新高考物理三轮冲刺知识讲练与题型归纳专题15 电场的力学性质（含解析）

专题15电场的力学性质[题型导航]题型一库仑定律的理解和应用 1题型二库仑力作用下的平衡问题 3题型三库仑力下的变速问题 11题型四电场强度的理解和计算 14[考点分析]题型一库仑定律的理解和应用1．表达式：F＝keq\f(q1q2,r2)，适用条件是真空中两静止点电荷之间相互作用的静电力．使两个完全相同的金属小球（均可视为点电荷）分别带上﹣3Q和+5Q的电荷后，将它们固定在相距为2a的两点，它们之间库仑力的大小为F1．现用绝缘工具使两小球相互接触后，再将它们固定在相距为a的两点，它们之间库仑力的大小为F2．则F1与F2之比为（）A．2：1 B．4：1 C．15：4 D．60：1【解答】解：相距为a时，根据库仑定律得：F1＝k3Q⋅5Q(2a)接触后，各自带电量变为：Q′=5Q−3Q则此时有：F2＝kQ2则F1与F2之比为15：4，故C正确，ABD错误，故选：C。放在绝缘支架上的两个相同金属球相距为d，球的半径比d小得多，分别带有q和﹣3q的电荷，相互作用力为F．现将这两个金属球接触，然后分开，仍放回原处，则它们的相互作用力将为（）A．引力且大小为3F B．斥力且大小为F3C．斥力且大小为2F D．斥力且大小为3F【解答】解：由库仑定律可得：F＝k3q而两球接触后再分开平分总电量，由于两球带的是异种电荷，故分开后两球的带电量均为﹣q；此时两个小球带同种电荷，它们之间的作用力为斥力；库仑力大小：F′＝kq2故选：B。两个相同的带电金属小球，带电量分别为+3q和+7q，小球半径远小于两球心的距离r．将它们接触后放回原处，则此时的静电力大小为（）A．k10q2r2 B．k16q2【解答】解：因两电荷异性，带电量分别为3q，7q，两物体接触后电量平分，则可知各自的带电量为5q；由库仑定律可知：静电力F=k故选：D。对于库仑定律，下面说法中正确的是（）A．凡计算两个点电荷间的相互作用力，都可以使用公式F＝kQ1QB．相互作用的两个点电荷，若它们的电量不相同，它们之间的库仑力大小可能不相等 C．两个点电荷的电量各减为原来的一半，它们之间的距离保持不变，则它们之间的库仑力减为原来的一半 D．在公式F＝kQ1Q2r2中，kQ2r2是点电荷Q2【解答】解；A、库仑定律的适用条件是：真空和静止点电荷，两个带电小球距离非常近时，电荷不能看成点电荷，因此不能使用库仑定律，故A错误。B、相互作用的两个点电荷之间的库仑力为作用力和反作用力的关系，大小始终相等，故B错误。C、根据库仑定律的计算公式F＝kQ1Q2D、在公式F＝kQ1Q2r2中，kQ2r2是点电荷Q2故选：D。题型二库仑力作用下的平衡问题1．平衡问题应注意：(1)明确库仑定律的适用条件；(2)知道完全相同的带电小球接触时电荷量的分配规律；(3)进行受力分析，灵活应用平衡条件．2．三个自由点电荷的平衡问题(1)条件：两个点电荷在第三个点电荷处的合场强为零，或每个点电荷受到的两个库仑力必须大小相等，方向相反．(2)规律：“三点共线”——三个点电荷分布在同一条直线上；“两同夹异”——正、负电荷相互间隔；“两大夹小”——中间电荷的电荷量最小；“近小远大”——中间电荷靠近电荷量较小的电荷．如图所示的光滑绝缘环沿竖直方向固定，两个可视为质点的带电圆环套在绝缘环上，其中带电圆环Q与绝缘环的圆心O等高，已知Q带正电，两环平衡时∠OQP＝30°。则下列说法正确的是（）A．圆环P带负电 B．圆环P、Q受绝缘环弹力之比为1：1 C．圆环P、Q的电荷量之比为1：2 D．圆环P、Q的质量之比为2：1【解答】解：A、假设P带负电图1P球受力如图1所示，P球不可能平衡，所以P球带正电，故A错误；BD、图2由图2可知mPg＝FF＝F″mQgF″=sin30°FmPFN12F=cos30°FN1=3mQgFN2=tan30°FFN1C、两带电小球之间的库仑力与两个小球的电荷量都有关，故无法确定两电荷量的比值，故C错误。故选：D。（多选）如图，A、B两带电小球，所带电荷量大小分别为QA、QB，质量分别为m1和m2。用两根不可伸长的绝缘细线悬挂于O点，静止时A、B两球处于同一水平线上，∠OBA＝37°，∠OAB＝53°，C是AB连线上一点且在O点的正下方，C点的场强为零。已知sin53°＝0.8，则（）A．A、B两球的质量之比为9：16 B．A、B两球的带电荷量之比为81：256 C．同时剪断连接两小球A、B的细线，A小球一定先落地 D．同时剪断连接两小球A、B的细线，A、B小球水平位移之比为9：16【解答】解：A.根据已知得OA⊥OB，OC⊥AB，对A小球受力分析如图所示：库仑斥力F=m1gtan53°=34B.已知C点的场强为零，取水平向右为正方向，由点电荷场强公式得EC=E1CD.同时剪断连接两小球A、B的细线，竖直方向都只受重力，水平方向有相互作用的排斥力，故竖直方向的分运动为自由落体运动，两球同时落地；水平方向满足动量守恒定律中的人船模型，取水平向右为正方向，设水平位移大小分别为x1，x2，得0＝（﹣m1x1）+m2x2，解得位移大小之比为x1故选：BD。如图所示，在两个对接的绝缘光滑斜面上放置了电荷量大小均为q的两个小球A和B（均看成质点），两个斜面的倾角分别是30°和45°，小球A和B的质量分别是m1和m2。若平衡时，两小球均静止在离斜面底端高度为h的同一水平线上，斜面对两个小球的弹力分别是N1和N2，静电力常量为k，下列说法正确的是（）A．q=(4+23B．m1C．N1D．若同时移动两球在斜面上的位置，只要保证两球在同一水平线上，则两球仍能平衡【解答】解：A、对小球B受力分析，其受重力、支持力和库仑力作用，如图所示，由力的平衡条件可知F＝m2gtan45°①根据库仑定律得F＝kq2由几何关系可知，rAB=ℎ联立解得q=(4+2B、对小球A受力分析，其受重力、支持力和库仑力作用，如图所示，由力的平衡条件有：F＝m1gtan30°④由①④解得m1C、对A球，由平衡条件可得N1=Fsin30°，对B球，由平衡条件得N2=FD、若同时移动两球在斜面上的位置，只要保证两球在同一水平线上，两球间库仑力减小，两球将不能平衡，故D错误。故选：A。如图，两根等长的细线一端拴在同一悬点O上，另一端各系一个带电小球，两球的质量分别为m1和m2，已知两细线与竖直方向的夹角分别为45°和30°。则m1与m2的比值为（）A．22 B．33 C．12【解答】解：对两个球分别受力分析，如图所示根据平衡条件，对m1，有m1gcos7.5°﹣T1cos37.5°＝0F﹣m1gsin7.5°﹣T1sin37.5°＝0对m2，有m2gcos7.5°﹣T2cos37.5°＝0F+m2gsin7.5°﹣T2sin37.5°＝0联立解得m故BCD错误，A正确。故选：A。如图，绝缘光滑圆环竖直放置，a、b、c为三个套在半径为R圆环上可自由滑动的空心带电小球，已知小球c位于圆环最高点（未画出），ac连线与竖直方向成60°角，bc连线与竖直方向成30°角，小球a的电量为3qA．a、b、c小球带同种电荷 B．a、b小球带异种电荷，b、c小球带同种电荷 C．a、b小球电量之比为36D．小球c电量数值为3【解答】解：AB、对c，受到重力、环的支持力以及a与b的库仑力，其中重力与支持力的方向在竖直方向上，水平方向有a对c的库仑力的分力与b对c的库仑力的分力，由共点力平衡的条件可知，a与b对c的作用力都是吸引力，或都是排斥力，则a与b的电性必定是相同的，a与b带同种电荷，它们之间的库仑力是斥力；对a，a受到重力、环的支持力以及b、c对a的库仑力，重力的方向在竖直方向上，水平方向有支持力的向右的分力、b对a的库仑力向左的分力、c对a的库仑力的分力，若a要平衡，则c对a的库仑力沿水平方向的分力必须向右，所以c对a的作用力必须是吸引力，所以c与a的电性一定相反，即：a、b小球带同种电荷，b、c小球带异种电荷，故AB错误；C、设环的半径为R，a、b、c三个小球的带电量分别为：qa、qb和qc，由几何关系可得：ac=R，bca与b对c的作用力都是吸引力，它们对c的作用力在水平方向的分力大小相等，则：kqaqc(ac)2•sin60D、对a受力分析，重力mg，c对a的库仑引力Fac，b对a的库仑斥力Fab，及环对a的支持力N，如下图所示，依据几何关系，可知，图中的平行四边形一半是等边三角形，依据矢量的合成法则，及平衡条件，与则有：kqaqc(ac)2•cos60°故选：D。（多选）如图所示，在倾角为α的光滑绝缘斜面上固定一个挡板，在挡板上连接一根劲度系数为k0的绝缘轻质弹簧，弹簧另一端与A球连接。A、B、C三小球的质量均为m，qA＝q0＞0，qB＝﹣q0，当系统处于静止状态时，三小球等间距排列。已知静电力常量为k，重力加速度为g。则（）A．qcB．弹簧伸长量为mgsinαkC．A球受到的库仑力大小为2mg D．相邻两小球间距为q【解答】解：AD、对C分析，受重力、支持力和AB的库仑力，则AB的库仑力之和沿斜面向上，又B距离C近，给C的库仑力大，则C球带正电，设小球间距为a，对C：kq0qCa对B：kq02a2联立解得：qC=47代入kq02a2解得：a=qBC、对A球受到的库仑力为：F=kq根据对C的分析有：kq0qCa则有：F＝2mgsinα对A有：k0x＝F+mgsinα解得：x0=3mgsinα故选：AD。如图所示，两个带电量分别为Q1与Q2的小球固定于相距为5的光滑水平面上，另有一个带电小球A，悬浮于空中不动，此时A离Q1的距离为4d，离Q2的距离为3d。现将带电小球A置于水平面上某一位置，发现A刚好静止，则此时小球A到Q1、Q2的距离之比为（）A．3：2 B．2：3 C．3：4 D．4：3【解答】解：有一个带电小球A，悬浮于空中不动，对带电小球A受力分析，A受重力和Q1与Q2对A的库仑斥力，根据共点力平衡条件和库仑定律得kQ1q(4d)解得Q1：Q2＝4：3，将带电小球A置于水平面上某一位置，发现A刚好静止，根据共点力平衡条件和库仑定律得出kQ1解得：r1：r2＝2：3，故B正确，ACD错误；故选：B。如图所示，a、b、c、d四个质量均为m的带电小球恰好构成“三星拱月”之形，其中a、b、c三个完全相同的带电小球在光滑绝缘水平面内的同一圆周上绕O点做半径为R的匀速圆周运动，三小球所在位置恰好将圆周等分。小球d位于O点正上方h处，且在外力F作用下恰处于静止状态。已知a、b、c三小球的电荷量均为q，d球的电荷量为﹣6q，h=2A．小球a的线速度为kqB．小球b的角速度为3kC．小球c的向心加速度大小为3kD．外力F竖直向上，大小为2【解答】解：ABC、a、b、c三小球电荷量相等，完全相同，受力相同，绕O点做半径为R的匀速圆周运动，线速度、角速度、加速度大小均相等，设db连线与水平方向的夹角为α，则cosα=Rℎ2+对b球，根据牛顿第二定律和向心力得：k6q⋅qℎ2+R2cosα﹣2kq2(2Rcos30°)2解得：v=3kq23RmD、小球d受到a、b、c三球的库仑引力、重力、竖直向上的外力F作用，由平衡条件得：F＝3k6q⋅qℎ2+R2故选：C。题型三库仑力下的变速问题当点电荷受到的合力不为零时，应用牛顿第二定律进行运动分析和计算。如图所示，两个带电小球A、B分别处在光滑绝缘的斜面和水平面上，且在同一竖直平面内。用水平向左的推力F作用于B球，两球在图示位置静止。现将B球水平向左移动一小段距离，发现A球随之沿斜面向上移动少许，两球在虚线位置重新平衡。与移动前相比，下列说法正确的是（）A．斜面对A的弹力增大 B．水平面对B的弹力不变 C．推力F变小 D．两球之间的距离变小【解答】解：AD、以A为研究对象，受到重力、支持力和库仑力，如图所示，根据矢量三角形法则可知，A球随之沿斜面向上移动少许，支持力和库仑力减小，根据F库=kBC、以B球为研究对象，受到重力、支持力、推力和库仑力，如图所示；将B球水平向左移动一小段距离，A球随之沿斜面向上移动少许，库仑力减小，推力F＝F库cosθ，θ增大，cosθ减小，则F减小；以整体为研究对象，竖直方向受到总的重力、地面的支持力和斜面的支持力，斜面的支持力减小，则地面对B的支持力增大，故B错误、C正确。故选：C。（多选）如图所示，带电小球甲固定在光滑的水平绝缘桌面上，在桌面上距甲一定距离有另一个带电小球乙，乙在桌面上运动，甲乙均视为质点。某时刻乙的速度沿垂直于甲乙的连线方向，则（）A．若甲乙带同种电荷，以后乙一定做速度变大的曲线运动 B．若甲乙带同种电荷，以后乙一定做加速度变大的曲线运动 C．若甲乙带异种电荷，以后乙可能做匀速圆周运动 D．若甲乙带异种电荷，以后乙可能做加速度和速度都变小的曲线运动【解答】解：AB、若甲、乙为同种电荷，甲、乙之间的库仑力为排斥力，并且力的方向和速度的方向不再一条直线上，所以质点乙一定做曲线运动，由于两者之间的距离越来越大，它们之间的库仑力也就越来越小，所以乙的加速度在减小，速度增大，故A正确，B错误；C、若甲乙带异种电荷，甲、乙之间的库仑力为吸引力，如果吸引力刚好等于乙做匀速圆周运动需要的向心力，则以后乙做匀速圆周运动，故C正确；D、若甲乙带异种电荷，甲、乙之间的库仑力为吸引力，如果吸引力小于乙做匀速圆周运动需要的向心力，则乙做离心运动，由于两者之间的距离越来越大，它们之间的库仑力也就越来越小，所以乙的加速度在减小，速度也减小，故D正确；故选：ACD。（多选）如图所示，带电质点P1固定在光滑的水平绝缘面上，在水平绝缘面上距P1一定距离处有另一个带电质点P2，P2在水平绝缘面上运动，某一时刻质点P2以速度v沿垂直于P1P2的连线方向运动，则下列说法正确的是（）A．若P1、P2带同种电荷，以后P2一定做速度变大的曲线运动 B．若P1、P2带同种电荷，以后P2一定做加速度变大的曲线运动 C．若P1、P2带异种电荷，以后P2的速度和加速度可能都不变 D．若P1、P2带异种电荷，以后P2可能做加速度、速度都变小的曲线运动【解答】解：A、若P1、P2为同种电荷，P1、P2之间的库仑力为排斥力，并且力的方向和速度的方向不再一条直线上，所以质点P2一定做曲线运动，由于两者之间的距离越来越大，它们之间的库仑力也就越来越小，所以P2的加速度在减小。速度增大，故A正确，B错误；C、若P1、P2为异种电荷，P1、P2之间的库仑力为吸引力，当P1、P2之间的库仑力恰好等于向心力的时候，P2就绕着P1做匀速圆周运动，此时P2速度的大小和加速度的大小都不变，但是方向改变，故C错误。D、若P1、P2为异种电荷，P1、P2之间的库仑力为吸引力，若速度较大，吸引力小于向心力，P2做离心运动，吸引力减小，则加速度减小，引力做负功，速度减小，做加速度、速度都变小的曲线运动，故D正确。故选：AD。如图所示，一个内壁光滑的绝缘细直管竖直放置．在管子的底部固定一电荷量为Q（Q＞0）的点电荷．在距离底部点电荷为h2的管口A处，有一电荷量为q（q＞0）、质量为m的点电荷由静止释放，在距离底部点电荷为h1的B处速度恰好为零．现让一个电荷量为q、质量为3m的点电荷仍在A处由静止释放，已知静电力常量为k，重力加速度为g，则该点电荷（）A．运动到B处的速度为零 B．在下落过程中加速度逐渐减小 C．运动到B处的速度大小为23D．速度最大处与底部点电荷距离为kQq【解答】解：点电荷在下落中受重力和电库仑力，由动能定理可得：mgh+WE＝0；即WE＝﹣mgh；当小球质量变为3m时，库仑力不变，故库仑力做功不变，由动能定理可得：3mgh﹣mgh=123mv解得：v=2由题意知，小球应先做加速运动，再做减速运动，即开始时重力应大于库仑力；而在下落中，库仑力增大，故下落时加速度先减小，后增大；故B错误；当重力等于库仑力时，合力为零，此时速度最大，F库＝3mg=kQqr2故选：C。题型四电场强度的理解和计算1．场强公式的比较三个公式eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(E＝\f(F,q)\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(适用于任何电场,与检验电荷是否存在无关)),E＝\f(kQ,r2)\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(适用于点电荷产生的电场,Q为场源电荷的电荷量)),E＝\f(U,d)\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(适用于匀强电场,U为两点间的电势差，d为沿电场方向两,点间的距离))))2．电场的叠加(1)电场叠加：多个电荷在空间某处产生的电场强度为各电荷单独在该处所产生的电场强度的矢量和．(2)运算法则：平行四边形定则．在真空中，一点电荷在M、N两点产生的电场场强方向如图所示，已知在两点的连线上电场强度的最大值为100N/C，取sin53°＝0.8，cos53°＝0.6，则（）A．该点电荷为负电荷 B．N点电势低于M点电势 C．N点的场强与M点的电场强度大小之比为3：4 D．N点的电场强度大小为E＝64N/C【解答】解：A、反向延长两场强方向，交点O为带正点的场源电荷位置，如下图所示，沿电场线方向电势逐渐降低，所以N点电势高于M点电势，故AB错误；CD、如图所示由题意可知OM与ON垂直，过O点作AC垂线，垂足为C，该点离场源电荷最近，场强最大，最大值为Emax＝kQr2=100N/C，N点的电场强度EN=kQ故选：D。如图所示，水平面内三点A、B、C为等边三角形的三个顶点，三角形的边长为L，O点为AB边的中点。CD为光滑绝缘细杆，D点在O点的正上方，且D点到A、B两点的距离均为L。在A、B两点分别固定点电荷，电荷量均为﹣Q。现将一个质量为m、电荷量为+q的中间有细孔的小球套在细杆上，从D点由静止释放。已知静电力常量为k、重力加速度为g、且kQqLA．固定在A、B处两点电荷的合电场在C、D两点的场强相同 B．小球在D点刚释放时的加速度大小为（22+C．小球到达C点的速度大小为3gLD．小球将在D、C两点之间做往复运动【解答】解：A、C、D两点到A、B两点电荷的距离相等，根据点电荷的场强公式，以及场强的叠加知，固定在A、B处两点电荷在C、D两点产生的场强大小相等，方向不同，故A错误；B、两点电荷在D点对小球的库仑引力的合力：F=2×kQq根据几何关系得，CD与水平面的夹角为45°，根据牛顿第二定律得，小球在D点的瞬时加速度：a=mgsin45°+Fsin45°C、A、B两点的点电荷为等量的同种电荷，可知C、D两点电势相等，由于在C、D两点电势能相等，则小球从D到C，电场力不做功，根据动能定理得：mgℎ=1根据几何关系得：h=3解得：vCD、在两点间做往复运动的前提是在两点速度为零，由C选项可知，在C点有速度，所以小球不会在C、D两点之间做往复运动，故D错误。故选：C。均匀带电的球壳在球壳外空间中某点产生的电场可等效为在球心处所带电荷量相同的点电荷产生的电场。如图所示，半径为R的半球壳（厚度不计）上均匀分布着总电荷量为q的正电荷，以球心O为坐标原点、以过半球壳中心的轴线为x轴建立坐标系，在x＝R处固定一带电荷量为﹣Q的点电荷，在x＝1.5R处由静止释放一试探电荷，在x＝2R处试探电荷速度最大，静电力常量为k，则x＝﹣2R处的电场强度大小为（）A．kq2R2C．0 D．k【解答】解：试探电荷在x＝2R处的速度最大，说明试探电荷在该处的加速度大小为0，即点电荷和半球壳在此处产生的电场强度大小相等，设半球壳在此处