内容正文:
单元综合提升
第一章 静电场的描述
概念梳理 构建网络
1
教考衔接 明确考向
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易错辨析 强化落实
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单元检测卷
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内容索引
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概念梳理 构建网络
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教考衔接 明确考向
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(2023·福建高考)“场离子显微镜”的金属钨针尖处于球
形真空玻璃泡的球心O,玻璃泡内壁有一层均匀导电膜:
在钨针和导电膜间加上高电压后,玻璃泡上半部分的电
场可视为位于O点处点电荷形成的电场,如图所示。
a、b、c、d、O为同一平面上的5个点,abc是一段以O为
圆心的圆弧,d为Ob的中点。a、d两点场强大小分别为
Ea、Ed,O、a、c、d四点电势分别为φO、φa、φc、φd,则φa________φd;φa________φc,(φO-φa)________2(φO-φd)。(填“大于”“等于”或
“小于”)
小于
等于
小于
真题
1
由于沿着电场线方向电势逐渐降低,可知φa < φd;由题
知,在钨针和导电膜间加上高电压后,玻璃泡上半部分
的电场可视为位于O点处点电荷形成的电场,则根据点
电荷形成的电场的电势分布可知φa =φc,且越靠近O
场强越强,则Od部分的场强均大于db部分的场强,则根
据U = Ed,结合微元法可定性判断出φO-φb < 2(φO-φd),而φa = φb,则φO-φa < 2(φO-φd)。
衔接教材 粤教版P29T4
如图所示的实线为一正点电荷的电场线,虚线为其等势面。如果把一个质子(带正电)或一个电子放到A点并无初速释放,下列判断正确的是
A.质子的电势能将不断减少
B.电子的电势能将不断减少
C.质子将沿着电场线向电势低的地方运动
D.电子将沿着电场线向电势低的地方运动
衔接分析 该高考题以点电荷的辐向电场为素材,创设了考查电场强度和电势的问题情境,与粤教版P29T4物理情境类似。
沿电场线方向,电势降低,正电荷在电势越低的地方电势能越小,负电荷在电势越低的地方电势能越大。在非匀强电场中,电势差与场强的关系U=Ed不能用于定量计算但可以用于定性分析。
针对练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三点的场强分别为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>EA
C.UAB<UBC
D.UAB=UBC
√
√
√
A、B、C三点处在一根电场线上,沿着电场线的方向电势降低,则φA>φB>φC,故A正确;由电场线的密集程度可看出电场强度大小关系为EC>EB>EA,故B正确;由题图可知,AB段电场强度小于BC段电场强度,由U=Ed定性分析可知UBC>UAB,故C正确,D错误。
针对练2.场致发射显微镜是一项了不起的发明,它第一次为人类提供了观察原子的工具。场致发射显微镜的原理如图所示,在真空玻璃泡内充以少量氦气并在中心放置待测试金属针(这根金属针的针尖即是该显微镜的观察对象),泡的内壁涂有荧光导电膜。在金属针和荧光导电膜间加很高的电压,泡内上部空间产生辐射状的电场,电场方向从针尖指向泡内壁。由于针尖处电场很强,氦原子碰到针尖时会失去一个电子形成氦离子,然后在电场作用下向导电膜运动。忽略氦离子的重力,氦离子的初速度可视为零,不考虑氦离子在运动过程中与其他氦原子或氦离子的相互作用,下列说法错误的是
A.氦离子运动过程中电势能不断减小
B.氦离子运动过程中加速度不断减小
C.到达泡内壁各点的氦离子动能相等
D.氦离子运动过程中静电力不断增大
√
氦原子碰到针尖时会失去一个电子形成氦离子,所
以氦离子带正电,在氦离子运动过程中,电场力做
正功,电势能不断减小,A正确;泡内上部空间产生
辐射状的电场可看作是在针尖处的点电荷产生的电
场,氦离子运动越远受到的电场力越小,加速度不断
减小,B正确;因为针尖到泡内壁的距离相等,则针尖到泡壁各点的电势差恒定,根据W=qU,可知到达泡内壁电场力对各点的氦离子做功相等,各点的氦离子动能相等,C正确;泡内上部空间产生辐射状的电场可看作是在针尖处的点电荷产生的电场,氦离子运动越远所处位置的电场强度越小,所受静电力越小,D错误。本题选错误的,故选D。
(2023·重庆高考)真空中固定有两个点电荷,负电荷Q1位于坐标原点处,正电荷Q2位于x轴上,Q2的电荷量大小为Q1的8倍。若这两点电荷在x轴正半轴的x=x0处产生的合电场强度为0,则Q1、Q2相距
√
真题
2
衔接教材 粤教版P18T2
如图是带电量不同的正、负点电荷的电场线,其中A、B、C三点的位置如图所示,点A和点C到正点电荷的距离相等。
(1)在A、B、C三点中,试探电荷置于哪一点时所受到的电场力最大?
(2)把一个正点电荷置于点A,试作出电场作用于该电荷上的力的示意图。
(3)把一个负点电荷置于点B,试作出电场作用于该电荷上的力的示意图。
衔接分析 该高考题以非等量异种电荷形成的电场为素材创设探究电场叠加的问题情境,与粤教版P18T2物理情境类似。
该题主要考查点电荷的场强公式以及电场的叠加等知识,比较简单,但可以在此基础上拓展考查电势、电势能等知识。
针对练1.如图所示,真空中有两个点电荷Q1=4×10-8 C和Q2=1×10-8 C分别固定在x坐标轴的x=0 cm和x=6 cm的位置上。关于x轴上各点,下列说法正确的是
A.x=4 cm处的电场强度为零
B.x=2 cm处电势低于x=3 cm处
C.x=3 cm处电场强度大于x=5 cm处
D.负电荷在x=7 cm处的电势能大于x=8 cm处
√
根据题意可知,电场强度为零处位于Q1、Q2之间,设与Q1相距a处的场
强为零,根据电场叠加原理得k= ,解得a=4 cm,则
x=4 cm处的电场强度为零,选项A正确;电场由x=2 cm处 指向x=3 cm 处,沿电场线方向电势降低,即x=2 cm处的电势高于x=3 cm 处,选项B错误;
通过计算可以发现 x=3 cm处的电场强度为E3=3×105 N/C,x=5 cm处的电场强度为E5=7.56×105 N/C,则x=3 cm处的电场强度小于x=5 cm处,选项C错误;x=7 cm处的电势高于x=8 cm处,故负电荷在
x=7 cm处的电势能小于x=8 cm处的,选项D错误。故选A。
针对练2.如图所示,真空中有两个点电荷Q1=+2.0×10-8 C和Q2=
-4.0×10-8 C,分别固定在 x坐标轴上,其中Q1位于x=0处,Q2位于x=6 cm处。下列判断正确的是
A.在x轴上场强为0的点有两处
B.在x>6 cm的区域,电势沿x轴正方向降低
C.质子从x=1 cm运动到x=5 cm的过程中,电势能增加
D.在x>6 cm的区域,场强沿x轴负方向
√
某点的电场强度是正电荷Q1和负电荷Q2在该处产生的电场的叠加,是合场强,根据点电荷的场强公式E=k ,所以要使电场强度为零,那么正电荷Q1和负电荷Q2在该处产生的场强必须大小相等、方向相反,不会在Q2的右边,因为Q2的电荷量大于Q1,也不会在Q1、Q2之间,因为它们电性相反,在Q1、Q2之间的电场方向都向右,所以只能在Q1左边,即在x轴上电场强度为0的点只有一处,故A错误;
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由选项A的分析可知,在x>6 cm区域,场强沿x轴负方向,则电势沿x轴正方向升高,故B错误,D正确;从x=1 cm到x=5 cm,场强沿x轴正方向,质子从x=1 cm运动到x=5 cm过程中,电场力做正功,电势能减小,故C错误。故选D。
易错辨析 强化落实
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1.(非点电荷产生的电场的电场强度的计算)如图所示,一半径为R的圆盘上均匀分布着电荷量为Q的电荷,在垂直于圆盘且过圆心c的轴线上有a、b、d三个点,a和b间、b和c间、c和d间的距离均为R,在a点处有一电荷量为q(q>0)的固定点电荷。已知b点处的电场强度为零,则d点处的电场强度大小为(静电力常量为k)
√
易错分析 本题的易错点是非点电荷的电场强度的求法,解决本题的关键是根据b点处的电场强度为零求解Q在d点产生的电场强度。
2.(带电粒子的运动轨迹与电场线、等势线的关系)如图所示,实线是匀强电场的电场线,带电粒子q1、q2分别从A、C两点以初速度v垂直射入电场,其运动轨迹分别是图中的ABC、CDA。已知q1带正电,不计粒子重力和阻力,则下列说法中正确的是
A.q2带正电
B.A点的电势低于C点的电势
C.电场力对q1做正功,对q2做负功
D.q1、q2的电势能均减小
√
由做曲线运动的条件可知,q1所受电场力水平向右,
q1带正电,则电场方向向右,q2所受电场力水平向
左,q2带负电,故A错误;电场线水平向右,沿电
场线的方向电势降低,则A点的电势高于C点的电势,
故B错误;由题图可知,电场力与运动方向成锐角,电场力对q1、q2都做正功,q1、q2的电势能都减小,故C错误,D正确。
易错分析 本题的易错点是带电粒子的受力方向,解决此类问题的关键是掌握做曲线运动的条件以及电场力与电场线的关系。
3.(用等分法求电势和电场强度)如图,在△ABC中,∠B为直角,∠A=60°,AB=4 cm,空间中存在一匀强电场,其方向平行于△ABC所在的平面,A、B、C三点的电势分别为0 V、2 V、8 V,则该电场的电场强
度为
√
易错分析 本题的易错点是等势线的确定,根据等分法确定等势线,与等势线垂直且电势降低的方向就是电场强度的方向。
4.(电场中的图像问题)(多选)某静电场沿x轴方向上的电势分布如图所
示,则
A.在O~x1之间不存在沿x方向的电场
B.在O~x1之间存在着沿x方向的匀强电场
C.在x1~x2之间存在着沿x方向的匀强电场
D.在x1~x2之间存在着沿x方向的非匀强电场
√
√
在φ-x图像中,图线的斜率表示沿x方向的电场,O~x1之间图线的斜率为0,所以在O~x1之间不存在沿x方向的电场,A正确,B错误;在x1~x2之间电势均匀减小,图线的斜率不变,即Ex不变,在x1~x2之间存在沿x方向的匀强电场,C正确,D错误。
易错分析 本题的易错点是根据电势的降低判断电场强度的方向,实际在φ-x图像中,图线的斜率表示电场强度。
5.(电场中的功能关系)如图所示,在倾角为θ的光滑斜面底端O固定一带正电物体甲,将另一带电体乙从斜面上的B点由静止释放,沿斜面下滑距离s到达A点时达到最大速度v。已知带电体乙的质量为m,电荷量为q,重力加速度为g,甲、乙均可视为点电荷。求:
(1)乙所带电荷的电性;
答案:正电
由于带电体乙到达A点时达到最大速度,可知此时加速度为0,受到甲的库仑力沿斜面向上,又因为甲带正电,所以乙带正电。
(2)物体甲在A点产生电场强度大小;
(3)A、B两点间的电势差UAB。
由B到A由动能定理有
qUBA+mgssin θ= mv2-0解得UBA=
则UAB=-UBA= 。
易错分析 本题的易错点是点电荷形成的电场中两点间的电势差不能用Ed表示,要用动能定理结合qU表示。
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单元检测卷
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1.下列物理量中与检验电荷q的大小有关的是
A.电场强度E B.电势φ
C.电势能Ep D.电势差U
√
电场强度E与场源电荷及检验电荷所在位置有关,与检验电荷q的大小无关,故A错误;电势φ与电场及检验电荷所在位置有关,与检验电荷无关,故B错误;电势能Ep=qφ与检验电荷q的大小以及电性都有关系,故C正确;电势差U与两点的电势有关,与检验电荷q的大小无关,故D错误。故选C。
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2.(2024·广东广州段考)下列说法中,正确的是
√
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3.如图所示,电荷量为Q的带电体固定放置,电量为q的小球用绝缘丝线悬挂,在库仑力作用下,丝线偏离竖直方向的角度为α,下列判断正确的是
A.Q减小时,α增大
B.Q减小时,α不变
C.Q增大时,α减小
D.Q增大时,α增大
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4.两个固定的等量异种电荷所产生的电场的等势面如图中虚线所示,一带负电的粒子以某一速度从图中A点沿图示方向进入电场在纸面内飞行,最后离开电场,粒子只受到静电力作用,则粒子在电场中
A.做直线运动,电势能先变小后变大
B.做直线运动,电势能先变大后变小
C.做曲线运动,电势能先变小后变大
D.做曲线运动,电势能先变大后变小
√
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根据等势面与电场线垂直,可知粒子所受静电力方向与速度方向不在同一直线上,所以粒子做曲线运动,A、B错误;带负电的粒子先靠近固定的正电荷,后又远离正电荷,电场力先做正功后做负功,粒子的电势能先变小后变大,C正确,D错误。
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5.(2024·广东广州期末)在α粒子散射实验中,虚线是以原子核P为圆心的同心圆,相邻两个同心圆之间的间距相等,实线为一α粒子运动的轨迹,a、b、c为轨迹上的三个点。则
A.α粒子在a点的加速度最大
B.α粒子在a点的动能最小
C.α粒子在b点的电势能最大
D.两点间的电势差
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α粒子和原子核间的库仑斥力产生加速度,由牛顿第二定
律可得a= ,α粒子在a点与原子核P的距离最大,
加速度最小,故A错误;由题图可知,α粒子从a到b过程,库仑斥力做负功,α粒子的动能减小,电势能增大,从b到c过程,库仑斥力做正功,α粒子的动能增大,电势能减小,则α粒子在b点的动能最小,电势能最大,故B错误,C正确;根据点电荷电势分布特点可知,每个同心圆都是等势面,则有 = ,故D错误。故选C。
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6.如图所示,虚线表示等势面,相邻两等势面间的电势差相等,有一电子在该电场中运动,实线表示该电子的运动轨迹,电子在a点的动能等于28 eV,运动到b点时的动能等于4 eV,若取c点为零电势点,当这个电子的电势能等于-6 eV时,它的动能等于(“eV”是能量单位,代表一个电子经过1 V的电场加速后所获得的动能)
A.16 eV
B.18 eV
C.6 eV
D.8 eV
√
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电子从a点运动到b点的过程,由动能定理得Wab=Ekb
-Eka=4 eV-28 eV=-24 eV,由于相邻两等势面
间的电势差相等,故电势差的大小关系为Uab=-3Ubc,
故Wab=-3Wbc。从b到c电场力做正功,根据动能定理
有Wbc=Ekc-Ekb,联立解得Ekc=12 eV,由于只有电场力做功,电子的电势能和动能之和保持不变,在c点,有E=Epc+Ekc=12 eV,即电子的电势能和动能之和为12 eV,因此当电势能等于-6 eV时,动能为18 eV,故B正确。
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7.(2024·广东广州期中)如图所示,在匀强电场中有边长为5 cm 的等边三角形ABC,三角形所在平面与匀强电场的电场线平行。O点为该三角形的中心,D、E、F分别为AB、BC和AC边的中点。三角形各顶点的电势分别为φA=2 V、φB=4 V、φC=6 V,下列说法正确的是
A.O点电势为4 V
B.匀强电场的场强大小为80 V/m,方向由A指向C
C.将电子由E点移到F点,电子的电势能减小了1 eV
D.在三角形ABC内切圆的圆周上,D点电势最低
√
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因为φE= V=5 V,因此将电子由E点移
到F点,电场力做功为WEF=qUEF=q =-1 eV,
电场力做负功,电子的电势能增加,即将电子由E点移
到F点,电子的电势能增加了1 eV,C错误;由题意可知,
过圆心O,作平行于AC的电场线,与内切圆上相交的两点分别为电势最高点和最低点,最低点不是D点,因此在三角形ABC内切圆的圆周上,D点电势不是最低,D错误。故选A。
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8.如图甲是某电场中的一条电场线,若有一质子以某一初速度仅在电场力的作用下,沿AB由A点运动到B点,所经位置的电势(φ)随距A点的距离(x)变化的规律如图乙所示。则以下关于质子的v-t图像、Ek-x图像、a -t图像、E(电势能与动能之和)-x图像,四种图像中可能正确的有
√
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φ-x图像斜率表示电场强度,由几何知识可知,电势(φ)随距A点的距离(x)均匀减小,图像的斜率不变,所以电场强度不变,质子做匀加速直线运动,故A正确,C错误;由动能定理得qEx=Ek-Ek0,即Ek=qEx+Ek0,所以动能与位移为一次函数关系,故B错误;由能量守恒定律可知,质子的动能和电势能之和保持不变,故D正确。
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9.如图所示,在x轴上相距为L的两点固定两个等量异种点电荷+Q、-Q,虚线是以+Q所在点为圆心、 为半径的圆,a、b、c、d是圆上的四个点,其中a、c两点在x轴上,b、d两点关于x轴对称。下列判断正确的是
A.b、d两点处的电势相同
B.四点中c点处的电势最低
C.b、d两点处的电场强度相同
D.将一正试探电荷沿圆周由a点移至c点,正试探电荷的电势能减小
√
√
√
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由等量异种点电荷的电场线分布及等势面特点可知,b、d两点处的电势相同,A正确;因为a、b、c、d点到点电荷+Q的距离相等,且c点到点电荷-Q的距离最近,所以四点中c点处的电势最低,B正确;b、d两点处的电场强度大小相等,方向不同,C错误;由于c点的电势低于a点的电势,将一正试探电荷沿圆周由a点移至c点,电场力做正功,正试探电荷的电势能减小,D正确。
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A.A、B、C三点的电场强度相同
B.电势差UOA=UAD
C.将一电子由C点分别移动到A、B两
点,电场力做功相同
D.电子在A点的电势能小于在D点的电势能
√
√
10.(2024·广东中山期中)如图所示,在空间直角坐标系O -xyz中,有一四面体C-AOB,C、A、O、B为四面体的四个顶点,且O 、A 、B 、C 。D 是x轴上一点,在坐标原点O处固定着+Q的点电荷,下列说法正确的是
(0,0,0)
(L,0,0)
(0,0,L)
(0,L,0)
(2L,0,0)
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根据点电荷的场强公式E= 可知,A、B、C
三点电场强度的大小相同,方向不同,故A错
误;根据点电荷电场强度的特点可知,OA段的
平均电场强度大于AD段的平均电场强度,所以
O、A两点间的电势差和A、D两点间的电势差不
相同,故B错误;根据点电荷周围等势面的特点可知,A、B、C三点在同一等势面上,故将一电子由C点分别移动到A、B两点,电场力做功都为零,故C正确;将电子从A点移动到D点,电场力做负功,电势能增加,电子在A点的电势能小于在D点的电势能,故D正确。故选CD。
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11.(7分)某同学取一对用绝缘柱支持的导体A和B,使它们彼此接触。起初它们不带电,贴在下部的金属箔是闭合的,做了如下的实验:
如图甲所示,把一带正电的物体D移近导体A(移近图乙的装置),贴在A、B下部的金属箔会张开,这时把A和B分开(如图丙所示),然后移去D,金属箔仍旧会张开,此时导体B________(选填“带正电”“带负电”或“不带电”),这种使金属导体带电的现象叫作___________现象,再让A和B接触,金属箔会________(选填“张开”或“闭合”)。
带正电
静电感应
闭合
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把一带正电的物体D移近导体A,由于静电感应,导体B的右端带正电荷,导体A的左端带负电荷,A、B下部的金属箔会张开,这时把A和B分开,然后移去D,则导体A带负电,导体B带正电。这种使金属导体带电的现象叫静电感应现象。由于静电感应,使得导体A和导体B带有等量的异种电荷,再让导体A和导体B接触,它们的电荷就会中和,中和之后,导体A和导体B都不带电,金属箔会闭合。
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12.(8分)(2023·广东肇庆高二月考)某物理兴趣小组探究影响电荷间静电力的因素,实验装置如图所示。
(1)带正电的小球A固定不动,带正电的小球B通
过绝缘丝线系在铁架台上,小球B会在静电力的
作用下发生偏离。把系在丝线上的带电小球B先
后挂在图中横杆上的P1、P2、P3等位置,实验时通过调节丝线长度,始终使A、B两球球心在同一水平线上,待小球B平衡后,测得丝线偏离竖直方向的角度为θ,A、B两球球心间的距离为r,小球B的质量为m,当地重力加速度大小为g,则A、B两球之间的静电力大小为________。(用题中涉及的物理量符号表示)
mgtan θ
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(2)通过分析A、B两球之间的静电力大小与A、B两球球心间的距离r的关系可知:两小球所带电荷量不变时,两小球间的静电力__________________
____________________。
随A、B两球球心间的距离的增大而减小
结合实验可知,两小球所带电荷量不变时,两小球间的静电力随A、B两球球心间的距离的增大而减小。
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(3)以上实验采用的方法是________。
A.微小量放大法
B.控制变量法
C.等效替代法
D.理想实验法
B
验中应用的研究方法是控制变量法,故选B。
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(4)若实验中小球A、B的电荷量分别为q1和q2,则静电力常量可表示为k=______________。(用题中涉及的物理量符号表示)
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13.(10分)如图所示,在绝缘水平面上的O点固定一电量为+Q的点电荷,在O点正上方高为r0的A处由静止释放某带电量为+q的小液珠,开始运动的瞬间小液珠的加速度大小恰好等于重力加速度g。已知静电力常量为k,两电荷均可看成点电荷,不计空气阻力。求:
(1)液珠开始运动瞬间所受库仑力的大小和方向;
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(2)运动过程中小液珠速度最大时其离O点的距离h。
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14.(14分)如图所示,在竖直平面内,光滑绝缘直杆AC与半径为R的圆周交于B、C两点,在圆心处有一固定的正点电荷,B点为AC的中点,C点位于圆周的最低点。现有一质量为m、电荷量为-q的套在杆上的带负电小球(可视为质点)从A点由静止开始沿杆下滑。已知重力加速度为g,A点距过C点的水平面的竖直高度为3R,小球滑到B点时的速度大小为2 。求:
(1)小球滑至C点时的速度大小;
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(2)A、B两点间的电势差;
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(3)若以C点作为参考点(零电势点),试确定A点的电势。
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15.(15分)如图所示,一电荷量为Q的正点电荷固定在倾角为30°的光滑绝缘斜面底部的C点,斜面上有A、B两点,且A、B和C在同一直线上,A和C相距L,B为AC中点。现将一带电小球从A点由静止释放,当带电小球运动到B点时速度正好又为零,已知带电小球在A点处的加速度大小为 ,静电力常量为k,求:
(1)小球所带电荷的电性;
答案:正电
依题意可知,小球从A到B先加速后减速,则小球带正电。
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(2)小球运动到B点时的加速度大小;
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(3)B和A两点间的电势差。(用k、Q和L表示)
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第一章
静电场的描述
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=k
如图所示,过B点作AC的垂线,则垂足D为AC的四等分点,因A、C两点的电势分别为0 V、8 V,可知D点的电势为2 V,则BD为等势线,电场方向由C指向A;根据E=可得电场强度E== V/m=100 V/m,故C正确。
答案:
答案:
=
+>
=
=
答案: 竖直向上
答案:r0
答案:
根据点电荷的电场特征可知,B、C所在的圆是等势线,所以小球从B到C电场力做的总功为零,由几何关系可得BC的竖直高度为hBC=R
根据动能定理有mg·R=mv-mv 解得vC=。
答案:-
小球从A到B,重力和电场力均做正功,由动能定理有mg·R+W电=mv 解得W电=mgR 又W电=-qUAB 则UAB=-。
答案:-
答案:
答案:
带电小球由A点运动到B点根据动能定理有mgsin30°·-qUBA=0
由mgsin30°-k=maA可得mg=k 解得UBA=。
$$