内容正文:
静电场中的四类
常见图像问题
综合·融通
(融会课—主题串知综合应用)
在考查电场中的基本概念时,往往给出与电场分布有关的图像,如:E-x图像、φ-x图像、Ep-x图像,或与粒子运动规律有关的图像,如:v-t图像,掌握各个图像的特点,理解其斜率、截距、面积对应的物理意义,就能顺利解决有关问题,此类问题一般以选择题的形式出现,难度中等。
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目
录
主题(一) 利用v-t图像分析带电粒子在电场中的运动
主题(二) E-x图像
主题(三) φ-x图像
主题(四) Ep-x图像
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课时跟踪检测
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主题(一) 利用v-t图像分析带 电粒子在电场中的运动
根据v-t图像的速度变化、斜率变化(即加速度的变化),可确定电荷所受静电力的方向与静电力的大小变化情况,进而确定电场的方向、电势的高低及电势能的变化。
[例1] 如图甲所示,Q1、Q2为两个被固定的点电荷,其中Q1带负电荷,a、b两点在它们连线延长线上。现有一带负电荷的粒子以一定的初速度沿直线从a点开始经b点向远处运动(粒子只受静电力作用),粒子经过a、b两点时的速度分别为va、vb,其速度图像如图乙所示。以下说法中正确的是( )
A.Q2一定带负电
B.Q2的电荷量一定大于Q1的电荷量
C.b点的电场强度一定为零
D.整个运动过程中,粒子的电势能先减小后增大
[解析] 因为v-t图线的斜率表示加速度,根据题图乙可知,粒子在b点的加速度为零,所受静电力也为零,b点的电场强度一定为零,C正确;要使b点的电场强度为零,Q1、Q2必带异种电荷,所以Q2一定带正电,A错误;Q1、Q2单独存在时在b点产生的场强必等大反向,再考虑到Q1到b点的距离较大,可知Q1的电荷量一定大于Q2的电荷量,B错误;整个运动过程中,粒子的动能和电势能之和保持不变,动能先减小后增大,则其电势能一定是先增大后减小,D错误。
[答案] C
[针对训练]
1. 一正电荷在电场中仅受静电力作用,从A点运动到B点,速度随时间变化的图像如图所示,tA、tB分别对应电荷在A、B两点的时刻,则下列说法中正确的是( )
A.A处的电场强度一定小于B处的电场强度
B.A处的电势一定低于B处的电势
C.电荷在A处的电势能一定大于在B处的电势能
D.从A到B的过程中,静电力对电荷做正功
答案:B
解析:根据速度—时间图像的斜率表示加速度,可知电荷在A点的加速度大于在B点的加速度,因为只受静电力,故电荷在A点所受的静电力大于在B点所受的静电力,推知EA>EB,A错误;正电荷仅在静电力作用下做减速运动,正电荷逆着电场线方向运动,沿着电场线方向电势降低,所以φA<φB,B正确;从A到B静电力做负功,电势能增大,C、D错误。
02
主题(二) E-x图像
1.E-x图像中,E的数值反映电场强度的大小,E的正负反映电场强度的方向,E为正表示电场方向为正方向。
2.E-x图线与x轴所围的面积表示“两点之间的电势差U”,电势差的正负由沿电场强度方向电势降低判断。
[例2] (多选)真空中相距为3a的两个点电荷M、N,分别固定于x轴上x1=0和x2=3a的两点上,在它们连线上各点电场强度E随x变化关系如图所示,以下判断正确的是( )
A.x=2a处的电场强度为零,电势也一定为零
B.点电荷M、N一定为同种电荷
C.点电荷M、N一定为异种电荷
D.点电荷M、N所带电荷量的绝对值之比为4∶1
[针对训练]
2. 在x轴上关于坐标原点对称的a、b两点处固定两个电荷量相等的点电荷,如图所示的E-x图像描绘了x轴上部分区域的电场强度(以x轴正方向为电场强度的正方向)。对于该电场中x轴上关于原点对称的c、d两点,下列结论正确的是( )
A.两点电场强度相同,c点电势更高
B.两点电场强度相同,d点电势更高
C.两点电场强度不同,两点电势相等,均比O点电势高
D.两点电场强度不同,两点电势相等,均比O点电势低
答案:A
解析:题图中a点左侧,b点右侧的电场强度方向都沿x轴负方向,则a点处为正点电荷,b点处为负点电荷,又两点电荷的电荷量相等,由等量异号点电荷电场特点知c、d两点的电场强度相同,c点电势更高,A正确,B、C、D错误。
03
主题(三) φ-x图像
[例3] 如图甲所示,x轴上固定两个点电荷Q1、Q2(Q2位于坐标原点O),M、N、P是x轴上的三点,间距MN=NP,Q1、Q2在x轴上产生的电势φ随x变化的关系如图乙。则下列说法正确的是( )
A.点电荷Q1带负电
B.N点电场强度最大
C.P点电场强度大小为零
D.M、N之间电场方向沿x轴负方向
[解析] φ-x图线的切线斜率的绝对值表示电场强度的大小,所以N点的电场强度为零,P点的电场强度不为零,两点电荷在N点产生的电场强度大小相等,方向相反,两电荷为异种电荷,所以Q1为负电荷,Q2为正电荷,A正确,B、C错误;根据沿电场线方向电势逐渐降低可知,O→N电场强度方向沿x轴正方向,N→P电场强度方向沿x轴负方向,所以M、N之间电场方向沿x轴正方向,D错误。
[答案] A
[针对训练]
3.(2023·湖北武汉期末)静电场中某一电场线与x轴重合,电场线上各点的电势φ在x轴上的分布如图所示,图中曲线关于坐标原点O中心对称。在x轴上取A、B、C、D四点,A和D、B和C分别关于O点对称。下列说法正确的是( )
A.B、C两点的电势相同
B.C、D两点的电场强度大小关系为EC>ED
C.正试探电荷沿x轴从A点移到D点,电势能减小
D.负试探电荷在B点和C点具有相同的电势能
答案:C
解析:根据φ-x图像可知φA>φB>φC>φD,则x轴上电场强度方向沿x轴正方向,根据切线斜率反映电场强度大小,可知B、C点的电势不同,EC<ED,故A、B错误;正试探电荷从A点移到D点,电场力做正功,电势能减小,故C正确;因为φB>φC,故负试探电荷在B点电势能小于在C点的电势能,故D错误。
04
主题(四) Ep-x图像
[例4] (多选)如图甲所示,在某电场中建立x坐标轴,A、B为x轴上的两点,xA、xB分别为A、B两点在x轴上的坐标值。一电子仅在静电力作用下沿x轴运动,该电子的电势能Ep随其坐标x变化的关系如图乙所示,则下列说法中正确的是( )
A.该电场一定不是孤立点电荷形成的电场
B.A点的电场强度小于B点的电场强度
C.电子由A点运动到B点的过程中静电力对其所做的功W=EpA-EpB
D.电子在A点的动能小于在B点的动能
[解析] 由题图乙可知,电子在A、B两点的电势能分别为EpA和EpB,且EpB>EpA,说明电子由A运动到B的过程中电势能增大,静电力做负功,静电力对其所做的功为W=EpA-EpB,C正确;电子仅在静电力作用下运动,静电力做负功,动能减小,故电子在A点的动能大于在B点的动能,D错误;由题图乙知该电场是匀强电场,A、B两点的电场强度相等,B错误;该电场一定不是孤立点电荷形成的电场,A正确。
[答案] AC
[针对训练]
4.(2023·安徽合肥期末)一带负电粒子只在静电力作用下沿x轴正方向运动,其电势能Ep随位移x的变化关系如图所示,不计粒子重力,则粒子在从x1向x3运动的过程中,下列说法正确的是( )
A.在x1处粒子速度最大
B.在x1处粒子加速度最大
C.x3处电势比x1处大
D. x2处动能最大
答案:C
解析:带负电粒子只在静电力作用下运动,所以动能与电势能之和是恒定的。则粒子在从x1向x3运动的过程中,在x3处的电势能最小,动能最大,速度最大,A、D错误;根据静电力做功与电势能的关系W=-ΔEp=Ep0-Ep,解得Ep=-W+Ep0=-Fx+Ep0,即图像中的斜率表示静电力大小,在x3处图像的斜率最大,所以粒子加速度最大,B错误;负电荷在电势低的地方电势能大,在电势高的地方电势能小,在x3处的电势能最小,所以x3处电势最高,x3处电势比x1处大,C正确。
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1.(2023·温州高二期末检测)如图甲所示为某电场中的一条电场线,一电子只在静电力的作用下从A点到B点运动的速度—时间图像如图乙所示,则下列分析正确的是( )
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A.该电场可能是正点电荷产生的
B.从A点运动到B点的过程中电子的电势能变小
C.A点的电势一定高于B点的电势
D.A点的电场强度比B点的大
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答案:C
解析:速度—时间图像的斜率表示加速度,则由题图乙可知,电子的加速度不变,所受静电力不变,由F=Eq可知,该电场是匀强电场,A点的电场强度等于B点电场强度,不可能是正点电荷产生的,故A、D错误;电子从A到B的过程中,速度减小,动能减小,则可知静电力做负功,故电势能增加,因电子带负电,所以从A到B电势降低,故A点的电势比B点的高,故B错误,C正确。
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2.M、N是某电场中一条电场线上的两点,从M点
静止释放质子,仅在静电力的作用下沿电场线由M点运
动到N点,其电势能随位置变化的关系如图所示,则该
电场线分布可能正确的是( )
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答案:A
解析:由Ep-x图像可知,斜率表示所受静电力的大小,即k=qE,质子从M到N,Ep-x图像的斜率逐渐减小,则静电力逐渐减小,电场强度逐渐减小,所以EM>EN,即从M到N电场线由密到疏;根据电势能与电势的关系Ep=qφ,由于电势能逐渐降低,质子带正电,所以从M到N质子的电势逐渐降低,即电场线的方向由M指向N。故选A。
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3.如图甲所示,一条电场线与Ox轴重合,取O点电势为零,Ox方向上各点的电势φ随x变化的情况如图乙所示,若在O点由静止释放一电子,电子仅受静电力的作用,则( )
A.电子沿Ox的负方向运动
B.电子的电势能将增大
C.电子运动的加速度恒定
D.电子运动的加速度先减小后增大
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答案:D
解析:由题图乙可知,沿Ox方向电势逐渐升高,则电场线方向沿Ox负方向,电子所受的静电力沿Ox正方向,则电子将沿Ox正方向运动,静电力做正功,电子的电势能将减小,故A、B错误;φ-x图像的斜率大小等于电场强度大小,斜率先减小后增大,则电场强度先减小后增大,所以电子的加速度先减小后增大,故C错误,D正确。
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4.(2023·湖南衡阳八中期末)如图甲是某电场中的一条电场线,a、b是这条线上的两点,一负电荷只受静电力作用,沿电场线从a运动到b。在这个过程中,电荷的速度—时间图像如图乙所示,请比较a、b两点电势的高低和电场强度的大小( )
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A.φa>φb,Ea<Eb B.φa<φb,Ea<Eb
C.φa<φb,Ea>Eb D.φa>φb,Ea>Eb
答案:B
解析:负电荷从a运动到b,由速度—时间图像得到负电荷做加速运动,故静电力方向向右,因负电荷受到的静电力方向与电场强度方向相反,故电场强度方向向左,沿电场强度方向,电势降低,故φa<φb;因为图线乙的斜率增大,故加速度增大,因此由a到b静电力增大,所以电场强度增大,即Ea<Eb,B正确。
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5.(多选)如图所示,甲图实线为某一个静电场中方向未知的三条电场线,a、b两个带电粒子均从电场中的P点无初速度释放,两粒子仅在电场力作用下均沿着中间的电场线做直线运动(不考虑a、b两粒子间的相互作用),a、b粒子的速度大小随时间变化的关系如图乙中实线所示,虚线为过坐标原点的倾斜直线,则( )
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A.a粒子的加速度逐渐增大,b粒子的加速度逐渐减小
B.a粒子沿着电场线向左运动,b粒子沿着电场线向右运动
C.a粒子的电势能减小,b粒子的电势能增大
D.a粒子一定带正电,b粒子一定带负电
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答案:AB
解析:因v-t图像的斜率表示物体的加速度,由图像乙可知,a粒子的加速度逐渐增大,b粒子的加速度逐渐减小,A正确;在电场中,电场线密集的地方电场强度大,电场线稀疏的地方电场强度小,再结合静电力公式和牛顿第二定律得F=qE,F=ma,分析可得a粒子沿着电场线向左运动,b粒子沿着电场线向右运动,B正确;a、b粒子都由静止开始运动,静电力对它们都做正功,电势能都减小,C错误;由题意,不能得到电场线的方向,因此不能判断a、b粒子的电性,D错误。
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6. (2023·浙江绍兴月考)(多选)O、A为某电场中一条平直电场线上的两个点,将电子从O点静止释放,仅在静电力作用下运动到A点,其电势能随位移x的变化如图所示。则电荷从O到A过程中,下列说法正确的是( )
A.静电力一定做正功
B.O点电势比A点电势高
C.从O到A的过程中,电场强度先减小后增大
D.从O到A的过程中,电场强度一直增大
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答案:AC
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7. 某空间存在一条沿x轴方向的电场线,电场强度E随x变化的规律如图所示,图线关于坐标原点中心对称,A、B是x轴上关于坐标原点O对称的两点,C点是OB的中点。则下列说法正确的是( )
A.电势差UOC=UCB
B.电势差UOC>UCB
C.取无穷远处电势为零,则O点处电势也为零
D.电子从A点由静止释放后的运动轨迹在一条直线上
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答案:D
解析:E-x图像中图线与x轴围成的面积表示电势差,由题图可知,OC与图线围成的面积小于CB与图线围成的面积,故电势差UCB>UOC,A、B错误;若把一个正点电荷从O点沿x轴正方向移到无穷远处,静电力一直在做功,所以O点电势与无穷远处电势不相等,C错误;电子从A点由静止释放后一直受到沿x轴方向的力作用,即力与运动方向一直在同一条直线上,故电子的运动轨迹在一条直线上,D正确。
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答案:BCD
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9. 一带负电的粒子只在静电力作用下沿x轴正方向运动,其电势能Ep随位移x变化的关系如图所示,其中0~x2段是关于直线x=x1对称的曲线,x2~x3段是直线,则下列说法正确的是( )
A.x1处电场强度为零
B.粒子经过x1处时动能最小
C.x2~x3段粒子做匀加速直线运动
D.粒子的动能先减少后增大
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答案:A
解析:根据静电力做功与电势能变化的关系得FΔx=-ΔEp,则图像的斜率表示粒子所受的静电力,在x1处图像的斜率为零,所以粒子在x1处受到的静电力为零,所以x1处的电场强度为零,A正确;由于粒子只在静电力作用下沿x轴正方向运动,则粒子动能和电势能的总和保持不变,由题图可知,在x1处粒子的电势能最小,则粒子经过x1处时动能
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最大,B错误;由题知,x2~x3段是直线,再根据题意分析可知,x2~x3段粒子所受的静电力为恒力,且x2~x3段粒子电势能增大,说明静电力做负功,则x2~x3段粒子做匀减速直线运动,C错误;由能量守恒定律可知,0~x1段电势能逐渐减小,动能逐渐增大,x1~x3段电势能逐渐增大,动能逐渐减小,所以粒子的动能先增大后减小,D错误。
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10. (多选)某静电场在x轴上的场强E随x的变化关系如图所示,x轴正方向为场强正方向,一个带负电的点电荷只在静电力的作用下以一定初速度沿x轴正方向运动,x1、x2、x3、x4四点间隔相等,则以下说法正确的是( )
A.点电荷在x2和x4处电势能相等
B.点电荷由x1运动到x3的过程中静电力做负功
C.x1、x2两点之间的电势差小于x3、x4两点之间的电势差
D.点电荷由x1运动到x4的过程中静电力先增大后减小
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答案:BCD
解析: x2~x4处场强方向沿x轴正方向,根据沿着电场线方向电势降低,x2处电势高于x4处电势,带负电的点电荷在x2处电势能比在x4处的小,A错误;x1~x3 处场强为x轴正方向,则从x1到x3处顺着电场线方向移动负点电荷,静电力做负功,B正确;由U=Ed知E-x图线与x轴所围的面积表示电势差,则x1、x2两点之间的电势差小于x3、x4两点之间的电势差,C正确;由x1运动到x4的过程中,电场强度的绝对值先增大后减小,由F=qE知,静电力先增大后减小,D正确。
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11.(2023·福建泉州期中)(多选)如图甲所示,AB是某电场中的一条电场线,若有一电子仅在电场力作用下,以某一初速度沿AB由A点运动到B点,所经位置的电势随该位置与A点距离的变化规律如图乙所示。以下说法正确的是( )
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A.A、B两点的电势φA>φB
B.A、B两点的电场强度EA<EB
C.电子在A、B两点的速度vA>vB
D.电子在A、B两点的电势能EpA<EpB
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答案:ACD
解析:依题意电子从A到B过程,电势降低,则A、B两点的电势关系为φA>φB,故A正确;φ-x图像的斜率大小等于电场强度,由几何知识可知,图像的斜率逐渐减小,则从A到B场强减小,则有EA>EB,故B错误;由图看出,电势逐渐降低,可判断出电场线的方向从A到B,在移动过程中,电场力做负功,电子的动能减小,速度减小,而电子的电势能增大,即vA>vB,EpA<EpB,故C、D正确。
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12.如图所示,在P1、P2处各放一个等
电荷量正点电荷,O点为P1、P2连线的中点。
一带正电的试探电荷从M点由静止出发,沿直线MON运动到N点,M、N关于O点对称。关于试探电荷速度v,电场的电场强度E、电势φ,试探电荷的电势能Ep的描述正确的是( )
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答案:C
解析:根据同种电荷电场分布特点可知,O点电场强度为0,故试探电荷在O点的加速度为0,故A、B错误;两等量正点电荷连线的中点电势最低,且φ的分布关于O点对称,φ随x非均匀变化,故C正确;由Ep=qφ知,正试探电荷电势能的图像应类似φ-x图像,故D错误。
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13. 如图所示,在x轴上-x0和x0处分别固定电荷量大小均为Q的两个点电荷,它们在x轴上形成的电势分布情况如图中曲线所示,呈对称分布,在x=0处曲线的切线与x轴平行。取无穷远处电势为0,静电力常量为k。下列说法正确的是( )
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答案:C
14. (2023·安徽滁州期末)空间存在一沿x轴方向的静电场,一负电荷由原点处以沿x轴正方向的初速度开始运动,整个运动过程中负电荷仅受静电力的作用,已知各点的电势随位置变化的图线,如图所示。则下列说法正确的是( )
A.电场方向始终沿x轴正方向
B.该电荷在x2处的动能最大
C.x1处的电场强度小于x3处的电场强度
D.若将一正电荷由x1处静止释放,则该电荷可在x1~x3间往复运动
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答案:D
解析:沿电场线方向电势逐渐降低,由题图可知O~x2电势逐渐降低,则电场方向沿x轴正方向;x2~x3电势逐渐升高,则电场方向沿x轴的负方向,A错误。负电荷由O~x2所受的静电力沿x轴负方向,则该过程静电力做负功,电势能增加,动能减少;x2~x3负电荷所受的静电力沿x轴正方向,则该过程中静电力做正功,电势能减少,动能增加,则
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电荷在x2处的动能最小,B错误。φ-x图像的斜率绝对值表示电场强度的大小,由题图可知x1处图线的斜率绝对值大于x3处图线的斜率绝对值,则x1处的电场强度大于x3处的电场强度,C错误;若将一正电荷由x1处静止释放,则正电荷由静止开始向右做加速度减小的加速运动,当运动到x2处时,速度达到最大,又由于x1、x3两点的电势相等,则正电荷运动到x3处时速度减为零,此后正电荷向左运动,即电荷可在x1~x3间往复运动,D正确。
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[答案] BD
[解析] x=2a处的电场强度为零,但电场强度为零的地方电势不一定为零,A错误;从0到3a,电场强度先正方向减小到零,后反方向增大,则点电荷M、N必为同种电荷,B正确,C错误;x=2a处的电场强度为0,由=,可得QM∶QN=4∶1,D正确。
1.φ-x图像切线斜率的绝对值k==,表示E的大小,电场强度E的方向为电势降低最快的方向。
2.在φ-x图像中可以直接判断各点电势的高低,并可根据电势高低关系确定电场强度的方向。
3.在φ-x图像中分析电荷移动时电势能的变化,可用WAB=qUAB,进而分析WAB的正负,然后作出判断。
1.由Ep-x图像可知带电粒子在不同位置的电势能,在已知带电粒子电荷量q的情况下,可由φ=求出任一位置的电势。
2.由Ep-x图像可求出任意两位置对应的电势能的变化量,进而确定静电力做功情况。
3.由功能关系可得ΔEp=qE·Δx,即qE=,所以Ep-x图像切线的斜率表示带电粒子在该位置所受静电力的大小。
解析:由题图可知,从O到A电势能减小,所以静电力做正功,故A正确;因为φ=且电子带负电,所以电势能越小,电势越大,故O点的电势低于A点,故B错误;因为=-qE,所以图线的斜率绝对值表示所受静电力的大小,从O到A斜率先减小后增大,故静电力先减小后增大,电场强度先减小后增大,故C正确,D错误。
8.(多选)空间中存在沿x轴正方向的电场,x轴上各点的电场强度随x的变化情况如图所示,下列叙述正确的是( )
A.x1、x2两处的电势相同
B.电子在x1处的电势能小于在x2处的电势能
C.x=0处与x1处两点之间的电势差为U=
D.电子沿x轴从x1处运动到x2处,静电力一直做负功
解析:沿电场方向电势降低,因电场方向沿x轴正方向,故x轴相当于一条电场线,故φx1>φx2,A错误;电子受到的静电力方向和电场方向相反,故沿x轴从x1处运动到x2处,静电力做负功,电势能增大,电子在x1处的电势能小于在x2处的电势能,B、D正确;因为从x=0处到x1处的电场强度是均匀增大的,所以从x=0处到x1处的电场强度平均值为,根据公式E=,可得x=0处与x1处的电势差为U=,C正确。
A.这两个点电荷是异种电荷
B.在x=0处电势和电场强度都不为0
C.把电子从-x0处移到x0处电势能先增大后减小
D.x=-2x0处的电场强度为且指向x轴正方向
解析:由题图可知,电势均为正值,则两个点电荷均为正电荷,A错误;x=0处电势不为零,由场强叠加原理可知,该处场强为0,B错误;把电子从-x0处移到x0处,电势先降低再升高,由于电子带负电,则电势能先增大后减小,C正确;x=-2x0处的场强为E=k+k=,指向x轴负方向,D错误。
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