静电场课时1电荷及其守恒定律课时2库仑定律课时3电场强度课时4电势能和电势课时5电势差课时电势差与电场强度的关系课时7静电现象及其应用课时8电容器的电容课时9带电粒子在电场中的运动课时10静电场小结第二单元恒定电流课时11电源和电流课时12电动势课时13欧姆定律课时14串联电路和并联电路,课时15焦耳定律课时16电阻定律课时17闭合电路欧姆定律课时18多用电表课时19实验:测定电池的电动势和内阻课时20简单的逻辑电路课时21恒定电流小结第三单元磁场课时22磁现象和磁场课时23磁感应强度课时24几种常见的磁场课时25磁场对通电导线的作用力课时26磁场对运动电荷的作用力课时27带电粒子在匀强磁场中的运动课时28磁场小结,第一单元静电场课时1电荷及其守恒定律课前导航进入冬季后，郑州长期晴朗无雨，多次降温又造成干冷天气，不少市民在工作、生活中经常受到静电的困扰记者随机采访20个读者、网友，有八成人表示今冬已不止一次感受到静电：临睡前脱毛衣、开启汽车门、抓公交车扶手似乎“危机四伏”,有一位皮先生就有这样的经历：某天他在办公室门口遇到一位女熟人，两个人热情地准备握手，不料在两手接触的一瞬间，他们竟“来电”了，皮先生就听见“啪”的一声，倒是没有太明显的疼痛感，对方反应更为强烈，“啊”的一声尖叫起来，引得周围几间办公室的人都带着诧异的眼神跑出来看热闹，让皮先生尴尬不已请你思考：1手上的电是怎么产生的？2你还知道其他的起电方式吗？,基础梳理,知识精析一、电荷1两种电荷自然界中存在两种电荷，分别为正电荷和负电荷同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引2电荷量物体所带电荷的多少叫做电荷量，用符号Q(或q)表示电荷量的单位是库仑，简称库，符号为C.说明：电荷有正负之分，正负电荷可分别用“”、“”号表示，如q13.01015C，q21.21015C.,3元电荷电子所带电荷量的数值e1.601019C，这个电荷量叫做元电荷说明：(1)元电荷是最小的电荷量单位，所有带电体的电荷量等于e或者是e的整数倍，元电荷正由此而得名电荷量不能连续变化(2)电子和质子带有等量的异种电荷，电荷量数值相等，都等于一个元电荷电荷量,二、原子结构及三种起电方式1原子的构成原子核由带正电的质子和不带电的中子组成,核外有带负电的电子原子核所带的正电荷的数量与核外电子所带的负电荷的数量一样多,所以整个原子对外较远位置表现为中性2三种起电方式(1)摩擦起电通过摩擦的方式实现电子的转移，从而使物体带电得到电子的物体带负电，失去电子的物体带正电(2)感应起电当一个带电体靠近不带电的导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体，使不带电的导体靠近带电体的一端与带电体带异号电荷，远离的一端与带电体带同号电荷，这种现象叫做静电感应利用这种方式使物体带电，叫做感应起电,(3)接触起电通过接触的方式，实现电子的转移，使电荷重新分布，从而使物体带电3三种起电方式的实质物体带电实质是电子的得失，即通过摩擦的方式、接触的方式、静电感应的方式使电子从一个物体转移到另一个物体上，或者从物体的一部分转移到另一部分三、电荷守恒定律电荷既不会创生，也不会消灭，它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，在转移过程中，电荷的总量保持不变,方法指导一、摩擦起电例1毛皮与橡胶棒摩擦后，毛皮带正电，这是因为()A毛皮上的一些电子转移到橡胶棒上B毛皮上的一些正电荷转移到橡胶棒上C橡胶棒上的一些电子转移到毛皮上D橡胶棒上的一些正电荷转移到毛皮上解析摩擦起电的实质是电子从一个物体转移到另一个物体上，原来呈中性的物体若失去了电子则带正电，得到了电子就带负电毛皮带正电是因为它失去了电子，同时橡胶棒得到了电子而带等量的负电正电荷的载体是原子核内的质子，不能自由移动，故只有选项A正确答案A,变式训练1下列关于电现象的叙述中，正确的是()A玻璃棒无论与什么物体摩擦都带正电，橡胶棒无论与什么物体摩擦都带负电B摩擦可以起电，是普遍存在的现象，相互摩擦的两个物体总是同时带上等量的异种电荷C带电现象的本质是电子的转移，呈中性的物体得到电子就一定带负电，失去电子就一定带正电D摩擦起电的过程，是通过摩擦创造了等量的异种电荷的过程解析摩擦时对外层电子束缚能力强的物体会得到电子而带负电，束缚能力弱的物体会失去电子而带正电，若原来的物体是中性的，则摩擦后两物体会带等量异种电荷，故选项B、C正确，A错误；电荷是不能创造或消灭的,选项D错误答案BC,二、感应起电例2使带电的金属球靠近不带电的验电器，验电器的箔片张开图11表示验电器上感应电荷的分布情况，正确的是2006年高考北京理综卷()图1-1,解析带电的金属球靠近不带电的验电器时，在验电器的金属球上感应出的电荷和带电球体所带的电荷是异号的，而验电器的金属箔片上感应出的电荷和带电球体所带的电荷是同号电荷答案B点评本题考查静电感应知识，解答时应明确静电感应不是产生了电荷，而是电荷的转移，是电荷从导体的一部分转移到另一部分，电荷的总量不变,变式训练2如图1-2所示，当带正电的球C移近不带电的枕形金属导体时，枕形导体上的电荷移动情况是()图1-2A.枕形金属导体上的正电荷向B端移动，负电荷不移动B.枕形金属导体上的电子向A端移动，正电荷不移动C.枕形金属导体上的正负电荷同时分别向B端和A端移动D.枕形金属导体上的正负电荷同时分别向A端和B端移动解析由于静电感应，A端带负电，B端带正电，所以电子向A端移动，正电荷是金属中的正离子，不能自由移动，故选项B正确答案B,三、接触起电例3有两个完全相同的带电绝缘金属小球A、B，分别带有电荷量QA6.4109C、QB3.2109C现让两个绝缘金属小球接触，则在接触过程中，电子如何转移，转移了多少个电子？解析当两小球接触时，带电荷量少的负电荷先被中和，剩余的正电荷再重新分配，由于两小球完全相同，剩余的正电荷必定平均分配，接触后两小球所带的电荷量为：,在接触过程中，电子由B球转移到A球，不仅将自身的电荷中和，还继续转移到使B球带QB的正电荷量，这样，共转移的电子电荷量为：答案电子由B球转移到A球，不仅将自身负电荷中和，还继续转移到使A、B两球均带1.6109C的正电荷量3.01010个点评两带电小球相互接触后电荷中和均分的过程，是电子转移的过程,变式训练3金属球A带5q的正电荷，另一完全相同的金属球B带q的负电荷将两金属球接触后再分开，则B球带的电荷量为()AqBqC2qD4q解析由于两小球完全相同，故接触后先中和再平分剩余电荷，qAqB2q，故选项C正确答案C,四、电荷守恒定律例4已知介子、介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克或反夸克)组成的，它们带的电荷量如下表所示，表中e为元电荷.下列说法中正确的是2005年高考全国理综卷()A由u和组成B由d和组成C由u和组成D由d和组成,答案AD点评电荷守恒定律是自然界普遍遵循的规律之一，在宏观和微观世界都成立,变式训练4目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成u夸克带电荷量为e，d夸克带电荷量为e，e为基元电荷下列论断可能正确的是()A质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成B质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成C质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成D质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成,答案B,互动平台细心同学与粗心同学关于“严禁用塑料桶运汽油”标语的对话细心：今天我路过一处加油站，看到一条醒目的标语：“严禁用塑料桶运汽油！”你知道这是为什么吗？粗心：哦！我还真不太清楚，也许是加油站老板和卖塑料桶的有过节吧，哈哈细心：看你想到哪里去了，这里面是有科学道理的粗心：愿听高见细心：汽油是易燃物质，当用塑料桶装运汽油时，由于在运输过程中，汽油不断与桶壁摩擦，使塑料桶带电又因塑料是绝缘物质，桶上的电荷不易传递与转移，从而使桶上的电荷越积越多当桶上的电荷积累到一定程度，就会发生放电现象，放电产生的火花会引燃汽油，造成火灾或烧伤事故所以，加油站有此标语粗心：原来是这么回事，我明白了,课时2库仑定律课前导航1755年，富兰克林在进行绝缘金属桶实验时，观察到中空金属桶带电时电荷只分布于桶的外表面而金属桶内表面不带电的事实，为解释这一现象，他给英国的普利斯特列写了一封信普利斯特列收到信后，又重做这一实验，证实了富兰克林的发现，同时他联想到牛顿在证明万有引力定律时的一个结论：如果引力服从平方反比定律，那么均匀球壳体对球壳内物体应无引力作用于是普利斯特列猜测电荷间的相互作用力也是遵从平方反比定律的请你思考：电荷间的相互作用力究竟跟什么有关？,基础梳理,知识精析一、点电荷1点电荷是只有电荷量而没有大小、形状的理想化模型，与力学中学过的质点的概念类似，实际中并不存在2并不是带电体的体积足够小就可以看成点电荷一个带电体能否看成点电荷决定于它与相关带电体之间距离的远近，与自身的大小无关如一个半径为10cm的带电圆盘，如果考虑它和10m处的某个电子的作用力，就完全可以把它看做点电荷；而如果这个电子离带电圆盘只有1mm，那么这一带电圆盘又相当于一个无限大的带电平面，当然不能看做点电荷点,二、库仑定律1内容：真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比；作用力的方向在它们的连线上这一规律称为库仑定律3库仑定律的适用条件(1)真空中(空气中也近似成立)(2)点电荷：即带电体的形状和大小对相互作用力的影响可以忽略不计,4说明(1)库仑力是一种“性质力”：库仑力也叫静电力，它是电荷之间的一种相互作用力，是一种“性质力”，与重力、弹力、摩擦力一样具有自己的特性电荷间相互作用的库仑力也同样遵循牛顿第三定律(2)当多个点电荷同时存在时，任意两个点电荷间的作用仍遵守库仑定律，任一点电荷所受的库仑力可利用平行四边形定则求出合力(3)在应用库仑定律时，q1、q2可只代入绝对值算出库仑力的大小，再由同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引来判断方向,方法指导1关于库仑力的计算解析质子所带的电荷量为e，所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的按题意可知，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为：,答案Fuu45.5NFud22.8N点评本题以“质子、中子由两种夸克组成”为命题背景来考查两电荷间静电力的计算，这预示着静电力大小的计算已涉及到了前沿粒子，也昭示着库仑定律为高考考查的重点内容应用库仑定律作定量计算时，注意q1、q2可只代入绝对值算出静电力的大小，力的方向再根据电荷的正负判断是相互排斥还是相互吸引,变式训练1两个完全相同的小金属球，它们所带电荷量之比为51，它们在相距一定距离(带电小球皆可视为点电荷)时相互作用力为F1，如果让它们接触后再放回原处，此时相互作用力变为F2，则F1F2可能为()A52B54C56D59解析本题中两个小球是一样的，但所带电荷的正负情况未知，应分两种情况讨论带同种电荷时：,答案BD点评计算时Q1和Q2可用电荷量的绝对值代入，求出力的大小，再根据同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引来判断力的方向也可将电荷量的正负号代入计算，结果为负值，为引力；结果为正值，为斥力如果是讨论三个或三个以上点电荷之间的作用力时，应该根据力的叠加原理来进行矢量运算如图21所示，要讨论Q3受到Q1、Q2的静电力，就应该先求出Q1对Q3的作用力F13，再求出Q2对Q3的作用力图21F23，然后进行力的合成求出Q3受到的库仑力，同理可计算Q1、Q2受到的静电力,2带电体的平衡问题例2如图22甲所示，在真空中同一条直线上的A、B两点固定有电荷量分别为4Q和Q的点电荷图22甲(1)将另一个点电荷C放在该直线上的哪个位置，可以使它在电场力作用下保持静止？(2)若要求这三个点电荷都只在电场力作用下保持静止，那么引入的这个点电荷C应是正电荷还是负电荷？电荷量是多大？,解析(2)C处的点电荷在电场力作用下平衡了，只要A、B两个点电荷中的一个处于平衡，另一个必然也平衡选B为研究对象，A和C对其的库仑力相等，距离又相等，所以QCQA4Q，而且C必须是正电荷点评三个点电荷组成的电荷系(三个电荷均不固定)处于平衡时的特点：,三个点电荷的电性关系：同性在两边，异性在中间如图22乙所示，甲、丙两个点电荷的电性必定相同，乙点电荷的电性一定与甲、丙的电性相反，只有这样，才能使任意一个点电荷受到其他两个电荷的库仑力的方向相反，才有可能处于平衡状态.图22乙中间异性电荷的电荷量最小,变式训练2在真空中有两个相距l的正点电荷A、B，所带电荷量分别为4q、q.(1)若A、B固定，现引入第三个点电荷C，使其在A、B的库仑力作用下而平衡，C应放在何处，所带电荷量如何？(2)若A、B不固定时，C应处于什么位置、带电荷量应为多少时，可使三个点电荷由于相互间的库仑力作用而均静止？解析(1)由于A、B带同种电荷，因此电荷C只能放在A、B连线中间某位置设带电荷量为q，且距离电荷A的距离为x，由力的平衡和库仑定律，得：,(2)由于三个点电荷均需平衡，所以引入的电荷C不可能是正电荷，必为负电荷且须放在两个电荷之间的连线上设电荷C的电荷量为q，距离电荷A的距离为x，先由C的平衡条件，得：,点评综合解析过程可得出如下结论A、B两电荷固定时，C电荷的电性、电荷量任意但A、B同性时，C在A、B之间；A、B异性时，C在A、B连线延长线上靠近电荷量少的电荷外侧，C的位置由其平衡条件求得A、B两电荷不固定时，C电荷的电性、电荷量确定A、B同性时，C与它们电性相反，且在A、B连线上中点与电荷量少的电荷之间；A、B异性时，C与A、B中电荷量少的电性相反，且在A、B连线延长线上靠近电荷量少的外侧求解时先由C的平衡求它距A(或B)的距离，再由A(或B)的平衡求C的电荷量此时有如下两个特点：a.相邻带电体带异种电荷；b.两电荷量较少者相距较近,3库仑定律中的动力学问题例3如图23所示，在光滑绝缘的水平面上有两个带电小球A和B(可视为点电荷)，它们的质量分别为2g和1g，它们的电荷量大小相等，均为1107C，A球带正电，B球带负电现有水平恒力F作用于A球，使A、B一起向右运动，且保持距离d0.1m不变，试问F多大？解析因为小球A、B一起向右运动且保持距离不变，所以两小球具有相同的加速度.对小球A、B组成的整体应用牛顿第二定律，有：图23答案2.710-2N,变式训练3如图24所示，在光滑绝缘水平面上，固定着质量相等的三个带电小球a、b、c，三球在一条直线上取向右为正方向，若释放a球，a球的初始加速度为1m/s2；若释放c球，c球的初始加速度为3m/s2.则释放b球时，b球的初始加速度为多少？解析解法一设b对a、b对c、c对图24a的作用力的大小分别为F1、F2、F3，则：对a：F1F3maa对c：F3F2mac对b：F1F2mab联立解得：ab2m/s2.解法二a、b、c作为一个整体，由其所受的合外力为0，有：maamabmac0解得：ab2m/s2.答案2m/s2,互动平台育才老师和细心同学关于库仑定律的对话育才：问得好，要回答这个问题，应想想库仑定律的适用条件：只适用于点电荷间的互相作用事实上，当任何带电体间的距离r0时，它们都不能看成点电荷，库仑定律还能够成立吗？细心：明白了，谢谢老师其实任何公式都是有其成立的条件的，不是吗？育才：孺子可教也！,课时3电场强度课前导航物体不需要与地球接触，也受到重力作用，这种作用是通过重力场传递的；带电的物体没有与其他电荷接触，也会产生静电作用力，这种静电作用力是如何发生的呢？19世纪30年代，英国实验物理学家法拉第提出电荷之间的相互作用是通过电场来实现的，后来理论物理学家麦克斯韦将其发展成为定量的数学化体系法拉第场的概念，对传统的科学观念是一个重大突破，德国著名物理学家劳厄把法拉第誉为“正确理解电磁现象的带路人”请你思考：1你知道哪里有电场吗？2电场具有哪些性质呢？,基础梳理,知识精析一、电场电荷之间的相互作用是通过特殊形式的物质电场发生的，电荷的周围都存在电场电场是客观存在的物质，其基本性质是对放入其中的电荷有电场力的作用二、电场强度反映电场的力的性质的物理量1定义：在电场中某位置放一试探电荷q，电荷在该点所受电场力F与其电荷量q的比值称为电场中该点的电场强度(1)方向性电场强度是矢量,规定正电荷受力的方向为该点的场强方向,如电荷为负,则该点的场强方向为其受力方向的反方向,(2)唯一性和固定性电场中某一点处的电场强度E是唯一的，E的大小和方向与放入该点的试探电荷q无关，它决定于产生电场的源电荷及其空间位置，电场中每一点对应着的电场强度与是否放入试探电荷无关(3)叠加性在同一空间里，如果有几个静止电荷同时产生电场，那么空间某点的场强是各场源电荷单独存在时在该点所产生的电场强度的矢量和,2点电荷的电场强度公式点电荷Q在真空中产生的电场强度大小为：其中，Q是产生电场的场源电荷所带的电荷量，r是所研究点到场源电荷的距离,三、电场强度E和电场力F的对比,四、电场线1定义：在电场中画出的一系列从正电荷出发到负电荷终止的曲线(或直线)，使曲线上每一点的切线方向都跟该点电场方向相同，这些曲线(或直线)就叫电场线电场是客观存在的，而电场线是为了形象地描述电场场强大小和方向而人为引入(画出)的一簇假想曲线2基本性质电场线上每点的切线方向就是该点电场强度的方向，即电场方向电场线的疏密反映电场强度的大小(疏弱密强)静电场中电场线始于正电荷或无穷远，止于无穷远或负电荷，它不是闭合曲线，通常也不是带电粒子的运动轨迹任意两条电场线不相交也不相切,五、匀强电场1定义：电场中各点电场强度的大小相等，方向相同的电场就叫匀强电场2匀强电场的电场线：一组疏密程度相同(等间距)的平行直线例如，两个等大、正对且带等量异种电荷的平行金属板间的电场中，除边缘附近外，就是匀强电场,方法指导一、关于场强的计算例1如图31甲所示，A为带正电Q的金属板，沿金属板的垂直平分线，在距板r处放一质量为m、带电荷量为q的小球，小球受水平向右的电场力偏转角而静止小球用绝缘细线悬挂于O点，试求小球所在处的电场强度图31甲,图31乙,变式训练1如图32所示，中子内有一个电荷量为e的上夸克和两个电荷量为e的下夸克，3个夸克都分布在半径为r的同一圆周上，且间距相等，则3个夸克在其圆心处产生的电场强度大小为()图32,答案A,二、电场力的计算例2如图33甲所示，把一个电荷量q1106C的点电荷，依次放在带正电的点电荷Q周围的A、B两处，它受到的电场力大小依次是FA5103N，FB3103N.图33甲(1)分别画出电荷q在A、B两处的受力方向(2)求出A、B两处的电场强度(3)如在A、B两处依次放上另一电荷量q1105C的电荷，其受到的电场力分别为多大？,解析(1)电荷q在A、B两处的受力方向分别沿着它们与点电荷Q的连线并指向点电荷Q，如图33乙中FA、FB所示图33乙,(3)当在A、B两点放上电荷q时，其受到的电场力分别为：FAqEA5103105N5102NFBqEB3103105N3102N其方向与场强方向相同答案(1)如图33乙中FA、FB所示(2)EA5103N/C、EB3103N/C，方向分别如图33乙中EA、EB所示(3)FA5102N、FB3102N点评通过本题可进一步认识电场强度与电场力的不同场强是由电场本身决定的，与场中所放置的电荷无关知道了电场中某一处的场强后，则可求出任何电荷在该处所受的电场力,变式训练2在点电荷Q产生的电场中的P点放入一个电荷量q12.0108C的正点电荷，q1所受的电场力大小为6.0104N，方向水平向右(1)P点的电场强度是多大？方向如何？(2)如果把q1从P点拿走，在P点改放一个电荷量q24.0108C的正点电荷，则q2所受的电场力多大？方向如何？P点的电场强度又是多大？方向如何？(3)如果把q2也从P点拿走，在P点改放一个电荷量q34.0108C的负点电荷，则q3所受的电场力多大？方向如何？P点的电场强度又是多大？方向如何？(4)如果把q3也从P点拿走，在P点不放任何电荷量，那么P点的电场强度又是多大？方向如何？(5)如果P点距离点电荷Q的距离为30cm，则Q的电荷量为多少？(已知静电力常量k9.0109Nm2/C2),答案(1)3104N/C方向水平向右(2)1.2103N方向水平向右3104N/C方向水平向右(3)1.2103N方向水平向左3104N/C方向水平向右(4)3104N/C方向水平向右(5)3107C,三、关于电场线的问题例3如图34所示，A、B是某点电荷电场中的一条电场线在电场线上P处自由释放一个负检验电荷时，它沿直线向B点运动对此现象，下列判断正确的是(不计电荷重力)()图34A电荷向B做匀速运动B电荷向B做加速度越来越小的运动C电荷向B做加速度越来越大的运动D电荷向B做加速运动，加速度的变化情况不能确定,解析由于负电荷从P点静止释放，它沿直线运动到B点，说明负电荷受力方向自P指向B，则场强方向自A指向B，由于正电荷、负电荷、异种电荷，平行且带异种电荷的金属板等都能产生一段直线电场线，所以只能确定负电荷的受力方向向左(自P指向A)，不能确定受力变化情况，也就不能确定加速度情况，故选项D正确答案D点评根据负电荷受力方向与场强方向相反和几种典型电场线的特点,变式训练3带负电的粒子在某电场中仅受电场力作用，能分别完成以下两种运动：在电场线上运动；在等势面上做匀速圆周运动该电场可能由2008年高考天津理综卷()A一个带正电的点电荷形成B一个带负电的点电荷形成C两个分立的带等量负电的点电荷形成D一带负电的点电荷与带正电的无限大平板形成解析在仅受电场力作用下完成在电场线上的运动，只要电场线是直线的就可能实现；在等势面上做匀速圆周运动，就需要带负电的粒子在电场中所受的电场力提供向心力，根据题目中给出的4个电场，同时符合两个条件的是选项A.答案A点评熟悉几种模型的电场线是解答本题的关键，本题从电场线的概念出发，通过力和运动考查考生的理解问题和分析问题的能力,互动平台育才老师与细心同学关于电场叠加的对话细心：力是矢量，电场强度也是矢量育才：矢量的合成都遵循平行四边形定则细心：合力可以大于、小于或等于一个分力，那么根据电场强度的叠加原理可知，合电场强度也同样可以大于、小于或等于单独的任意一个电场强度育才：是的，我们完全可以从合力和分力关系得出以上合电场强度与分电场强度的关系,粗心同学和细心同学关于电场线的对话粗心：如在空中有两个点电荷，如图35所示，那么在P点两电荷产生的两条电场线就会相交，那么在P点的电场强度就有两个方向图35细心：电场强度是矢量还是标量？粗心：是矢量细心：既然电场强度是矢量，那么P点的电场强度就是这两个电荷在P点产生的电场强度的矢量和,那也只有一个方向，而电场线反映的是合电场强度的分布,当然画出通过P点的电场线只有一条,也就是在P点不会有电场线相交的情况,课时4电势能和电势课前导航高山耸立，峭壁嶙峋，攀岩者若要登上陡峭的山峰，不仅需要熟练的攀岩技巧，而且需要过人的体力如图41所示，攀岩者克服重力做功，也一步步地增大了自己的重力势能而做自由落体运动的物体，由于重力做功，使得势能转化成了动能图4-1,与此类似，电子顺着电场线运动，电子克服电场力做功一定是逐步增大了自身的电势能，而逆着电场线运动时电场力做正功，一定是自身的电势能逐步减少，转化为其他形式的能请你思考：1什么叫电势能？2电场力做功与电势能的变化之间有什么关系？3电势如何确定？,基础梳理,知识精析一、静电力做功静电力做功的特点：在任何静电场中，静电力对运动电荷所做的功只与始点和末点的位置有关，而与电荷运动路径无关这一点与重力做功的情况很相似二、电势能1定义：电荷在电场中所具有的能叫电势能，用Ep表示，单位为J.2静电力做功与电势能变化的关系静电力对电荷做正功，电荷的电势能减少，减少的电势能等于静电力所做的功；静电力对电荷做负功，电荷的电势能增加，增加的电势能等于克服静电力所做的功其关系可以表示为：WABEpEpAEpB.由此式可以看出，电荷在某点的电势能等于静电力把它从该点移到零势能位置时所做的功,说明：静电力做功的特点和重力做功的特点相似，静电力做功与电势能变化的关系和重力做功与重力势能变化的关系类似学习时要多用类比的方法来帮助理解3矢标性：电势能是标量，但有正负，其正负反映比零电势能大还是小4说明：(1)电势能具有相对性，它的大小与零电势点选取有关通常把电荷在离场源电荷无限远处的电势能规定为零，或把电荷在大地表面上的电势能规定为零(2)电势能属于电荷和电场所共有三、电势1电势(1)定义：电场中某点的电势能与它的电荷量的比值，叫做这一点的电势用字母表示电势实质上是该点与零电势点之间的电势差,(3)单位：伏特(V)，且有1V1J/C.(4)意义：电势是描述电场能的性质的物理量电场中某一点的电势在数值上等于单位正电荷在那一点所具有的电势能(5)说明电势的相对性：电场中某点的电势是相对的，它的大小和零电势点的选取有关在物理学中，常取离场源电荷无限远处的电势为零，在实际应用中常取大地的电势为零电势的固有性：电势是表示电场能的性质的物理量，电场中某点的电势只由电场本身决定，而与在该点是否放有电荷、所放电荷的电性及电荷量均无关,电势的标量性：电势虽然有正负，但电势是标量正值表示该点电势高于零电势；负值表示该点电势低于零电势2电势高低的判断方法(1)电场线法：电场线指向电势降低的方向，顺着电场线的方向电势越来越低(2)由电势和电势能的关系来判断：先由电场力做功情况判断电势能的变化，再由电势和电势能之间的关系判断电势的升降情况需记住的是：对正电荷，电势越高电势能越大；对负电荷，电势越高电势能越小3电势和电势能的关系：EpAqA.四、等势面1等势面电场中电势相等的点构成的面叫做等势面若在平面内研究电场，相应的等势面应为等势线,2常见的等势面(1)点电荷电场中的等势面是以点电荷为球心的一族球面，如图42甲所示(2)等量同号点电荷电场中的等势面如图42乙所示(3)等量异号点电荷电场中的等势面如图42丙所示，特别注意两点电荷连线的中垂面为一个等势面(4)匀强电场中的等势面是垂直于电场线的一族平面，如图42丁所示(5)形状不规则的带电导体附近的电场线及等势面如图42戊所示(导体表面外侧的电场线跟导体表面垂直，导体是等势体，导体表面是等势面)图4-2,3.等势面的特点(1)在同一等势面上移动电荷时，电场力不做功根据WABqUAB，若A、B是同一个等势面上的点，则UAB0，所以WAB0.(2)电场线一定处处与等势面垂直因为沿等势面移动电荷电场力不做功，一定是力和速度(或位移)的方向垂直，而电场线的方向即是静电力的方向(或反方向)，所以电场线一定和等势面垂直说明：由此性质，可以由等势面来绘制电场线实际中测量电势比测定场强容易，所以常用等势面研究电场，先测绘出等势面的形状和分布，再根据电场线与等势面相互垂直，绘出电场线分布，这样就知道了所研究的电场(3)电场线总是从电势高的等势面指向电势低的等势面两个等势面永远不会相交因为如果相交，会出现两个电场方向，这是不可能的(4)相邻等势面间距越小电场强度越大，即等势面分布的疏密可以描述电场的强弱,方法指导一、电场力做功与电势能的变化例1如图43所示，Q1和Q2是两个固定的负点电荷，在它们的连线上有a、b、c三点，其中b点的合电场强度为零现将另一正的点电荷q由a点沿连线移到c点在移动的过程中，点电荷q的电势能变化的情况是()图43A不断减小B不断增大C先减小后增大D先增大后减小,解析Q1、Q2连线上各点的电场强度是这两个点电荷场的叠加，在b点左侧，合电场强度向左，正电荷受电场力向左，由ab，电场力做负功，电势能增大；在b点右侧，合电场强度向右，正电荷受电场力向右，由bc，电场力做正功，电势能减小综合分析，正电荷由abc的过程中，电势能先增大后减小答案D点评应用功能关系法判断电势能变化情况时，一般要分三步进行：确定电场方向和电场力方向；确定位移方向与电场力方向之夹角，锐角时做正功，钝角时做负功；利用“做正功时势能减少，做负功时势能增加”来判断电势能的增减情况,变式训练1如图44所示，虚线a、b和c是某静电场中的三个等势面，它们的电势分别为a、b和c，且abc.一带正电的粒子射入该电场中，其运动轨迹如图中KLMN所示，可知()图44A粒子从K到L的过程中，电场力做负功B粒子从L到M的过程中，电场力做负功C粒子从K到L的过程中，电势能增加D粒子从L到M的过程中，动能减小,解析由于abc可知，该静电场是正的点电荷产生的电场从带电粒子运动径迹可知粒子受库仑斥力作用，K到L过程中，电场力做负功，Ek减少，电势能增加；L到M过程中，电场力先做负功后做正功因此粒子的动能和电势能变化都不是单调增加或减小的答案AC点评电荷做曲线运动，必受到不等于零的合外力作用，且合外力应指向运动轨迹的凹向这道题检查了牛顿第二定律、曲线运动速度与加速度的关系、电场线与等势面的关系、电场力做功与电势能的关系、能量守恒定律等基本概念和规律,二、电势能和电势例2如果把q1.0108C的电荷，从无穷远处移至电场中的A点，需要克服电场力做功W1.2104J，规定无穷远处的电势为零则：(1)电荷在A点的电势能EA和A点的电势A各是多少？(2)电荷未移入电场前A点的电势A是多少？解析(1)规定无穷远处的电势为零，所以电荷在无穷远处的电势能E0.电荷从无穷远处移至电场中A点的过程中有：WEEA1.2104J所以：EA1.2104J由EAqA，可得：A1.2104V.,(2)因为电场中电势的大小与放置的电荷无关，所以未移入时A点的电势为A1.2104V.答案(1)1.2104J1.2104V(2)1.2104V点评判断电势高低，要突出其相对性，经常是电势、电势差、电势能、电场力这几者共同结合，且一般会让电荷从一点移到另一点，通过电场力做功，使电势能改变，来判定电势高低,变式训练2将一正电荷从无穷远处移入电场中的M点，电势能减少了8.0109J；将另一等量的负电荷从无穷远处移入电场中的N点，电势能增加了9.8109J下列判断正确的是()AMN0BNM0CNM0DMN0答案C,互动平台育才老师与细心同学关于等势面的对话细心：老师，你刚才讲的等势面应与电场线处处垂直，那么如果一个电场是非匀强电场，那么等势面就不是平面而是曲面，也就是说电场线与曲面也应该处处垂直育才：应该是这样我们可以从做功的角度来说明，我们知道在等势面上移动电场力不做功，如果该等势面与电场线不垂直，那么把一个电荷沿等势面上移动，电场力就要做功，因此必须垂直,课时5电势差课前导航物理学家牛顿说：“如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在了巨人的肩膀上”这句话的意思不言而喻，也一直并将继续启迪后来人这里我想说的是这句话的物理道理假如牛顿真的站在了一个巨人的肩膀上，这个巨人的肩膀越高，牛顿所处的高度就越大，但牛顿的头顶到脚的高度差(身高)却保持不变同样的道理，选择不同的位置做零电势点，电场中同一点的电势不同，但两点之间的数值之差(电势差)不变因此，在物理学中，研究电势差更有实际意义请你思考：1电势差与电势的关系是什么？2电势差与电场力做功有什么关系？,基础梳理知识精析一、电势差1定义：电场中两点间电势的差值叫做电势差，也叫电压2公式：UABAB或UBABA显然UABUBA3电势差是标量，但有正负，正或负表示两点电势的高低UAB0，A高于B.,4电势差与电场力做功的关系,二、电势与电势差UAB的对比,方法探究一、电势差与电场力做功的关系例1有一个带电荷量q3106C的点电荷，从某电场中的A点移到B点，电荷克服电场力做了6104J的功；从B点移到C点，电场力对电荷做了9104J的功求A、C两点间的电势差，并说明A、C两点中哪点的电势较高答案100VC点电势高点评电场中各点间的电势差可依次用代数方法相加，即UMNUMAUABUBCUPN.,变式训练1在电场中有A、B两点，它们的电势分别为A100V，B200V把电荷量q2.0107C的电荷从A点移到B点，电场力做正功还是克服电场力做功？做了多少功？解析因为已知A、B两点的电势，故可以计算A、B两点的电势能，据电势能的变化确定做功情况；也可以先求A、B间的电势差，根据WqUAB进行计算解法一用WEp计算电荷在A、B两点的电势能分别为：EpAqA(2.0107)(100)J2.0105JEpBqB(2.0107)200J4.0105J所以WABEpAEpB6.0105J因为WAB0，所以是电场力做正功,解法二用WABqUAB计算电荷从A移动到B过程中，电场力做的功为：WABqUAB(2.0107)(100)200J6.0105J计算得出WAB0，所以是电场力做正功答案电场力做正功6.0105J点评要熟练掌握求解电场力做功的两种方法：利用功能关系法和利用电势差法比较起来，本题用电势差求解更简洁利用电势差求功是最常用的基本方法,在利用电势差公式计算功时，可以将电荷量及电势差前的“”、“”号代入；也可以取各量的绝对值进行运算，再根据力与位移方向的关系，判断功的“正”和“负”，方法如下：根据A点电势低于B点电势，可知电场线的方向是由B至A，画出表示电场方向的矢量线E(如图所示)，根据负电荷所受的电场力方向与电场线方向相反，再画出表示电场力方向的矢量线F；最后画出表示电荷移动方向(AB)的矢量线s(图中E、F均为分量方向)由图可以看出，F与s方向相同，所以是电场力做功，电场力所做功的大小为：W|q|UAB|2.0107|(100)200)|J6.0105J.,二、涉及电势差、电场力做功的动力学问题例2在370JRB22彩色显像管中，阴极A与阳极B间的电势差UAB22.5kV，电子从阴极至阳极加速，试求电场力做的功，电子到达阳极的速度v.分析在本题的计算中，电子就是一个点电荷，它的电荷量q1.61019C，质量m0.911030kg，在利用公式进行计算时，可以将电荷量及电势差前面的“”、“”号代入，也可以取各量的绝对值进行运算，根据力与位移方向的关系，判断功的“正”或“负”,答案3.61015J8.9107m/s,变式训练2(1)A、B两点的电势差U.(2)小球滑到C点时的速度(1)A、B两点的电势差U.(2)小球滑到C点时的速度,互动平台细心同学与粗心同学关于电势与电势差的对话粗心：某两点相对选定的零电势点的电势越高，则这两点的电势差也就越大细心：电势差是指两点的电势之差，电势是相对选定的零电势点而言，电势差与零电势的选取无关，两点的电势越高，电势差不一定越大,课时6电势差与电场强度的关系课前导航电场强度是描述电场力的性质的物理量，电势差是描述电场能的性质的物理量既然是描述同一电场的两种性质的物理量，那它们之间应该存在着联系请你思考：1匀强电场中电势差与电场强度的关系是怎样的？2匀强电场中沿任意方向电势的变化有什么规律？基础梳理,知识精析一、匀强电场中电势差与电场强度的关系1公式(1)UEd意义：在匀强电场中两点间的电势差等于电场强度与这两点沿电场方向的距离的乘积,即UABEd(如图61所示)图61,意义：在匀强电场中，电场强度的大小等于两点间的电势差与两点沿电场强度方向距离的比值也就是说电场强度在数值上等于沿电场方向每单位距离上降低的电势2说明(2)公式中的d必须是沿电场强度方向的距离如果电场中两点不沿电场方向，d的取值应为在电场强度方向的投影，即为电场中该两点所在的等势面间的垂直距离(3)由公式UABEd可知，电场强度的方向就是电势降落最快的方向，但电势降落的方向不一定是电场强度的方向,二、电场强度的单位伏每米(V/m)或牛每库(N/C),1V/m1N/C三、电场强度的三个公式的比较,方法指导例1图62甲中A、B、C三点都在匀强电场中，已知ACBC，ABC60，BC20cm.把一个电荷量q1105C的正电荷从A点移到B点，电场力做的功为零；从B点移到C点，电场力做的功为1.73103J，则该匀强电场的场强大小和方向分别是()A865V/m，垂直AC向左B865V/m，垂直AC向右C1000V/m，垂直AB斜向上D1000V/m，垂直AB斜向下图62甲,解析把电荷q从A点移到B点，电场力不做功，说明A、B两点在同一等势面上，因该电场为匀强电场，等势面应为平面，故图中直线AB即为等势线，场强方向应垂直于等势面，可见，选项A、B不正确答案D,点评关于匀强电场中电场强度和电势差的关系要掌握：电场强度方向垂直于等势线，且由高等势线指向低等势线沿任意直线，相等距离上的电势差相等如图62乙所示,线段ABBC,UABEABcos,UBCEBCcos,所以UABUBC.图62乙,变式训练1解析如图所示，把正电荷从电场中的A点分别移到C点或B点，电场力做的功相同根据WqU可知，B、C两点的电势相同，故B、C两点在同一等势面上由于电场中的等势面与电场线垂直，可见A点到BC等势面的距离为：,答案5102V/m,二、匀强电场中涉及电势的计算例2如图63甲所示，A、B、C、D是匀强电场中一正方形的四个顶点已知A、B、C三点的电势分别为：A15V，B3V，C3V由此可得D点的电势D_V.图63甲,解析解法一由题意知A、C两点间的电势差为18V，连接A、C，并将AC线段分为三段AE、EF、FC，如图63乙所示，则每等份电势差为6V，所以B、F两点等电势，匀强电场中等势线相互平行，而EDBF，故D、E两点等电势，D点电势为9V.图63乙,解法二在匀强电场中，在相互平行的直线上，等长线段的两端点间的电势差相等，所以UABUDC，即ABDC，得D9V；或UADUBC，即ADBC，得D9V.答案9点评解答本题的关键是建立匀强电场模型，明确：沿不平行等势面的任一直线，电势差与距离成正比；匀强电场中等势线相互平行,变式训练2如图64甲所示，A、B、C是匀强电场中的等腰直角三角形的三个顶点，已知A、B、C三点的电势分别为A15V、B3V、C3V，试确定此电场的电场强度的方向图64甲解析根据A、B、C三点电势的特点，在AC连线上取M、N两点，使AMMNNC，如图64乙所示，尽管AC不一定是场强方向，但可以肯定AM、MN、NC在场强方向上的投影长度相等，由UEd可知，UAMUMNUNC.,图64乙由此可知N3V，M6VB、N两点等势，B、N的连线即为一条等势线,那么场强的方向与BN垂直,如图64乙所示答案电场强度的方向与BN垂直点评求解本题时，要先确定等势点，再根据电场线与等势面的关系确定电场的方向,互动平台粗心同学和细心同学关于两点间距离d的对话粗心：只要知道匀强电场中任意两点间的电势差U和距离d，就可以根据E求出电场强度，这真是太简单了！细心：距离d有什么规定吗？粗心：只要是两点间的直线距离就可以了细心：不对，d必须是在匀强电场中沿电场强度方向的两点间的距离如果d不是沿电场强度方向的距离，则必须把它投影到电场强度方向上来，即ddcos.粗心：唉！我又犯了粗心的毛病,课时7静电现象及其应用课前导航现代战争中，通讯指挥大多要依赖电子仪器，要取得决定性胜利，首先必须破坏敌人的指挥通讯系统，使敌人陷入混乱的境地，同时也要防止敌人破坏自己的通讯设备美伊战争中，美国就使用了电磁炸弹专门用来摧毁伊拉克的电子通讯系统另外，神舟七号飞船在返回地面时，也有几分钟时间飞船和地面控制中心的通讯联系暂时中断(即飞船通过“黑障区”),请你思考：1假设你是一位军事指挥员，单从物理学的角度考虑，应怎样保护好自己的指挥通讯设备不受干扰呢？2电脑主机外壳为什么要用金属材料？金属网罩里的电子仪器会受电磁炸弹的影响吗？基础梳理,知识精析一、静电平衡状态导体中(包括表面)没有电荷定向移动的状态静电平衡是导体中的电荷在外电场的电场力作用下重新分布，从而产生感应电荷，感应电荷在导体中形成的电场抵消外电场的结果二、导体处于静电平衡状态时的特点1导体内部场强处处为零注意：处于静电平衡时导体内部场强为零，但表面场强不为零2导体表面上任一点场强方向与该点表面垂直，电场线与导体表面垂直3导体是个等势体，导体表面是等势面4导体上的电荷只分布在导体的外表面上，并且在导体表面越尖锐的位置，电荷的密度越大,三、尖端放电1尖端放电现象：由于导体尖端的电荷密度很大，附近的电场很强，可以大到使周围空气分子电离的程度电离后所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷，这个现象叫做尖端放电2尖端放电现象的应用：避雷针四、静电屏蔽静电平衡时导体内部的电场强度为零把电学仪器和电子设备的外面套上金属网或金属皮，仪器和设备就会因其所在处的场强为零而不受外电场的影响，这就是静电屏蔽,方法指导静电平衡状态的导体特征的应用例如图71所示，水平放置的长为L的导体棒原来不带电，现将一带电荷量为q的点电荷放在距棒左端为R的某点，当导体棒达到静电平衡时，棒上感应电荷在棒内中点O处产生的电场强度大小为_，方向为_图71,变式训练有一金属球原来不带电，现沿球直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN，如图72所示达到静电平衡