内容正文:
第十章 静电场中的能量
课时10.2 电势差
1. 理解电势差的概念及正、负值的含义。
2. 会用UAB=φA-φB及UAB=WAB/q进行有关计算。
3. 知道等势面的性质,了解常见等势面的特点。
4. 能在熟悉的情景中运用等势面模型解决实际问题。
(一)电势差
1. 定义:在电场中,两点之间电势的差值叫作电势差,也叫电压。
2. 定义式:电场中A、B两点的电势分别为φA、φB,则它们之间的电势差为UAB=φA-φB或UBA=φB-φA。所以有UAB=-UBA。
3. 静电力做功与电势差的关系
电场中A、B两点间的电势差UAB等于电场力所做的功WAB与试探电荷所带电荷量q的比值.
4. 对电势差的理解
(1) 电势差的大小与试探电荷无关,电场中两点间的电势差由电场本身的性质及两点的位置决定。在确定的电场中,两点间的电势差有确定的值,与零电势点的选取无关。
(2) 电势差是标量,有正负,无方向。正负表示电势的高低,比如UAB=-6 V,说明A点电势比B点电势低6 V。
(3) 电场中某点的电势可以看成是该点与零电势点的差值。
(二)等势面
1. 等势面:电场中电势相同的各点构成的面叫作等势面。
2. 等势面的性质
(1)在同一等势面上,任何两点的电势都相等,所以在同一个等势面上移动电荷时,静电力不做功。
(2)任何电场线一定与等势面垂直,并且由电势高的等势面指向电势低的等势面。
(3)等差等势面疏密表示电场的强弱。
(4)任意两个等势面不相交、不相切。
(5)处于静电平衡状态的导体是等势体,表面是等势面。
考点 常见典型电场的电场线和等势面及其综合应用
1. 常见电场的电场线及等势面分布
(1)点电荷电场的电场线及等势面
等势面及电势特点:
① 点电荷的等势面是以点电荷为球心的一组同心球面
② 相邻等势面间电势差相等时,离球心越远等势面越稀疏。
③ 在点电荷的电场中,越靠近正的场源电荷电势越高,负的场源电荷则相反。
④ 取无限远处电势为零时,正场源电荷的电场中各点电势都是大于零的,负场源电荷的电场中各点电势都是小于零的。
(2)匀强电场的电场线及等势面
等势面特点:
① 匀强电场的等势面是一簇垂直于电场线的平面。
② 匀强电场的等差等势面是互相平行、间距相等的平面。
(3)等量异种点电荷的电场线及等势面
等势面特点:两簇对称的曲面。
(4)等量同种(正)点电荷的电场线及等势面
等势面特点:两簇对称的曲面。
基础过关练
题组一 对电势差的理解
1.(2025江苏泰州期中)对于电场中A、B两点,下列说法中正确的是 ( )
A.电势差的定义式为UAB=,说明两点间的电势差UAB与电场力做功WAB成正比,与移动电荷的电荷量q成反比
B.A、B两点间的电势差是恒定的,不随零电势点的不同而改变,且UAB=-UBA
C.把负电荷从A点移动到B点,电场力做正功,则有UAB>0
D.A、B两点间的电势差UAB等于把单位电荷q从A点移动到B点时静电力所做的功
题组二 电势差与静电力做功、电势的关系
2.(2025辽宁大连期中)如图所示,在某点电荷(电荷量为+Q)形成的电场中,M点到点电荷的距离为r,N点到点电荷的距离为2r。已知到点电荷的距离为d的位置的电势φ=,k为静电力常量,则试探电荷(电荷量为+q)只在电场力作用下从M点运动到N点,该过程中的动能变化量为 ( )
A. B. C. D.
3.(2025云南曲靖月考)如图所示,匀强电场中A、B、C是一个三角形的三个顶点,∠ABC=∠CAB=30°,BC=2 m,已知电场线平行于三角形ABC所在的平面,一个电荷量为q=-2×10-6 C的点电荷由A移到B的过程中,电势能增加了1.2×10-5 J,由B移到C的过程中静电力做功6×10-6 J,下列说法正确的是 ( )
A.B、C两点间的电势差UBC=3 V
B.A点的电势低于B点的电势
C.负电荷由C点移到A点的过程,电势能增加
D.A点电势高于C点的电势
4.(教材习题改编)把电荷量为2×10-8 C的正点电荷从无穷远处移到电场中的A点,要克服电场力做功8×10-6 J。若把该电荷从无穷远处移动到电场中的B点,需克服电场力做功2×10-6 J。规定无穷远处电势为零,求:
(1)A点的电势;
(2)A、B两点间的电势差;
(3)把2×10-8 C的负电荷由A点移到B点电场力做的功。
题组三 等势面的特点
5.(2025北京海淀教师进修学校期中)如图所示,带箭头的实线表示某电场的电场线,虚线表示该电场的等势面,A、B为电场中的两点。下列说法正确的是 ( )
A.负电荷在A点的电势能小于在B点的电势能
B.正电荷在A点的电势能小于在B点的电势能
C.负电荷由A点到B点的过程中电场力做负功
D.正电荷在A点受到的电场力小于在B点受到的电场力
6.(2025河南驻马店月考)某电场的等势面如图所示,a、b、c、d、e为电场中的5个点,则 ( )
A.一正电荷从b点运动到a点,电场力做正功
B.电子在a点的电势能为3 eV
C.b点电场强度垂直于该点所在等势面,方向向右
D.b点的电场强度大小比e点的大
题组四 几种典型电场的等势面分布及应用
7.(2025黑龙江齐齐哈尔期中)如图为当兴奋在心肌中传播时人体表面的瞬时电势分布图,可等效为两等量点电荷周围的电势分布。图中实线为等差等势面,标在等势面上的数值表示该等势面的电势,a、b、c、d为等势面上的点,a、b为两电荷连线上关于连线中点对称的两点,c、d为两电荷连线中垂线上关于连线中点对称的两点。则下列说法正确的是 ( )
A.负电荷从b点移到d点,电势能增大
B.d、a两点间的电势差Uda=1.5 mV
C.a、b两点的电场强度等大反向
D.c、d两点的电场强度相同,从c到d的直线上电场强度先变大后变小
8.(2025江苏南京期中)在空间直角坐标系O-xyz中有一四面体O-ABC,其顶点坐标如图所示。在原点O固定一个电荷量为-Q的点电荷,下列说法正确的是 ( )
A.A、B、C三点的电场强度相同
B.平面ABC构成一个等势面
C.试探电荷+q自A点沿x轴负方向靠近O点的过程中,其电势能增大
D.若在A、B、C三点放置三个点电荷,-Q所受电场力的合力一定不为零
9.(2025重庆育才中学月考)两个位于纸面内的点电荷产生电场的等势面如图中实线所示,相邻等势面间的电势差相等。虚线MPN是一个电子在该电场中的运动轨迹,轨迹与某等势面相切于P点。则 ( )
A.两点电荷可能是异种点电荷
B.P点的电场强度比A点的电场强度小
C.A点的电势高于B点的电势
D.电子运动到P点时动能最大
10.(2025北京第四中学期中,改编)图中虚线a、b、c、d、f代表匀强电场内间距相等的一组等势面,相邻等势面间的距离为5 cm,已知平面b上的电势为2 V。一电子经过a时的动能为10 eV,从a到d的过程中克服电场力所做的功为6 eV。下列说法不正确的是 ( )
A.平面c上的电势为零
B.匀强电场的场强方向垂直等势面向右
C.该电子经过平面d时,其电势能为4 eV
D.该电子可能到达不了平面f
能力提升练
题组一 电场强度与电势(差)的综合问题
1.(2025湖南名校联考)如图所示,在一等边三角形的三个顶点上固定两个等量正点电荷和一个负点电荷,它们周围等势面的电势已在图中标注,O点为两正点电荷连线的中点,A、B、C三点分别在对应的等势面上,下列说法正确的是 ( )
A.O点的电场强度为零
B.A、B两点的电场强度相同
C.B、C之间的电势差为-40 V
D.电子在A点的电势能小于在C点的电势能
2.(2025北京东城期末)用试探电荷可以探测电场中场强和电势的分布情况。如图甲所示,两个固定的点电荷Q1、Q2连线的延长线上有a、b两点,Q1带正电。试探电荷+q仅受电场力作用,t=0时刻从b点沿着ba方向运动,t0时刻到达a点,其v-t图像如图乙所示,根据图像,下列判断正确的是 ( )
A.Q1、Q2带等量异种电荷
B.由b沿直线向a,各点电势先降低后升高
C.场强为零的点在b点和a点之间
D.a点电势比b点电势低
3.(创新题新考法)(2025江苏南京六校联合体调研)如图所示,正三棱柱ABC-A'B'C'的A点固定一个电荷量为+Q的点电荷,C点固定一个电荷量为-Q的点电荷,D、D'点分别为AC、A'C'边的中点,选无穷远处电势为0。则 ( )
A.B、B'两点的电场强度相同
B.将一负试探电荷从A'点移到C'点,其电势能增加
C.将一正试探电荷沿直线从B点移到D'点,电场力做正功
D.若在A'点和C'点分别再固定电荷量为+Q和-Q的点电荷,则D点的电场强度指向B点
4.(2025河南南阳第一中学月考)如图所示,竖直平面内光滑绝缘直杆ABC与水平面的夹角θ=30°,在O点处固定一正点电荷(电荷量未知),O点到B、C两点的距离相等。现将质量m=0.08 kg、电荷量q=-4×10-3 C、套在杆上的带负电小球从A点由静止开始释放。已知A、C两点间的距离d=2.0 m,B、C两点间的距离x=1.6 m,小球沿杆下滑到B点时的速度大小为3 m/s,重力加速度g取10 m/s2,不计空气阻力。
(1)求由A到B过程中,电场力对小球做的功WAB;
(2)求小球滑到C点时的速度大小vC;
(3)若规定A点的电势为零,求B点的电势φB。
5.(2025广东广州第二中学期中)如图所示,光滑绝缘细杆竖直放置在两个固定的等量正点电荷P、Q连线的中垂线上,A、B、C是细杆上的三个点,且AB=BC=L;点电荷P、Q到B、C的距离都是L。质量为m、电荷量大小为q的有孔带电小球(电性未知)套在杆上,从A点无初速度下滑,滑到B点时的速度大小vB=2。若等量点电荷的电荷量为Q(q≪Q),静电力常量为k,重力加速度为g。求:
(1)小球的电性以及A、B两点间的电势差U;
(2)小球到达C点时的速度大小vC和加速度大小a。
题组二 电场线、等势线与轨迹的综合问题
6.(2025广东广州期中)一只竖直向上的避雷针发生尖端放电时在空间形成的电场如图,在空间取一条水平线abc和一条圆弧线adc,b、d连线为a、c连线的中垂线,图中所画电场线关于直线bd对称,以下说法正确的是 ( )
A.adc是一条等势线
B.沿abc移动点电荷与沿adc移动点电荷电场力做的功相等
C.a、c两点的电场强度相同
D.正点电荷在b点比在d点受到的电场力大,且在b点比在d点的电势能大
7.(2025江苏南京第二十九中学期中)一种电子透镜的电场分布如图所示,虚线为等势面,相邻等势面间电势差相等。一电子仅在电场力作用下运动,其轨迹如图中实线所示,a、b是轨迹上的两点,下列说法正确的是 ( )
A.a点场强大于b点场强
B.a点电势高于b点电势
C.电子在a点的动能大于在b点的动能
D.电子在a点的电势能大于在b点的电势能
8.(2025湖北襄阳联考)如图所示,虚线为某静电场中的等差等势线(相邻两虚线间的电势差相等),实线为某带电粒子在该静电场中运动的轨迹,a、b、c、d为粒子的运动轨迹与等势线的交点,已知粒子只受静电力作用。下列说法正确的是 ( )
A.粒子在a、c两点的加速度大小一定相等
B.粒子在b、c两点的速度大小一定相等
C.粒子运动过程中速度一定先减小后增大
D.粒子在b点时的电势能一定比在d点时的电势能大
9.(2025辽宁大连第二十四中学期中)如图甲所示,A、B、C、D为匀强电场中的等势面,相邻等势面间电势差相等且间距为d,等势面与水平地面平行,电荷量为q、质量为m的带电小球垂直等势面D竖直向上抛出,恰能到达等势面A,该过程中小球的动能和机械能随高度h的变化关系如图乙,E0为已知量,重力加速度为g,不计空气阻力,则下列说法正确的是 ( )
A.小球初速度大小v0=
B.小球加速度大小为4g
C.小球抛出时重力势能为E0
D.电场强度大小为
答案与分层梯度式解析
第十章 静电场中的能量
2 电势差
基础过关练
1.B
2.B
3.D
5.B
6.A
7.D
8.D
9.C
10.C
1.B 电场中某两点间的电势差是由电场及两点的位置决定的,与移动电荷的电荷量、零电势点的选取以及电场力做功均无关,A、B两点间的电势差是恒定的,且UAB=-UBA,故A错误,B正确;把负电荷从A点移动到B点,电场力做正功,则A点电势较低,有UAB<0,故C错误;电场中A、B两点间的电势差UAB在数值上等于把单位正电荷q从A点移动到B点时静电力所做的功,故D错误。
2.B 根据点电荷电势公式可得,M点的电势为φM=k,N点的电势为φN=k,则M、N两点间的电势差为U=φM-φN=k-k=k;试探电荷从M点运动到N点,该过程中只有静电力做功,由动能定理可知,动能的变化量等于电场力做的功,故ΔEk=qU=,故B正确。
3.D 点电荷由B移到C的过程中静电力做功WBC=6×10-6 J,则B、C两点间的电势差为UBC== V=-3 V,故A错误;点电荷由A移到B的过程中,电势能增加,则电场力做负功,A、B两点间的电势差为UAB== V=6 V,结合UAB=φA-φB,可知A点的电势高于B点的电势,故B错误;A、C两点间的电势差为UAC=UAB+UBC=6 V+(-3 V)=3 V,知A点的电势高于C点的电势,所以负电荷由C点移到A点的过程中,电势能减小,故C错误,D正确。
4.答案 (1)400 V (2)300 V (3)-6×10-6 J
解析 (1)根据电势差的定义式可得,无穷远处与A点间的电势差U∞A== V=-400 V
而U∞A=φ∞-φA,又φ∞=0,
所以φA=400 V
(2)无穷远处与B点间的电势差为
U∞B== V=-100 V
所以φB=100 V
则A、B两点间的电势差为UAB=φA-φB=300 V
(3)把2×10-8 C的负电荷由A点移到B点,电场力做的功W=q'UAB=-2×10-8×300 J=-6×10-6 J。
5.B 根据沿着电场线方向电势降低,可知A点所在的等势面电势比B点所在等势面的电势低,根据Ep=qφ可知,正电荷在A点的电势能小于在B点的电势能,负电荷在A点的电势能大于在B点的电势能,故负电荷由A点运动到B点的过程中电场力做正功,故A、C错误,B正确;由于A点处的电场线比B点处的电场线更加密集,知A点的场强大于B点的场强,正电荷在A点受到的电场力大于在B点受到的电场力,故D错误。
6.A 根据电势能与电势的关系Ep=qφ,可知一正电荷从b点运动到a点,电势能减小,则电场力做正功,故A正确;电子在a点的电势能为Epa=-eφa=-3 eV,故B错误;由于电场线垂直于等势面,且沿电场线方向电势逐渐降低,知b点电场强度垂直于该点所在等势面,方向向左,故C错误;等差等势面越密集的地方,电场强度越大,则b点的电场强度大小比e点的小,故D错误。
7.D d点电势高于b点电势,负电荷从b点移到d点,电势能减小,A错误。d、a两点之间的电势差Uda=φd-φa=-1.5 mV,故B错误。由题意可知图示瞬时电势分布可等效为等量异种点电荷周围的电势分布,a、b为两等效点电荷连线上关于连线中点对称的两点,c、d为两等效点电荷连线的中垂线上关于连线中点对称的两点,所以a、b两点的电场强度相同,c、d两点的电场强度相同;在同一电场中,等差等势面越密集的地方,电场越强,结合题图中等差等势面的密集程度可判断出从c到d的直线上电场强度先变大后变小,故C错误,D正确。
8.D 根据点电荷电场线的分布情况可知,A、B、C三点的电场强度大小相等,方向不同,而场强是矢量,则A、B、C三点的电场强度不同,故A错误;A、B、C三点电势相同,处于同一等势面上,但是A、B、C三点所在的等势面为球面,平面ABC不是等势面,故B错误;若试探电荷+q自A点沿x轴负方向靠近O点,电势降低,故电荷的电势能将减小,C错误;若在A、B、C三点放置三个点电荷,任意两个点电荷对-Q的电场力的合力与第三个点电荷对-Q的电场力不在同一直线上,所以三个点电荷对-Q的合力不可能为零,故D正确。
9.C
题图解读 假设电子从M运动到N,可获取的信息如图所示:
根据电荷间等势面的分布情况可知两点电荷带同种电荷,又根据电子在该电场中的运动轨迹可判断电子一直受到排斥力,故可知两点电荷为同种负电荷,故A错误;根据等差等势面的疏密程度可以判断A点的电场强度比P点的小,故B错误;因为两点电荷是同种负电荷,电场线由无穷远指向负电荷,故可知A点的电势高于B点的电势,故C正确;假设电子从M运动到N,根据电子的速度方向和电场力方向可知由M到P电场力做负功,电子的动能减小,由P到N电场力做正功,电子的动能增大,则电子运动到P点时动能最小,故D错误。
10.C 虚线a、b、c、d、f代表匀强电场内间距相等的一组等势面,一电子经过a时的动能为10 eV,从a到d的过程中克服电场力所做的功为6 eV,则到达d时的动能减小了6 eV,电势能增加了6 eV,因此等势面电势由a到f是降低的,a、b、c、d、f相邻两个等势面间的电势差为2 V,因平面b上的电势为2 V,则平面c上的电势为零,故A正确。由于等势面电势由a到f是降低的,故场强方向垂直等势面由a指向f,即向右,B正确;电子在平面b的电势能为-2 eV,动能为8 eV,电势能与动能之和为6 eV,当电子经过平面d时,动能为4 eV,电势能为2 eV(点拨:电子的动能和电势能之和保持不变),故C错误;由于题目中没有说明电子如何运动,则可能不会到达平面f,故D正确。
能力提升练
1.D
2.C
3.B
6.B
7.D
8.B
9.B
1.D 两个等量正点电荷在O处产生的合场强为零,负点电荷在O处产生的场强不为零,根据场强的叠加原理可知,O点场强不为零,故A错误;静电场中某点的电场强度方向与该点的等势面垂直且指向电势降低的方向,由图可知,A点的场强方向斜向左上方,B点的场强方向斜向右上方,A、B点场强方向不同,故B错误;B、C之间的电势差UBC=φB-φC=25 V-(-15 V)=40 V,故C错误;电子在A点的电势能为EpA=-25 eV,电子在C点的电势能为EpC=15 eV,所以电子在A点的电势能EpA小于在C点的电势能EpC,故D正确。
2.C 由v-t图线的斜率表示加速度,可知试探电荷在a、b点间某处的加速度为零,试探电荷受到的电场力为零,故场强为零的点在a点和b点间某处,Q2带负电荷;根据点电荷场强公式E=可知,Q1、Q2带的电荷量不相等,Q1>Q2,A错误,C正确。试探电荷从b点向a点运动过程中,速度先减小后增大,可知电场力先做负功后做正功,则电势能先增大后减小,故由b沿直线向a,各点电势先升高后降低,B错误。试探电荷从b点到a点,根据动能定理有qUba=m-m<0,且Uba=φb-φa,可得φb<φa,故D错误。
3.B B、B'两点位于A、C连线的中垂面上,由等量异种点电荷周围的电场分布可知,B、B'两点的电场强度方向均平行于AC,方向由A指向C,但B'点离AC较远,故B点的电场强度大于B'点的电场强度,A错误;根据等量异种点电荷周围的电场线分布可知,A'点电势高于C'点电势,故带负电的试探电荷从A'点移到C'点,电势能增加,B正确;由几何知识可知,BDD'B'为A、C连线的中垂面,也就是等势面,各处电势相等,电荷在等势面上各点时电势能相等,故正试探电荷沿直线从B点移到D'点电场力不做功,C错误;A'、C'两点处等量异种点电荷在D点产生的合场强方向由A指向C,与A、C处等量异种点电荷在D点产生的电场强度的方向相同,所以D点的场强方向由D指向C,D错误。
4.答案 (1)0.2 J (2)5 m/s (3)50 V
解析 (1)小球从A运动到B的过程中,根据动能定理有WAB+mgxAB sin θ=m
其中xAB=d-x,解得WAB=0.2 J
(2)小球从A运动到C的过程中,根据动能定理有WAB+WBC+mgd sin θ=m
由于O点到B、C两点的距离相等,则UBC=0,可知WBC=qUBC=0,解得vC=5 m/s
(3)根据WAB=qUAB,UAB=φA-φB,φA=0
得φB=50 V
5.答案 (1)负电 - (2)
解析 (1)小球从A运动到B,只有重力和电场力做功,由动能定理可得W+mgL=m-0
解得W=mgL
可知电场力做正功,故电场力方向向下。
由等量同种正点电荷周围的电场线分布可知,从A到B场强方向竖直向上,所以小球带负电。
由WAB=qUAB,可得A、B两点间的电势差U=-
(2)由等量同种正点电荷周围的电势分布可知,B、C两点的电势相等(破题关键),小球从B到C,电场力做功为零,由动能定理可得mgL=m-m
解得小球到达C点时的速度大小为vC=
在C点,根据牛顿第二定律得mg-·cos 60°=ma
解得a=g-,故加速度的大小为
6.B 由于电场线与等势线垂直,因此adc圆弧不是一条等势线,故A错误。由对称性可知,a、c两点电势相等,可知沿abc移动点电荷与沿adc移动点电荷电场力做的功均为零,故B正确。a、c两点的电场强度大小相等,但是方向不同,故C错误。b点的电场线较d点的密集,可知b点场强比d点场强大,正点电荷在b点受到的电场力比在d点受到的电场力大;由于沿电场线方向电势降低,可知d点电势高于b点电势,则正电荷在b点的电势能比在d点的电势能小,故D错误。
7.D a点处的等差等势面较b点处的稀疏,则a点的场强小于b点的场强,故A错误。由电子的运动轨迹可知,沿管轴方向的电场力向右,由于电子带负电,所受电场力方向与场强方向相反,则场强方向向左,故a点电势低于b点电势;结合Ep=qφ可知,电子在a点的电势能大于在b点的电势能,故B错误,D正确。由于只有电场力作用,则电子的动能和电势能之和守恒,故电子在a点的动能小于在b点的动能,故C错误。
8.B 因a点处的等差等势线比c点处的密集,故a点处的电场强度大于c点处的电场强度,故粒子在a点受到的静电力大于在c点受到的静电力,结合牛顿第二定律可知,粒子在a点的加速度比在c点的加速度大,故A错误;b、c两点的电势相等,则粒子在b、c两点的电势能相等,由能量守恒定律可知,粒子在b、c两点的动能相等,速度大小相等,故B正确;由粒子运动轨迹弯曲的方向及等势线与电场线垂直可知,粒子受到的静电力指向轨迹曲线内侧且垂直于等势线,若粒子从a运动到d,则粒子从a运动到b静电力做正功,粒子速度增大,从c运动到d静电力做负功,速度减小,故粒子在由a到d的运动过程中速度先增大后减小,同理,若粒子从d运动到a,粒子在由d到a的运动过程中的速度也先增大后减小,故C错误;因粒子由c到d的过程中静电力做负功,动能减小,电势能增大,即粒子在d点的电势能大于在c点的电势能,由于c点电势与b点电势相等,粒子在c点与b点电势能相等,故粒子在d点的电势能大于在b点的电势能,D错误。
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9.B 由题图乙可知,随高度的增加,小球的机械能、动能均减少,由功能关系可知,电场力做负功,又因为电场力方向与等势面垂直,故电场力方向竖直向下,则小球动能随高度减小得更快(破题关键),故上方图线为小球的动能随高度变化关系图线,则小球抛出时的初动能Ek0=4E0,根据Ek0=m,可得初速度大小v0=2,A错误;由A分析可知,下方图线为机械能随高度变化关系图线,则小球抛出时的机械能3E0=4E0+Ep0,故小球抛出时的重力势能为Ep0=-E0,C错误。对于小球从等势面D运动到等势面A过程,根据动能定理有0-4E0=-F合·3d=-(mg+qE)·3d,根据功能关系有3E0=qE·3d,解得E==,则上升过程中小球的加速度大小为a==4g,故B正确,D错误。
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