内容正文:
专题强化(十二) 电场中的功能关系及图像问题
强化点一
强化点二
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备考目标
高三一轮总复习高效讲义(物理)
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电场中的功能关系
强化点一
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电场中的图像问题
强化点二
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专题强化卷(十二)
电场中的功能关系及图像问题
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1.掌握静电力做功的计算方法及电场中常用的功能关系。
2.掌握电场中的几种常见图像,并能分析相关问题。
几种常见的功能关系
(1)合外力做功等于动能的变化,即
W合=Ek2-Ek1=ΔEk(动能定理)。
(2)重力做功等于物体重力势能的变化,即
WG=EpG1-EpG2=-ΔEp。
(3)静电力做功等于电势能的变化,即
W电=Ep电1-Ep电2=-ΔEp电。
(4)弹簧弹力做功等于弹性势能的变化,即
W弹=Ep1-Ep2=-ΔEp弹。
(5)除了重力和弹簧弹力之外其他力做的总功等于物体机械能的变化,即
W其他力=E机2-E机1=ΔE机。
【例1】 (2024·吉林高考)在水平方向的匀强电场中,一带电小球仅在重力和电场力作用下于竖直面(纸面)内运动。如图,若小球的初速度方向沿虚线,则其运动轨迹为直线;若小球的初速度方向垂直于虚线,则其从O点出发运动到与O点等高处的过程中( )
A.动能减小,电势能增大
B.动能增大,电势能增大
C.动能减小,电势能减小
D.动能增大,电势能减小
解析:选D。根据题意可知,小球所受合力方向沿虚线向下,则其所受电场力方向水平向右,小球从O点运动到与O点等高处的过程做类平抛运动,小球的速度增大,动能增大,由于小球所受电场力与小球速度的夹角一直为锐角,则电场力做正功,小球的电势能减小,A、B、C错误,D正确。
【例2】 (多选)(2024·山东高考)如图所示,带电量为+q的小球被绝缘棒固定在O点,右侧有固定在水平面上、倾角为30°的光滑绝缘斜面。质量为m、带电量为+q的小滑块从斜面上A点由静止释放,滑到与小球等高的B点时加速度为零,滑到C点时速度为零。已知AC间的距离为s,重力加速度大小为g,静电力常量为k,下列说法正确的是( )
A.OB的距离l= eq \r(\f(\r(3)kq2,mg))
B.OB的距离l= eq \r(\f(\r(3)kq2,3mg))
C.从A到C,静电力对小滑块做功W=-mgs
D.AC之间的电势差UAC=- eq \f(mgs,2q)
解析:选AD。小滑块在B点处的加速度为零,则沿斜面方向有mg sin 30°= eq \f(kq2,l2) cos 30°,解得l= eq \r(\f(\r(3)kq2,mg)) ,A正确,B错误;小滑块从A到C的过程,由动能定理有W+mgs sin 30°=0,解得静电力对小滑块做的功为W=- eq \f(mgs,2) ,C错误;根据电场力做功与电势差的关系结合C项分析可知,AC之间的电势差UAC= eq \f(W,q) =- eq \f(mgs,2q) ,D正确。
[应考反思]当静电力为变力时,无法用功的定义求解静电力的功,此时可考虑用动能定理间接求解。
类型(一) 电场中粒子的v t图像
根据v t图像的速度变化、斜率变化(即加速度大小的变化),可确定电荷所受静电力的方向与静电力大小的变化情况,进而确定电场的方向、电势的高低及电势能的变化。
【例3】 (多选)(2025·宁夏银川模拟)一带负电粒子仅在静电力的作用下从A点沿直线运动到B点,速度由v1变为v2,其速度—时间图像如图所示,下列说法正确的是( )
A.A、B两点的电势关系为φA>φB
B.A点附近的等势面要比B点附近的等势面稀疏
C.A、B两点的电场强度大小关系为EA>EB
D.粒子从A点到B点的过程中,可能两次经过同一个等势面
解析:选AC。根据速度由v1变为v2,速度减小,可知静电力对粒子做负功,电势能增加。根据带电粒子在电场中的运动规律可知,负电荷“高势低能”,则φA>φB,故A正确;电场线密集的位置等势面密集,电场强度更大,则带电粒子受到的静电力更大,加速度大,在v t图像中斜率的绝对值更大,A处斜率的绝对值大于B处斜率的绝对值,则电场强度的关系EA>EB,A点附近的等势面要比B点附近的等势面密集,故B错误,C正确;粒子从A点到B点的过程中,速度一直减小,则静电力一直做负功,电势能一直增大,故不可能两次经过同一个等势面,故D错误。
类型(二) 电势的φ x图像(电场方向与x轴平行)
(1)电场强度的大小等于φ x图像的斜率的绝对值,电场强度为零处,φ x图像存在极值,其切线的斜率为零。
(2)在φ x图像中可以直接判断各点电势的大小,并可根据电势大小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。
【例4】 (2024·重庆高考)沿空间某直线建立x轴,该直线上的静电场方向沿x轴,其电势φ随位置x变化的图像如图所示,一电荷量为e带负电的试探电荷,经过x2点时动能为1.5 eV,速度沿x轴正方向,若该电荷仅受电场力,则其将( )
A.不能通过x3点
B.在x3点两侧往复运动
C.能通过x0点
D.在x1点两侧往复运动
解析:选B。带负电的试探电荷在x2处动能为1.5 eV,电势能为-1 eV,总能量为0.5 eV,且试探电荷速度沿x轴正方向,在x2~x3区域试探电荷受到沿x轴正方向的静电力,做加速运动,在x3处速度最大,试探电荷继续运动到x3右侧,做减速运动,当速度为零时,电势能为0.5 eV,即运动到电势为-0.5 V处减速到零,开始向x轴负方向运动,后反向回到x2处动能仍为1.5 eV,继续向左运动,在电势为-0.5 V处减速到零又反向,不会运动到x0、x1处,即试探电荷在x3点两侧往复运动,故B正确。
类型(三) 电场强度的 E x图像
(1)E x图像反映了电场强度随位移变化的规律,E>0表示电场强度沿x轴正方向;E<0表示电场强度沿x轴负方向。
(2)由E x图像可以确定电场强度的变化情况,电势的变化情况,还可确定粒子的电性、动能变化、电势能变化等情况。
(3)E x图像与x轴所围图形的“面积”表示电势差,两点的电势高低根据电场方向判定。
【例5】 (2025·浙江金华模拟)在x轴上 A、B两点分别放置两电荷q1和q2,规定电场强度沿x轴正方向为正,在x轴上的电场强度随x的变化图线如图所示,P、Q为x轴上关于A点对称的两个点,且AO>BO,O点电场强度为零,则( )
A.两电荷为不等量异种电荷
B.O点电势小于0
C.一个电子在P和Q点的电势能大小为EP<EQ
D.一个正电荷在Q点静止释放,它可以在x轴上做机械振动
解析:选D。根据点电荷电场强度公式结合电场的叠加可知,两电荷为不等量同种电荷,故A错误;规定电场强度沿x轴正方向为正,则点电荷带正电,根据沿着电场线电势逐渐降低可知,O点电势大于0,故B错误;Q点靠近B电荷,结合对称性可知,Q点电势高于P点电势,根据电势能的计算公式E=qφ,可知一个电子在P和Q点的电势能大小为EP>EQ,故C错误;一个正电荷在Q点静止释放,先受向右的电场力,再受向左的电场力,在O点电场力为0,则粒子可以在x轴上做机械振动,故D正确。
类型(四) 电势能的 Ep x图像
(1)根据电势能的变化可以判断电场力做功的正负,电势能减小,静电力做正功;电势能增加,静电力做负功。
(2)根据ΔEp=-W=-Fx,图像Ep x斜率的绝对值表示静电力的大小。
【例6】 (2025·江西南昌模拟)如图甲所示,平面直角坐标系y轴上的P点固定一点电荷,选无限远处电势为0,一带负电的试探电荷在x轴上具有的电势能Ep随x变化的图像为如图乙所示的曲线。下列说法正确的是( )
A.x轴上O点的电势最低
B.O点的电场强度沿y轴负方向
C.乙图上某点的斜率表示该点的电场强度
D.乙图上某点的斜率表示试探电荷在该点受到的电场力
解析:选A。由图乙可知,在x轴上O点,试探电荷的电势能最大,试探电荷带负电,在x轴上O点的电势最低,故A正确;在x轴上O点的电势最低,可知P点处点电荷带负电,O点的电场强度沿y轴正方向,故B错误;Ep x图像为带负电的试探电荷在x轴上具有的电势能Ep随x变化的曲线,可知图像上某点的斜率表示试探电荷在该点受到的电场力沿x轴的分量,故C、D错误。
【基础落实练】
1.如图所示,空间有一带正电的点电荷,图中的实线是以该点电荷为圆心的同心圆,这些同心圆位于同一竖直平面内,MN为一粗糙直杆,A、B、C、D是杆与实线圆的交点,一带正电的小球(视为质点)穿在杆上,以速度v0从A点开始沿杆向上运动,到达C点时的速度为v,则小球由A点运动到C点的过程中,下列说法正确的是( )
A.小球减少的机械能一定等于克服摩擦力做的功
B.小球减少的机械能一定大于克服摩擦力做的功
C.小球的机械能守恒
D.小球的机械能增大
解析:选B。小球由A点运动到C点,重力做负功,重力势能增加,静电力做的总功为负功,电势能增加,摩擦力做负功,产生热量,由能量守恒定律知,小球减少的机械能等于增加的电势能与产生的热量之和,故A错误,B正确;静电力和摩擦力都做负功,小球的机械能一定减少,故C、D错误。
2.如图所示,在方向竖直向下的匀强电场中,两个质量相同、带电荷量分别为-q和+q的小球a、b固定于绝缘轻杆的两端,轻杆可绕中点O处的固定轴在竖直面内无摩擦转动。已知O点电势为0,不考虑带电小球间的相互作用力,以O点所在水平面为零势能面,杆从静止开始由水平位置顺时针转动180°的过程中( )
小球a、b总动能一直增加
B.小球a、b系统机械能始终不变
C.小球a、b系统电势能始终不变
D.小球a、b任一时刻的电势能相等
解析:选D。静电力对a球先做正功再做负功,对b球也是先做正功再做负功,所以杆从静止开始由水平位置顺时针转动90°的过程中,小球a、b与轻杆组成的系统电势能减小,总动能增加,机械能增加;杆从90°转到180°的过程中,系统电势能增大,总动能减小,机械能减小,最后与初始位置的电势能相等,机械能也相等,总动能为零,故A、B、C错误。由于O点处电势为零,由W电=0-Ep,在匀强电场中W电=Eqx,因为两小球运动过程中在任一时刻竖直方向上的位移大小相同,所以小球a、b任一时刻的电势能相等,D正确。
3.(2024·湖南高考)真空中有电荷量为+4q和-q的两个点电荷,分别固定在x轴上-1和0处。设无限远处电势为0,x正半轴上各点电势φ随x变化的图像正确的是( )
解析:选D。无限远处电势为0,根据点电荷的电势公式φ=k eq \f(Q,r) 可知,x正半轴上,电荷量为+4q的点电荷在x处产生的电势为φ1=k eq \f(4q,x+1) ,电荷量为-q的点电荷在x处产生的电势为φ2=-k eq \f(q,x) ,x正半轴上在x处的电势φx=k eq \f(4q,x+1) -k eq \f(q,x) ,可知在x= eq \f(1,3) 处电势为0,在x=0处电势接近负无穷大,故D正确。
4.如图甲所示,两个点电荷Q1、Q2固定在x轴上距离为L的两点,其中Q1带正电,位于原点O,a、b是它们连线延长线上的两点,其中b点与O点相距3L。现有一带电的粒子q以一定的初速度沿x轴从a点开始经b点向远处运动(粒子只受静电力作用),设粒子经过a、b两点时的速度分别为va、vb,其速度随坐标x变化的图像如图乙所示,则以下判断正确的是( )
A.Q1∶Q2=4∶9
B.b点的电场强度一定为零
C.a点的电势比b点的电势高
D.粒子在a点的电势能比在b点的电势能小
解析:选B。由题图乙可知,粒子在b点之前做加速运动,b点之后做减速运动,可知在b点加速度为0,由于粒子只受静电力,所以b点电场强度为0,且Q2带负电,因此k2),\s\do1(1)) eq \f(Q1,r)
-k2),\s\do1(2)) eq \f(Q2,r)
=0,解得Q1∶Q2=9∶4,故A错误,B正确;由上述分析可知,在ab段电场线方向由b指向a,沿电场线方向电势逐渐降低,故a点的电势比b点的电势低,故C错误;粒子从a到b过程中在做加速运动,故静电力做正功,电势能在减小,所以粒子在a点的电势能比在b点的电势能大,故D错误。
5.(2025·安徽黄山模拟)高大建筑物的顶端都装有避雷针来预防雷击。老师给同学们在实验室模拟尖端放电现象,原理如图所示。假设一电子在图中H点从静止开始只在电场力的作用下沿着电场线做直线运动。设电子在该电场中的运动时间为t,位移为x,速度为v,受到的电场力为F,电势能为Ep,运动经过的各点电势为φ,则下列四个图像可能合理的是( )
解析:选A。电子所受的电场力的方向与电场强度方向相反,所以电子向针状电极运动,电场强度逐渐增大,电场力逐渐增大,故B错误;电子的加速度a= eq \f(eE,m) ,电场强度增大,电子的加速度增大,速度—时间图线的斜率增大,故A正确;根据Ep=eEx,电场力做正功,电势能减小,电场强度增大,电势能—位移图线的斜率增大,C错误;根据φ= eq \f(Ep,e) ,Ep=eEx,解得φ=Ex,逆电场线运动电势升高,电场强度增大,电势—位移图线的斜率增大,故D错误。
【综合提升练】
6.(2025·江苏镇江模拟)在x轴附近固定有两个点电荷Q1和Q2,其连线与x轴平行。以无穷远处为电势零点,测得x轴上各点的电势φ随坐标x的分布如图所示。下列说法正确的是( )
A.x2处的电场强度为零
B.Q1和Q2带有异种电荷
C.将试探电荷+q从x1沿x轴正方向移到x3的过程中,电势能先增大后减小
D.将试探电荷+q从x1沿x轴正方向移到x3的过程中,电场力一直做正功
解析:选B。φ x图像的斜率表示电场强度,x2处图线的斜率不为零,则x2处的电场强度不为零,故A错误;以无穷远处为电势零点,则正电荷附近的点的电势大于零,而负电荷附近的电势小于零,由题图可知有的位置电势大于零,有的位置电势小于零,可知Q1和Q2带有异种电荷,故B正确;由题图可知将试探电荷+q从x1沿x轴正方向移到x3的过程中,电势先降低后升高,电场力先做正功后做负功,电势能先减小后增大,故C、D错误。
7.如图甲所示,在真空中固定的两个相同点电荷A、B关于x轴对称,它们在x轴上的E x图像如图乙所示(规定x轴正方向为电场强度的正方向)。若在坐标原点O由静止释放一个正点电荷q,它将沿x轴正方向运动,不计重力。则( )
A.A、B带等量正电荷
B.点电荷q在x1处电势能最大
C.点电荷q在x3处动能最大
D.点电荷q沿x轴正方向运动的最远距离为2x2
解析:选D。由E x图像可知,在x轴上的P点对应x2点,在P点的左侧电场强度为正值,沿x轴正方向,右侧为负值,可知A、B带等量负电荷,A错误;电荷量为q的正点电荷,从O点到P点,静电力做正功,电势能减小,从P点沿x轴正方向运动,静电力做负功,电势能增加,因此点电荷q在x1处电势能不是最大,且点电荷q在x2处动能最大,B、C错误;由对称性可知,点电荷q沿x轴正方向最远能到达O′处,由动能定理qUOO′=ΔEk=0,则UOO′=0,由对称性知O′与O关于P点对称,故点电荷q沿x轴正方向运动的最远距离为2x2,D正确。
8.(多选)A、B两个点电荷分别固定于x轴上,电荷量大小关系为QA=4QB。在它们形成的电场中,将试探电荷+q沿x轴从+∞移动到坐标原点O,其电势能Ep随x变化的关系如图所示,当x→0时,电势能Ep→+∞;当x→∞时,电势能Ep→0。根据图像提供的信息,可以确定( )
A.在x轴上0<x<x0上各点的电场方向均沿x轴正方向
B.A电荷在x轴上的坐标为-x0
C.A电荷为正电荷
D.B电荷在x轴上的坐标为原点O
解析:选ABD。在x轴上0<x<x0的区域,随着x增大,电场力做正功,电势能减小,根据Ep=qφ,则电势逐渐减小,电场强度的方向指向电势降低的方向,所以该区域电场方向应该是沿x轴正方向,故A正确。图线Ep x
的斜率表示试探电荷所受的电场力大小,因为电场力F=qE,所以也可以用斜率表示电场强度的大小,在x0处,图线的斜率为零,即该点的电场强度为
零,再结合图像特点可知两个点电荷为一正一负;当x→0时,电势能Ep→+∞,说明在x=0处一定为正电荷;根据E=k eq \f(Q,r2) 可以进一步判断,正电荷的电荷量小,B电荷为正电荷,离x0点的距离近,则负电荷电荷量大,A电荷为负电荷,故C错误,D正确。x0处的电场强度为零,正电荷在坐标原点,设负电荷距离原点为x,则2),\s\do1(0)) eq \f(kQB,x)
= eq \f(4kQB,(x+x0)2) ,解得x=x0,所以负电荷在x轴上的坐标为-x0,故B正确。
9.如图所示,竖直平面内足够长的光滑绝缘直杆与水平面的夹角α=30°,直杆的底端固定一电荷量为Q的带正电小球,M、N、P为杆上的三点。现将套在绝缘杆上有孔的带正电物块从直杆上的M点由静止释放。物块上滑到N点时速度达到最大,上滑到P点时速度恰好变为零。已知带电物块的质量为m、电荷量为q,M、P两点间的距离为x,静电力常量为k,不计空气阻力,重力加速度大小为g,带电体均可视为点电荷。则N点到直杆底端的距离r和M、P两点间的电势差UMP分别为( )
A.r= eq \r(\f(kQq,mg)) ,UMP= eq \f(mgx,2q)
B.r= eq \r(\f(kQq,mg)) ,UMP= eq \f(mgx,q)
C.r= eq \r(\f(2kQq,mg)) ,UMP= eq \f(mgx,2q)
D.r= eq \r(\f(2kQq,mg)) ,UMP= eq \f(mgx,q)
解析:选C。带电物块上滑到N点时,受到的库仑力大小F库=k eq \f(Qq,r2) ,带电物块上滑到N点时速度最大,此时带电物块所受的合外力等于零,根据受力平衡有F库=mg sin α,解得N点到直杆底端的距离r= eq \r(\f(2kQq,mg)) ,带电物块从M点到P点,根据动能定理有-mgx sin α+WMP=0,M、P两点间的电势差UMP= eq \f(WMP,q) ,解得M、P两点间的电势差为UMP= eq \f(mgx,2q) ,故C正确。
10.(2025·重庆渝中模拟)如图1所示,真空中固定一个半径为R、带电荷量为+Q的均匀带电小圆环,取中轴线为x轴,圆环圆心为坐标原点,向右为正方向,中轴线上的电场强度分布如图2所示。x1、x2是坐标轴上电场强度最大的两点,电场强度最大值为Em。已知点电荷q在距离为r处的电势为φ=k eq \f(q,r) ,k为静电力常量。则( )
A.Em=k2),\s\do1(2)) eq \f(Q,x+R2)
B.x2处电势为φ=k2),\s\do1(2)) eq \f(Q,\r(x+R2))
C.O点和x2处的电势差为 eq \f(Emx2,2)
D.若有带电量为-q(q>0)的粒子沿x轴从O点一直向右运动,则其电势能先增加后减小
解析:选B。圆环带正电,x负半轴电场强度向左,x正半轴电场强度向右,大小都先增加后减小,取坐标轴x处圆环极小部分在x处的电场为ΔE=k eq \f(ΔQ,(x2+R2)) ,沿x轴方向上分量ΔEx=k,则坐标轴x处电场强度为E=∑ΔEx=,解得Em=k2),\s\do1(2)) eq \f(Qx2,(x+R2)\s\up6(\f(3,2)))
,故A错误;
取坐标轴x处圆环极小部分在x处的电势为φ=k,电势为标量,则代数相加φ=k,故B正确;E x中面积表示电势差,则O点和x2处的电势差大于 eq \f(Emx2,2) ,故C错误;负粒子从O点向右运动,电势减小,根据Ep=qφ可知,电势能增加,故D错误。
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