内容正文:
静电场中的能量
第十章
电势能和电势
第1节
(强基课—逐点理清物理观念)
课标要求 层级达标
知道静电场中的电荷具有电势能。了解电势能、电势的含义。 学考
层级 1.通过计算在匀强电场中移动电荷静电力所做的功,认识静电力做功跟路径无关的特点。
2.通过类比重力势能引入电势能的概念。
3.理解电势的定义、定义式、单位,会判断电场中两点电势的高低。
选考
层级 1.理解电势能的变化与静电力做功的关系。
2.理解电势是从能的角度描述电场的物理量。
01
02
03
目
录
逐点清(一) 静电力做功的特点 电势能
逐点清(二) 电势
逐点清(三) 电势与电势能的计算
04
课时跟踪检测
4
01
逐点清(一) 静电力做功的特点
电势能
一、静电力做功的特点
1.特点:在匀强电场中移动电荷时,静电力所做的功与电荷的___________和___________有关,与电荷经过的路径_____。
2.匀强电场中静电力做功的大小:W=_____,其中l为电荷沿电场方向移动的_____。
起始位置
终止位置
无关
qEl
位移
[多维度理解]
二、电势能
1.概念:电荷在_____中具有的势能,用Ep表示。
2.静电力做功与电势能变化的关系:静电力做的功等于电势能的________,WAB=__________。
增加
电场
减少量
EpA-EpB
减少
增加
3.大小:电荷在某点的电势能,等于把它从这点移动到_________________时静电力所做的功。
4.零势能位置:电场中规定的电势能为___的位置,通常把电荷在离场源电荷___________或电荷在___________的电势能规定为0。
5.系统性:电势能是相互作用的______所共有的,或者说是电荷及对它作用的_____所共有的。
零势能位置
无限远处
大地表面
电荷
电场
0
电势能的理解
(1)电势能是相对的,其大小与选定的参考点有关。确定电荷的电势能,首先应确定参考点,也就是零势能点的位置。
(2)电势能是标量,有正负但没有方向。电势能为正值表示电势能大于参考点的电势能,电势能为负值表示电势能小于参考点的电势能。
1.判断下列说法是否正确。
(1)只有在带电体只受静电力作用的条件下,静电力做功才与路径无关。( )
(2)负电荷沿电场线方向移动时,静电力做负功,电势能增加。( )
[全方位练明]
×
√
(3)某电场中,带电物体在A点具有的电势能EpA=5 J,在B点具有的电势能EpB=-8 J,则EpA>EpB。( )
(4)正电荷沿电场线运动,静电力对正电荷做正功,负电荷逆着电场线运动,静电力对负电荷做正功。( )
√
√
2.(选自鲁科版教材课后练习)(多选)如图所示,静电喷涂时,喷枪喷出的涂料微粒带负电,被喷工件带
正电,微粒在静电力作用下向工件运动,最后吸附在工件表面。微粒在向工件靠近的过程中,假设只受静电力
作用,那么( )
A.动能越来越小 B.动能越来越大
C.克服静电力做功 D.电势能逐渐减小
答案:BD
解析:涂料微粒带负电,微粒向工件靠近的过程中,静电力做正功,微粒动能越来越大,电势能越来越小,故B、D正确,A、C错误。
3.(多选)规定无穷远处的电势能为零,下列说法中正确的是( )
A.将正电荷从电场中某点移到无穷远处时,静电力做的正功越多,正电荷在该点的电势能就越大
B.将正电荷从电场中某点移到无穷远处时,静电力做的正功越少,正电荷在该点的电势能就越大
C.将负电荷从无穷远处移到电场中某点时,克服静电力做功越多,负电荷在该点的电势能就越大
D.将负电荷从无穷远处移到电场中某点时,克服静电力做功越少,负电荷在该点的电势能就越大
答案:AC
解析:无穷远处的电势能为零,正电荷从电场中某点移到无穷远处时,若静电力做正功,则电势能减少,到无穷远处时电势能减为零,
正电荷在该点的电势能为正值,且等于静电力做的功,因此静电力做的正功越多,正电荷在该点的电势能越大,A正确,B错误;负电荷从无穷远处移到电场中某点时,若克服静电力做功,则电势能由零增大到某值,此值就是负电荷在该点的电势能的值,因此,克服静电力做功越多,负电荷在该点的电势能越大,故C正确,D错误。
02
逐点清(二) 电势
1.定义:电荷在电场中某一点的_______与它的______的比值。
2.公式:φ=____。
3.单位:在国际单位制中,电势的单位是_____,符号是V,1 V=1 J/C。
电势能
电荷量
伏特
[多维度理解]
4.特点
相对性 电场中各点电势的高低,与所选取的零电势点的位置有关,一般情况下取离场源电荷___________或大地的电势为0
标矢性 电势是标量,只有大小,没有方向,但有______
无限远处
正负
5.与电场线关系:沿着电场线方向电势_________。
逐渐降低
1.对电势的三点理解
(1)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。
(3)电势虽然有正负,但电势是标量。电势为正值表示该点电势高于零电势,电势为负值表示该点电势低于零电势,正负号不表示方向。
2.电势高低的判断方法
电场
线法 沿电场线方向,电势越来越低
电势能
判断法 由φ= 知,对于正电荷,电势能越大,所在位置的电势越高;对于负电荷,电势能越小,所在位置的电势越高
场源电荷
判断法 离场源正电荷越近的点,电势越高;离场源负电荷越近的点,电势越低
[典例] 如果把电荷量为q=+1.0×10-8 C的电荷从无限远处移到电场中的A点,需要克服静电力做功W=1.2×10-4 J,那么:
(1)q在A点的电势能和A点的电势各是多少?
(2)q未移入电场前,A点的电势是多少?
(2)A点的电势是由电场本身决定的,跟A点是否有电荷存在无关,所以q未移入电场前,A点的电势仍为1.2×104 V。
[答案] (1)1.2×10-4 J 1.2×104 V
(2)1.2×104 V
1.(2023·湖北高考)在正点电荷Q产生的电场中有M、N两点,其电势分别为φM、φN,电场强度大小分别为EM、EN。下列说法正确的是( )
A.若φM>φN,则M点到电荷Q的距离比N点的远
B.若EM<EN,则M点到电荷Q的距离比N点的近
[全方位练明]
C.若把带负电的试探电荷从M点移到N点,电场力做正功,则φM<φN
D.若把带正电的试探电荷从M点移到N点,电场力做负功,则EM>EN
答案:C
解析:沿着电场线的方向电势降低,根据正点电荷产生的电场特点可知,若φM>φN,则M点到电荷Q的距离比N点的近,故A错误;
电场线的疏密程度表示电场强度的大小,根据正点电荷产生的电场特点可知,若EM<EN,则M点到电荷Q的距离比N点的远,故B错误;若把带负电的试探电荷从M点移到N点,电场力做正功,则电势增加,故有φM<φN,故C正确;若把带正电的试探电荷从M点移到N点,电场力做负功,则电势增加,根据正点电荷产生的电场特点可知EM<EN,故D错误。
2. 如图所示,图中的实线表示电场线,虚线表示只受静电力作用的粒子的运动轨迹,粒子先经过M点,再经过N点,可以判定( )
A.粒子带负电
B.M点的电势低于N点的电势
C.粒子在M点的电势能小于在N点的电势能
D.粒子在M点受到的静电力小于在N点受到的静电力
答案:D
解析:粒子在电场中的受力和速度方向如图所示。
粒子只受静电力,静电力方向位于轨迹的凹侧,可知静
电力方向与电场方向相同,粒子带正电,A错误;根据
沿电场线方向电势降低可知,M点的电势高于N点的电势,B错误;由于M点的电势高于N点的电势,粒子又带正电,故粒子在M点的电势能大于在N点的电势能,C错误;根据电场线的疏密程度可知,M点的电场强度小于N点的电场强度,故粒子在M点受到的静电力小于在N点受到的静电力,D正确。
03
逐点清(三) 电势与电势能的计算
计算电势能大小的四种方法
(1)公式法:将电荷量、电势连同正负号一起代入公式Ep=qφ,正Ep的绝对值越大,电势能越大;负Ep的绝对值越大,电势能越小。
(2)电势法:正电荷在电势高的地方电势能大;负电荷在电势低的地方电势能大。
[多维度理解]
(3)做功法:静电力做正功,电势能减小;静电力做负功,电势能增加。
(4)能量守恒法:在电场中,若只有静电力做功时,电荷的动能和电势能相互转化,动能增加,电势能减小;动能减小,电势能增加。
[典例] (2023·昆明一中月考)将带电荷量为6×10-6 C的负电荷从电场中的A点移到B点,克服静电力做了3×10-5 J的功,再从B点移到C点,静电力做了1.2×10-5 J的功,则:
(1)该电荷从A点移到B点,再从B点移到C点的过程中电势能共改变了多少?
(2)如果规定A点的电势能为零,则该电荷在B点和C点的电势能分别为多少?B点和C点的电势分别为多少?
(3)如果规定B点的电势能为零,则该电荷在A点和C点的电势能分别为多少?A点和C点的电势分别为多少?
[解析] (1)WAC=WAB+WBC=-3×10-5 J+1.2×10-5 J=-1.8×10-5 J
所以该电荷的电势能增加了1.8×10-5 J。
(2)如果规定A点的电势能为零,
由公式WAB=EpA-EpB
得该电荷在B点的电势能为
EpB=EpA-WAB=0-WAB=3×10-5 J
同理,该电荷在C点的电势能为
1.(多选)一带电小球从空中的a点运动到b点的过程中,重力做功为3 J,静电力做功为1 J,克服空气阻力做功为0.5 J,则下列判断正确的是( )
A.a点动能比b点小3.5 J
B.a点重力势能比b点大3 J
C.a点电势能比b点小0.5 J
D.a点机械能比b点小0.5 J
[全方位练明]
答案:ABD
解析:根据动能定理,动能的增加量等于合力的功,重力、静电力和空气阻力一共做功3.5 J,则动能增加3.5 J,a点动能比b点小3.5 J,A正确;重力势能的减少量等于重力的功,重力做功3 J,则重力势能减少3 J,a点重力势能比b点大3 J,B正确;静电力做功为1 J,则电势能减少1 J,a点电势能比b点大1 J,C错误;静电力做功为1 J,克服空气阻力做功为0.5 J,静电力和空气阻力共做功0.5 J,则机械能增加0.5 J,a点机械能比b点小0.5 J,D正确。
2.如图所示,在同一条电场线上有A、B、C三点,三点的电势分别是φA=5 V、φB=-2 V、φC=0,将电荷量q=-6×10-6 C的点电荷从A移到B,再移到C。
(1)该电荷在A点、B点、C点具有的电势能各是多少?
(2)将该电荷从A移到B和从B移到C,电势能分别变化了多少?
(3)将该电荷从A移到B和从B移到C,静电力做功分别是多少?
04
课时跟踪检测
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A级——学考达标
1. (2023·天津一中期中)如图所示,在匀强电场中有
A、B两点,将一电荷量为q的正电荷从A点移到B点,
第一次沿直线AB移动该电荷,静电力做功为W1;第二
次沿折线ACB移动该电荷,静电力做功为W2;第三次沿曲线AB移动该电荷,静电力做功为W3,则( )
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A.W1>W2 B.W3<W2
C.W1=W2 D.W1<W3
答案:C
解析:静电力做功只与起始和终止位置有关,与路径无关,因此选项C正确。
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2. 如图所示,在电场强度为E的匀强电场中,将
电荷量为+q的点电荷从电场中A点经B点移动到C点,
其中AB⊥BC,AB=4d,BC=3d,则此过程中静电力
所做的功为( )
A.3qEd B.4qEd
C.5qEd D.7qEd
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A.3qEd B.4qEd
C.5qEd D.7qEd
答案:B
解析:静电力做功与路径无关,只和始、末位置有关,从B点到C点静电力不做功,故静电力做功为W=qE×4d=4qEd,选项B正确。
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3.如图,a、b为电场线上的两点,则下列说法正确的是( )
A.a点场强大
B.b点电势高
C.a、b两点场强一样大
D.负电荷在b点的电势能大
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答案:D
解析:只有一根电场线,无法判断电场强度大小,故A、C错误;沿电场线方向电势降低,所以a点电势高,b点电势低,由电势能定义可知负电荷在b点的电势能大,故C错误,D正确。
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4.在静电场中,将一负电荷从a点移到b点,静电力做了负功,则( )
A.b点的电场强度一定比a点大
B.b点的电势比a点高
C.电场线方向一定从a指向b
D.该电荷电势能增大
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答案:D
解析:由题中条件不能比较a、b点的电场强度大小关系,A错误;将一负电荷从a点移到b点,静电力做了负功,电势能增大,则电势减小,即b点的电势比a点低,B错误,D正确;a点电势高于b点,但是电场线方向不一定从a指向b,C错误。
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5. (多选)一带电粒子射入一正点电荷的电场中,其运动轨迹如图所示,粒子从A运动到B,则( )
A.粒子带负电
B.粒子的动能一直变大
C.粒子的加速度先变小后变大
D.粒子在电场中的电势能先变小后变大
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答案:AD
解析:根据运动轨迹可知,粒子带负电,粒子的动能先变大后变小,粒子的加速度先变大后变小,A正确,B、C错误;粒子在电场中运动,静电力先做正功后做负功,粒子的电势能先变小后变大,D正确。
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6.(2023·珠海期中检测)将一负电荷从无穷远处移至电场中M点,静电力做功为6.0×10-9 J,若将一个等量的正电荷从电场中N点移向无穷远处,静电力做功为5.0×10-9 J,则M、N两点的电势φM、φN的关系为( )
A.φM<φN B.φM=φN
C.φN<φM D.无法确定
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答案:C
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7.(多选)关于静电场,下列说法正确的是( )
A.电势等于零的物体一定不带电
B.电场强度为零的点,电势不一定为零
C.同一电场线上的各点,电势一定相等
D.负电荷沿电场线方向移动时,电势能一定增加
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答案:BD
解析:电势的零点是人为选取的,则电势等于零的物体也可以带电,故A错误;电势是标量,与零电势点的选取有关,所以电场强度为零的地方电势不一定为零,故B正确;沿电场线的方向电势逐渐降低,故C错误;根据公式Ep=qφ知,负电荷在电势越低的地方电势能越大,在电势越高的地方电势能越小,所以负电荷从电势高的点运动到电势低的点,电势能一定增加,故D正确。
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8.(2023·广东高考)(多选)电子墨水是一种无光源显示技术,它利用电场调控带电颜料微粒的分布,使之在自然光的照射下呈现出不同颜色。透明面板下有一层胶囊,其中每个胶囊都是一个像素。如图所示,胶囊中有带正电的白色微粒和带负电的黑色微粒。当胶囊下方的电极极性由负变正时,微粒在胶囊内迁移(每个微粒电量保持不变),像素由黑色变成白色。下列说法正确的有( )
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A.像素呈黑色时,黑色微粒所在区域的电势高于白色微粒所在区域的电势
B.像素呈白色时,黑色微粒所在区域的电势低于白色微粒所在区域的电势
C.像素由黑变白的过程中,电场力对白色微粒做正功
D.像素由白变黑的过程中,电场力对黑色微粒做负功
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答案:AC
解析:像素呈黑色时,胶囊下方的电极带负电,像素胶囊里电场线方向向下,所以黑色微粒所在区域的电势高于白色微粒所在区域的电势,故A正确;像素呈白色时,胶囊下方的电极带正电,像素胶囊里电场线方向向上,所以黑色微粒所在区域的电势高于白色微粒所在区域的电势,故B错误;像素由黑变白的过程中,白色微粒受到的电场力向上,位移向上,电场力对白色微粒做正功,故C正确;像素由白变黑的过程中,黑色微粒受到的电场力向上,位移向上,电场力对黑色微粒做正功,故D错误。
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9.在如图所示的匀强电场中,沿电场线方向有
A、B两点,A、B两点间的距离s=0.10 m。一个电荷
量q=+2.0×10-8 C的点电荷所受静电力的大小F=
4.0×10-4 N。求:
(1)电场强度E的大小;
(2)将该点电荷从A点移至B点的过程中,静电力所做的功W;
(3)将该点电荷从A点移至B点的过程中,电荷的电势能增加还是减少,电势能改变多少。
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B级——选考进阶
10.(多选)一电子飞经电场中A、B两点,电子在A点的电势能为4.8×10-17 J,动能为3.2×10-17 J,由A点到B点静电力做功为1.6×10-17 J,如果电子只受静电力作用,则( )
A.电子在B点的动能为4.8×10-17 J
B.电子在B点的动能为1.6×10-17 J
C.电子在B点的电势能为3.2×10-17 J
D.电子在B点的电势能为6.4×10-17 J
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答案:AC
解析:电子由A点到B点静电力做功为1.6×10-17 J,即电子从A点到B点电势能减少1.6×10-17 J,则在B点的电势能为3.2×10-17 J,电子只受静电力,则电子的电势能和动能之和不变,在A点有E=Ek+Ep=3.2×10-17 J+4.8×10-17 J=8×10-17 J,在B点的动能Ek′=E-Ep′=8×10-17 J-3.2×10-17 J=4.8×10-17 J,故A、C正确,B、D错误。
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11. (2023·大同一中月考)(多选)如图所示,带正电的点电荷固定于Q点,电子在静电力的作用下,做以Q点为焦点的椭圆运动,M、P、N为椭圆上的三点,P点是轨道上离Q点最近的点。电子从M点经P点到达N点的过程中( )
A.速率先增大后减小
B.速率先减小后增大
C.电势能先减小后增大
D.电势能先增大后减小
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答案:AC
解析:电子受到正点电荷的静电力,当电子由M点向P点运动时,二者距离减小,静电力做正功,故电势能减小,又由动能定理,知动能增大,即速率增大;当电子由P点向N点运动时,电势能增大,动能减小,速率减小,故A、C正确,B、D错误。
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12.(2023·全国乙卷)(多选)在O点处固定一个正点电荷, P点在O点右上方。从P点由静止释放一个带负电的小球,小球仅在重力和该点电荷电场力作用下在竖直面内运动,其一段轨迹如图所示。M、N是轨迹上的两点,OP > OM,OM=ON,则小球( )
A.在运动过程中,电势能先增加后减少
B.在P点的电势能大于在N点的电势能
C.在M点的机械能等于在N点的机械能
D.从M点运动到N点的过程中,电场力始终不做功
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答案:BC
解析:由题意知,OP>OM,OM=ON,则根据点电荷的电势分布情况可知φM=φN > φP,则带负电的小球在运动过程中,电势能先减小后增大,且EpP > EpM=EpN,则带负电的小球在M点的机械能等于在N点的机械能,A错误,B、C正确;从M点运动到N点的过程中,电场力先做正功后做负功,D错误。
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13. 如图所示,在电场强度大小E=1×104 N/C的
水平匀强电场中,有一根长l=15 cm的绝缘细线,一
端固定在O点,另一端系一个质量m=3 g、电荷量q=
2×10-6 C的带正电小球,当细线处于水平位置时,小球从静止开始释放,g取10 m/s2。求:
(1)小球从开始释放至到达最低点B的重力势能、电势能分别变化了多少;
(2)若取A点电势为零,则小球在B点的电势能、电势分别为多少。
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(2)电势φ是描述电场能量性质的一个物理量,电场中某点的电势φ的大小是由电场本身和零电势点的选取决定的,与在该点是否放有试探电荷、试探电荷的电性、试探电荷的电荷量均无关,这和许多用比值定义的物理量相同,如前面学过的电场强度E=。
[解析] (1)取无限远处的电势为零,电荷在无限远处的电势能也为零,即φ∞=0,Ep∞=0
由W∞A=Ep∞-EpA得
EpA=Ep∞-W∞A=0-(-1.2×10-4 J)
=1.2×10-4 J
再由φA=,解得φA=1.2×104 V。
EpC=EpA-WAC=0-WAC=1.8×10-5 J
两点的电势分别为
φB== V=-5 V
φC== V=-3 V。
(3)如果规定B点的电势能为零,则该电荷在A点的电势能为
EpA′=EpB′+WAB=0+WAB=-3×10-5 J
该电荷在C点的电势能为
EpC′=EpB′-WBC=0-WBC=-1.2×10-5 J
两点的电势分别为
φA′== V=5 V
φC′== V=2 V。
[答案] 见解析
解析:(1)根据公式φ=,可得Ep=qφ
所以该电荷在A点、B点、C点具有的电势能分别为EpA=qφA=-6×10-6×5 J=-3×10-5 J
EpB=qφB=-6×10-6×(-2)J=1.2×10-5 J
EpC=qφC=-6×10-6×0 J=0。
(2)将该电荷从A移到B,电势能的变化量为
ΔEpAB=EpB-EpA=1.2×10-5 J-(-3×10-5)J=4.2×10-5 J
即电势能增加了4.2×10-5 J
将该电荷从B移到C,电势能的变化量为ΔEpBC=EpC-EpB=0-1.2×10-5 J=-1.2×10-5 J
即电势能减少了1.2×10-5 J。
(3)将该电荷从A移到B,静电力做的功为
WAB=EpA-EpB=-4.2×10-5 J
将该电荷从B移到C,静电力做的功为
WBC=EpB-EpC=1.2×10-5 J。
答案:(1)-3×10-5 J 1.2×10-5 J 0
(2)增加4.2×10-5 J 减少1.2×10-5 J
(3)-4.2×10-5 J 1.2×10-5 J
解析:取无穷远处电势φ=0,则电荷在无穷远处的电势能为0,一负电荷从无穷远处移至电场中M点,静电力做功为6.0×10-9 J,在M点的电势能为-6.0×10-9 J,则φM=V。一个等量的正电荷从电场中N点移向无穷远处,静电力做功为5.0×10-9 J,则在N点的电势能为5.0×10-9 J,可知N点的电势φN= V,所以φM>φN>0,故选项C正确。
解析:(1)根据电场强度的定义式可得E==2×104 N/C。
(2)正点电荷所受静电力沿电场线方向,将该点电荷从A点移至B点的过程中,静电力所做的功为W=Fs=4×10-5 J。
(3)将该点电荷从A点移至B点的过程中,静电力做正功,电荷的电势能减少了4×10-5 J。
答案:(1)2×104 N/C (2)4×10-5 J (3)减少了4×10-5 J
解析:(1)在该过程中,小球的重力势能变化量ΔEp=-mgl=-4.5×10-3 J,电势能变化量ΔEp电=Eql=3×10-3 J。
(2)若取A点电势为零,则EpA=qφA=0,因ΔEp电=EpB-EpA,故小球在B点的电势能EpB=ΔEp电+EpA=3×10-3 J,B点的电势φB==1.5×103 V。
答案:(1)-4.5×10-3 J 3×10-3 J (2)3×10-3 J 1.5×103 V
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