高考物理必修三一轮基础复习及训练：10.3电势差与电场强度的关系

高考物理必修三一轮基础复习：10.3电势差与电场强度的关系一、匀强电场中电势差与电场强度的关系1．关系式：UAB＝Ed或E＝eq\f(UAB,d)。2．物理意义：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。3．适用条件：匀强电场。二、公式E＝eq\f(UAB,d)的意义1．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这两点沿电场方向的距离的比值。2．电场强度的另一种表述：电场强度在数值上等于沿匀强电场方向每单位距离上降低的电势。3．电场强度的另一个单位：由E＝eq\f(UAB,d)可导出电场强度的另一个单位，即伏特每米，符号为V/m。1V/m＝1N/C。1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)由公式E＝eq\f(U,d)可知，电场强度与电势差U成正比。 (×)(2)电场线的方向就是电势逐渐降落的方向。 (×)(3)E＝eq\f(F,q)与E＝keq\f(Q,r2)中的q和Q表示相同的含义。 (×)(4)沿电场线方向任意相同距离上的电势差必相等。 (×)(5)在匀强电场中，任意两点间的电势差等于场强与这两点间距离的乘积。 (×)2．关于匀强电场中的场强和电势差的关系，下列说法正确的是()A．电场强度越大，则任意两点间的电势差也越大B．任意两点间的电势差等于场强和这两点间距离的乘积C．沿着电场线方向，任何相同距离上的电势降低必定相等D．场强与电势处处相同C[U＝Ed中的d指两点所在等势面的距离，选项A、B、D错误，C正确。]3．(多选)场强为E＝1.0×102V/m的匀强电场中，有相距d＝2.0×10－2m的a、b两点，则a、b两点间的电势差可能为()A．1.0V B．2.0VC．3.0V D．4.0VAB[由U＝Ed可知当d最大时，U最大，代入数值可知U最大值为2.0V，A、B可能，C、D不可能。]对关系式U＝Ed和E＝U/d的理解1．关系式表明了电场强度与电势差的关系大小关系由E＝eq\f(U,d)可知，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方向关系电场中电场强度的方向就是电势降低最快的方向物理意义电场强度是电势差对空间位置的变化率，反映了电势随空间变化的快慢2．在非匀强电场中，公式E＝eq\f(U,d)可用来定性分析问题，由E＝eq\f(U,d)可以得出结论：在等差等势面越密的地方场强就越大，如图甲所示。再如图乙所示，a、b、c为某条电场线上的三个点，且距离ab＝bc，由于电场线越密的地方电场强度越大，故Uab<Ubc。【例1】如图所示，在匀强电场中，电荷量q＝5.0×10－10C的正电荷由a点移到b点和由a点移到c点，电场力做功都是3.0×10－8J，已知a、b、c三点的连线组成了一个直角三角形，ab＝20cm，∠a＝37°，∠c＝90°，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，求：(1)a、b两点的电势差Uab；(2)匀强电场的场强大小和方向。思路点拨：(1)电场力对电荷做功一定时，初、末位置的电势差一定，其数值可由U＝eq\f(W,q)求解。(2)匀强电场的场强可由公式E＝eq\f(U,d)求解。[解析](1)因为正电荷从a到b和从a到c，电场力做功相等，所以由W＝qU可得Uab＝Uac，b、c两点在同一等势面上，根据电场线与等势面垂直，可知场强方向与ac平行，垂直指向bc。Uab＝eq\f(Wab,q)＝eq\f(3.0×10－8,5.0×10－10)V＝60V(2)由U＝Ed可得E＝eq\f(U,d)＝eq\f(Uab,ab·cos37°)＝eq\f(60,0.2×0.8)V/m＝375V/m场强方向平行于ac，且由a指向c。[答案](1)60V(2)375V/m方向与bc边垂直且由a指向c计算电场强度应注意的问题(1)在选取场强公式计算电场强度时，首先要注意公式的适用条件，然后判断题目中物理情境是否满足公式的适用条件。(2)应用公式UAB＝Ed计算时，首先要明确所研究的电荷所处的电场必须是匀强电场，其次要明确所要研究的两点的距离应当是沿场强方向两点间的距离。如果给出电场中两点间的距离不是沿场强方向上的距离，则应通过数学知识转化为沿场强方向上的距离。训练角度1：应用E＝eq\f(U,d)定性分析1．(多选)如图所示，实线为电场线，虚线为等势线，且AB＝BC，电场中的A、B、C三点的电场强度分别为EA、EB、EC，电势分别为φA、φB、φC，AB、BC间的电势差分别为UAB、UBC，则下列关系中正确的有()A．φA＞φB＞φC B．EC＞EB＞EAC．UAB＜UBC D．UAB＝UBCABC[由题图中电场线的分布规律可知，电场不是匀强电场，C附近密集，A附近稀疏，C附近的电场强度大于A附近的电场强度，选项B正确；由公式U＝Ed知：UBC＞UAB，选项C正确，D错误；由电场线的方向是电势降低的方向得选项A正确。]训练角度2：应用E＝eq\f(U,d)定量计算2.如图所示，A、B、C、D是匀强电场中的四个点，D是BC的中点，A、B、C构成一个直角三角形，AB长为Lm，电场线与三角形所在的平面平行，已知φA＝5V，φB＝－5V，φC＝15V，由此可以判断()A．场强的方向由C指向BB．场强的方向垂直AD连线斜向上C．场强的大小为eq\f(10,L)V/mD．场强的大小为eq\f(20\r(3),3L)V/mD[D为BC的中点，则φD＝5V，AD连线为一等势线，场强的方向垂直AD连线斜向下，选项A、B错误；由B到AD的距离d＝Lcos30°m＝eq\f(\r(3),2)Lm，则电场强度E＝eq\f(UDB,d)＝eq\f(20\r(3),3L)V/m，选项C错误，选项D正确。]对电场强度的进一步理解1．关于场强E的几个表达式公式适用范围说明E＝eq\f(F,q)任何电场定义式，q为试探电荷的电荷量E＝keq\f(Q,r2)真空中点电荷形成的电场Q为场源电荷的电荷量，E表示跟点电荷相距r处的某点的场强E＝eq\f(U,d)匀强电场U为沿电场线方向上相距为d的两点间的电势差2．关于电场强度与电势的理解(1)电场强度为零的地方电势不一定为零，如等量同种点电荷连线的中点；电势为零的地方电场强度也不一定为零，如等量异种点电荷连线的中点。(2)电场强度相等的地方电势不一定相等，如匀强电场；电势相等的地方电场强度不一定相等，如点电荷周围的等势面。【例2】有两块平行金属板A、B相隔6cm，接在36V的直流电源上。电源的正极接地，C点在两板间且到A板的距离为2cm。(1)求A、B两板间的场强大小和方向；(2)以地面为电势的零点，问C点的电势多高？思路点拨：(1)A、B两板间的电场为匀强电场。(2)电场中某点的电势等于该点与零电势点间的电势差。[解析](1)板间场强的大小E＝eq\f(UAB,dAB)＝eq\f(36,6×10－2)V/m＝6×102V/m，场强方向由A板垂直指向B板。(2)UAC＝EdAC＝6×102×2×10－2V＝12V由UAC＝φA－φC，得φC＝φA－UAC＝0－12V＝－12V。[答案](1)6×102V/m，方向由A板垂直指向B板(2)－12V上例中，若改为B板接地，其他条件不变，则C点电势多高？若C点放一电子，则电子的电势能多大？提示：UCB＝EdBC＝6×102×4×10－2V＝24V则φ′C＝UCB＋φB＝24VEpC＝－eφC′＝－24eV。3.如图所示，有竖直向下的匀强电场，A、B两等势面间距离为5cm，电势差为25V，在电场中P点固定放置电荷量为5×10－9C的负点电荷，此时电场中有一点场强为零，此点在P点的()A．上方30cm B．下方30cmC．上方25cm D．下方25cmB[匀强电场的场强E＝eq\f(U,d)＝eq\f(25,0.05)V/m＝500V/m，设距P点L处的合场强为零，则keq\f(Q,L2)＝9×109×eq\f(5×10－9,L2)V/m＝500V/m，故L＝0.3m，负点电荷在距P点L处的电场竖直向上，该点在电场中P点的下方，B正确。]课堂小结知识脉络1.对E＝eq\f(U,d)公式的理解与应用。2.对场强的进一步理解。3.匀强电场中场强与电势差的关系。【课堂同步练习】1．对公式E＝eq\f(UAB,d)的理解，下列说法正确的是()A．此公式适用于计算任何电场中A、B两点间的电势差B．A点和B点间距离越大，则这两点的电势差越大C．公式中d是指A点和B点之间的距离D．公式中的d是匀强电场中A、B两点所在等势面间的距离D[公式E＝eq\f(UAB,d)只适用于匀强电场，A错误；公式中的d是A、B两点所在等势面间的距离，A点和B点之间的距离大，等势面之间的距离不一定大，故B、C错误，D正确。]2．如图所示，在E＝400V/m的匀强电场中，a、b两点相距d＝2cm，它们的连线跟电场强度方向的夹角是60°，则Uab等于()A．－8VB．－4VC．8VD．4VB[在电场线方向上a、b两点间的距离(或a、b两点所在等势面间的距离)为d′＝d·cos60°＝0.01m，根据匀强电场中，电势差与电场强度的关系可知，Uab＝－Ed′＝－4V，B选项正确。]3．如图所示，a、b、c是一条电场线上的三个点，电场线的方向由a到c，a、b间的距离等于b、c间的距离，用φa、φb、φc和Ea、Eb、Ec分别表示a、b、c三点的电势和电场强度，可以判定()A．φa>φb>φc B．Ea>Eb>EcC．φa－φb＝φb－φc D．Ea＝Eb＝EcA[只给出一条电场线无法判断电场线的疏密，故无法判断a、b、c三点电场强度的大小；沿电场线方向电势降低，故φa＞φb＞φc，选项A正确。]4．如图所示是一个匀强电场的等势面示意图，每两个相邻的等势面相距2cm，由此可以确定电场强度的方向和数值是()A．竖直向下，E＝100V/mB．水平向左，E＝100V/mC．水平向左，E＝200V/mD．水平向右，E＝200V/mB[电场强度E＝eq\f(U,d)＝100V/m，电场强度的方向垂直于等势面指向电势降落的方向，即水平向左，选项B正确。]《10.3电势差与电场强度的关系》专题训练(时间：40分钟分值：100分)[合格基础练]一、选择题(本题共6小题，每小题6分，共36分)1．关于匀强电场中的电场强度和电势差的关系，下列说法正确的是()A．任意两点间的电势差等于场强和这两点间距离的乘积B．沿电场线方向上，相同距离上电势降落一定相等C．电势降落的方向一定是电场强度的方向D．电势降落最快的方向不一定是电场强度的方向B[公式UAB＝Ed中的d是沿电场强度的方向上两点间的距离，A错误；沿电场线方向上，相同距离上电势降落相等，B正确；在匀强电场中，沿不同方向电势均可减小，但沿电场强度方向电势降落最快，C、D错误。]2．如图所示在某匀强电场中有M、N、P三点，在以它们为顶点的三角形中，∠M＝30°、∠P＝90°，直角边NP的长度为4cm。电场方向与三角形所在平面平行。已知M、N和P点的电势分别为3V、15V和12V，则电场强度的大小为()A．150V/m B．75V/mC．225eq\r(3)V/m D．75eq\r(3)V/mA[过P点作斜边MN的垂线交MN于O点，由几何知识可知N、O间的距离NO＝2cm，M、O间的距离MO＝6cm，由匀强电场的特点和几何关系得O点的电势为φO＝12V，即O、P两点在同一等势面上，电场强度E＝eq\f(φO－φM,OM)＝150V/m，即选项A正确，选项B、C、D错误。]3.(多选)如图所示，a、b、c为电场中同一条水平方向电场线上的三点，c为ab中点。a、b电势分别为φa＝5V，φb＝3V，下列叙述正确的是()A．该电场在c点处的电势一定为4VB．a点处的场强Ea一定大于b点处的场强EbC．一正电荷从c点运动到b点，电势能一定减少D．一正电荷运动到c点时受到的电场力由a指向cCD[该电场不一定是匀强电场，无法比较a、b两点的电场强度大小，c点的电势也不一定为4V，但电场方向由a→b，正电荷在c点所受电场力方向一定由a指向c，正电荷由c运动到b的过程中，电场力做正功，电势能一定减少，故C、D正确，A、B错误。]4．a、b、c、d是匀强电场中的四个点，它们正好是一个矩形的四个顶点。电场线与矩形所在平面平行。已知a点的电势为20V，b点的电势为24V，d点的电势为4V，如图所示，由此可知c点的电势为()A．4V B．8VC．12V D．24VB[根据匀强电场的特点，Uad＝Ubc，即φa－φd＝φb－φc，解得φc＝8V，B正确。]5.如图所示的匀强电场场强为1.0×103N/C，ab平行于电场线，ab＝cd＝4cm，ac＝bd＝3cm。则下述计算结果正确的是()A．a、b之间的电势差为40VB．a、c之间的电势差为50VC．将q＝－5×10－3C的点电荷沿矩形路径abdca移动一周，电场力做的功是－0.25JD．将q＝－5×10－3C的点电荷沿abd从a移到d，电场力做的功是0.25JA[由UAB＝Ed得Uab＝1.0×103×0.04V＝40V，A项正确。因为a、c在同一等势面上，所以Uac＝0，B项错误。将电荷沿abdca移动一周，位移为0，故电场力做的功为0，C项错误。Wad＝Wab＝qUab＝(－5×10－3)×40J＝－0.2J，D项错误。]6.如图所示，在xOy平面内有一个以O为圆心、半径R＝0.1m的圆，P为圆周上的一点，O、P两点连线与x轴正方向的夹角为θ。若空间存在沿y轴负方向的匀强电场，场强大小E＝100V/m，则O、P两点间的电势差可表示为()A．UOP＝－10sinθVB．UOP＝10sinθVC．UOP＝－10cosθVD．UOP＝10cosθVA[沿着电场线的方向电势降低，故UOP<0，在匀强电场中，UOP＝－E·Rsinθ＝－10sinθV，故A正确。]二、非选择题(14分)7．如图所示，在水平方向的匀强电场中，一电场线上有相距6cm的A、B两点，且UAB＝150V，求：(1)电场强度的大小和方向；(2)电场中A、C两点相距14cm，A、C两点连线与电场线方向成37°夹角，则C点与A点的电势差UCA为多少？(已知sin37°＝0.6，cos37°＝0.8)[解析](1)电场强度的大小E＝eq\f(UAB,dAB)＝eq\f(150,0.06)V/m＝2.5×103V/m方向水平向右。(2)C点与A点的电势差UCA＝－EdCAcos37°＝－280V。[答案](1)2.5×103V/m方向水平向右(2)－280V[等级过关练]一、选择题(本题共4小题，每小题6分，共24分)1.(多选)如图所示，A、B两板间电压为600V，A板带正电并接地，A、B两板间距离为12cm，C点离A板4cm，下列说法正确的是()A．E＝2000V/m，φC＝200VB．E＝5000V/m，φC＝－200VC．电子在C点具有的电势能为－200eVD．电子在C点具有的电势能为200eVBD[A板接地，则其电势为零，又因为A、B两板间的电压为600V，则B板电势为－600V，由此知C点电势为负值，则A、B两板间场强E＝eq\f(U,d)＝eq\f(600V,12cm)＝50V/cm＝5000V/m，φC＝EdC＝50V/cm×(－4cm)＝－200V，选项A错误，B正确；电子在C点具有的电势能为200eV，选项C错误，D正确。]2．(多选)如图所示，在电场中任取一条电场线，a、b两点相距为d，则()A．a点的场强一定大于b点的场强B．a点的电势一定高于b点的电势C．a、b两点的电势差一定等于Ed(E为a点场强)D．a、b两点的电势差在数值上等于单位正电荷由a沿任意路径移到b点电场力所做的功BD[一条电场线无法确定场强的强弱，A选项错误；沿电场线电势逐渐降低，故a点的电势一定高于b点的电势，B选项正确；匀强电场中，两点间的电势差等于电场强度与间距的乘积，该电场不一定为匀强电场，C选项错误；根据电势差的定义式Uab＝eq\f(Wab,q)可知，a、b两点的电势差在数值上等于单位正电荷由a沿任意路径移到b点电场力所做的功，D选项正确。]3．如图所示，充电的平行板电容器两板间形成匀强电场，以A点为坐标原点，AB方向为位移x的正方向，能正确反映电势φ随位移x变化的图像是()ABCDC[沿电场线的方向电势逐渐降低，A、B错误；在匀强电场中电势与场强的关系为U＝Ed，成线性关系，C正确，D错误。]4．在某电场中，沿x轴上的电势分布如图所示，由图可以判断()A．x＝2m处电场强度一定为零B．x＝2m处电场方向一定沿x轴正方向C．沿x轴正方向，电场强度先增大后减小D．某负电荷沿x轴正方向移动，电势能始终增大D[φ­x图像的斜率等于电场强度，则知x＝2m处的电场强度不为零，故A错误；随着x的增大电势不断降低，但x＝2m点的电场方向不一定沿x轴正方向，故B错误；由图像看出，斜率先减小后增大，则电场强度先减小后增大，故C错误；沿x轴正方向电势降低，某负电荷沿x轴正方向移动，受力的方向始终指向x轴的负方向，电场力做负功，电势能始终增大，故D正确。]二、非选择题(本题共2小题，共26分)5．(12分)如图所示，匀强电场中有a、b、c三点，ab＝5cm，bc＝12cm，其中ab沿电场方向，bc和电场方向成60°角，一个电荷量为q＝4×10－8C的正电荷从a移到b，静电力做功为W1＝1.2×10