高考物理二轮复习精品资料Ⅰ 专题9 电场(同步课件)

专题九电场主干知识整合一、电场的性质1．电场强度与电场力(1)电场强度：反映电场的力的性质的物理量，矢量．电场中各点的电场强度由产生电场的场源电荷及各点的位置决定．(2)电场中各点的电场强度的大小和方向可由试探电荷受到的电场力的大小和方向确定：①大小：E＝Fq(适用于任何电场，其中q为试探电荷的电荷量)；②方向：与正电荷受到的电场力方向相同．2．电场力做功与电势能(1)电势和电势能的相对性：电场中某点的电势、电荷在电场中的电势能的数值大小与电势零点选取有关．(2)电场力做功与电势能的关系：电场力对电荷做的功等于电荷的电势能的减少量，即W＝－ΔEp.3．电势与电势差(1)电势与电势能：Ep＝qφ(运算时代正负号)．电势和电势能均为标量，电势的正负反映电势的高低，电势能的正负反映电荷电势能的大小．(2)电势差与电场力做功：WAB＝qUAB＝q(φA－φB)(运算时代入正负号)．注意：电势与场强无直接关系，零电势处可以人为选取，而场强是否为零则由电场本身决定．二、电场的形象描述1．电场线、等势面(1)电场线是对电场强度分布情况的形象描绘，等势面是对电势分布情况的形象描绘．(2)电场线和等势面的疏密表示电场强度的相对大小，场强方向与电场线上每一点的切线方向相同，场强方向与通过该处的等势面垂直且由高等势面指向低等势面．2．电场线与等势面关系(1)电场线与等势面垂直；(2)电场线由电势高的等势面指向电势低的等势面(沿着电场线的方向电势降落最快)；(3)电场线越密处，等差等势面也越密．专题九│主干知识整合3．等量同、异种电荷周围的电场等量同种电荷电场特征等量同种负点电荷电场线①大部分是曲线，起于无穷远，终止于负电荷；②两电荷连线上的电场线是直线电势取无穷远电势为零，则等量同种负电荷形成的电场中各点电势均为负值等量同种电荷电场特征等量同种负点电荷连线上场强①连线中点场强为零，关于中点对称的任意两点场强大小相等，方向相反，且都是背离中点；②顺着连线由一端到另一端，场强先减小再增大电势顺着连线由一端到另一端，电势先升高再降低等量同种电荷电场特征等量同种负点电荷中垂线上场强①中点场强为零，关于中点对称的任意两点场强大小相等，方向相反，都沿着中垂线指向中点；②由中点至无穷远处，场强先增大再减小至零，其中必定有一个位置场强最大电势中点电势最低，由中点至无穷远处电势逐渐升高至零说明：等量同种正点电荷电场特征此处从略，请读者自行对照总结.等量异种电荷电场特征电场线①大部分是曲线，起于正电荷，终止于负电荷；②两电荷连线上的电场线是直线电势①中垂面与无穷远处电势相等；②若取无穷远处电势为零，则正电荷与中垂面间各点电势为正值，负电荷与中垂面间各点电势为负值等量异种电荷电场特征连线上场强①中点场强最小但不等于零，关于中点对称的任意两点场强大小相等，方向相同，都是由正电荷指向负电荷；②由连线的一端到另一端，场强先减小再增大电势由正电荷到负电荷电势逐渐降低，中点电势为零(取无穷远处电势为零)等量异种电荷电场特征中垂线上场强①中点场强最大，关于中点对称的任意两点场强大小相等，方向相同，都是与中垂线垂直，由正电荷指向负电荷；②由中点至无穷远处，场强逐渐减小电势中垂线(面)是一个等势线(面)，电势为零三、电场的应用1．电容器(1)电容定义式：C＝QU；(2)平行板电容器的电容决定式：C＝εrS4πkd.2．加速和偏转带电粒子在电场中的加速问题一般选用动能定理求解，带电粒子在电场中的轨迹问题一般用曲线运动的速度、合力与轨迹的关系求解，带电粒子在匀强电场中的偏转一般用运动的分解与合成的方法求解．要点热点探究►探究点一电场的力的性质和能的性质1．电场力：电场对放入其中的电荷有力的作用，电场力的大小和方向由电场强度和电荷共同决定．电场力的大小与电场强度的大小及带电体所带的电荷量有关，大小为F＝qE；电场力的方向与电场强度的方向及电荷的电性有关，正电荷所受的电场力方向与电场方向相同．2．电势能：放在电场中的电荷的电势能由电势和电荷共同决定．电势能是标量，其大小与电势的高低及带电体所带的电荷量、电性有关，大小为Ep＝qφ，注意电势的正负及电荷的正负．3．比较电势高低的方法技巧(1)沿电场线方向电势降低，电场线由电势高的等势面指向电势低的等势面；(2)先判断出UAB的正负(如利用电场力做功WAB＝qUAB或其他方法)，再由UAB＝φA－φB比较φA、φB的高低；(3)取无穷远为零电势点，正电荷周围电势为正值，且离正电荷近处电势高；负电荷周围电势为负值，且离负电荷近处电势低．例1某电场的电场线分布如图3－9－1所示，以下说法正确的是()A．c点场强大于b点场强B．a点电势高于点b电势C．若将一试探电荷＋q由a点释放，它将沿电场线运动b点D．若在d点再固定一点电荷－Q，将一试探电荷＋q由a移至b的过程中，电势能减小例1BD【解析】根据电场线疏密表示电场强度大小，c点场强小于b点场强，选项A错误；根据沿着电场线电势逐渐降低，a点电势高于b点电势，选项B正确；若将一试探电荷＋q由点a释放，因受力方向沿电场方向(电场线的切线)，它不能沿电场线运动到b点，选项C错误；若在d点再固定一点电荷－Q，叠加后电势仍然是a高于b，故Uab＞0，将一试探电荷＋q由a移至b的过程中，由Wab＝qUab＞0，故电势能减小，选项D正确．【点评】本题考查了电场、电场线、电势、电势能等知识点，分析选项C时，应明确带电粒子轨迹与电场线重合的条件，即必须同时满足：①电场线是直线；②带电粒子初速度为零或初速度方向与电场线在一直线上；③只受电场力作用．下面的变式题则主要考查带电粒子在电场中的轨迹问题．一粒子从A点射入电场，从B点射出，电场的等势面和粒子的运动轨迹如图3－9－2所示，图中左侧前三个等势面彼此平行，不计粒子的重力．下列说法正确的有()A．粒子带负电荷B．粒子的加速度先不变，后变小C．粒子的速度不断增大D．粒子的电势能先减小，后增大例1变式题AB【解析】根据电场线与等势面垂直并指向电势低的等势面，可大致画出电场线的形状，在电场力的作用下粒子轨迹向下弯曲，根据曲线运动的特点，可以说明电场力指向轨迹内侧，与场强方向相反，所以粒子带负电，A正确；等势面先是平行等距，后变得稀疏，则电场强度先是不变，后变小，即电场力(加速度)先不变，后变小，B正确；根据电场力做功W＝qU，电场力做负功，所以粒子速度不断减小，C错误；电场力始终做负功，由功能关系可知，粒子电势能始终增加，所以D错误．►探究点二带电粒子在电场中的加速与偏转1．带电粒子在电场中的加速(1)带电粒子在匀强电场中的加速：可以应用牛顿运动定律结合匀变速直线运动的公式求解，也可应用动能定理qU＝12mv22－12mv21求解，其中U为带电粒子初末位置之间的电势差．(2)带电粒子在非匀强电场中的加速：只能应用动能定理求解．2．带电粒子在电场中的偏转(1)带电粒子在一般电场中的偏转：带电粒子做变速曲线运动，其轨迹总位于电场力方向和速度方向的夹角之间，且向电场力的方向偏转．(2)带电粒子在匀强电场中的偏转：带电粒子(不计重力)以某一初速度垂直于匀强电场方向进入匀强电场区域，粒子做匀变速曲线运动，属于类平抛运动，要应用运动的合成与分解的方法求解，同时要注意：①明确电场力方向，确定带电粒子到底向哪个方向偏转；②借助画出的运动示意图寻找几何关系或题目中的隐含关系．带电粒子在电场中的运动可从动力学、能量等多个角度来分析和求解．例2[2011·安徽卷]如图3－9－3甲所示，两平行正对的金属板A、B间加有如图乙所示的交变电压，一重力可忽略不计的带正电粒子被固定在两板的正中间P处．若在t0时刻释放该粒子，粒子会时而向A板运动，时而向B板运动，并最终打在A板上，则t0可能属于的时间段是()A．0t0T4B.T2t03T4C.3T4t0TD．Tt09T8例2B【解析】由U－t图象可以作出几个典型时刻开始运动对应的v－t图象，取向A板运动方向为正方向，如图所示：分别考虑在一个周期内带电粒子的运动情况．当t0＝0，粒子一直往B板运动．当t0＝T8，粒子先往B板运动，到7T8时往A板运动，在一个周期内总位移还是向B板．当t0＝T4，粒子先往B板运动，到3T4时往A板运动，在一个周期内总位移为零；同理也可以分析出其余几个典型时刻的运动情况．然后对运动情况总结如下：若0t0T4，则粒子先往B板运动，后往A板运动，最终打到B板，故选项A、D错误；若T4t0T2，则粒子先往B板运动，后往A板运动，最终打到A板．若T2t03T4，则粒子先往A板运动，后往B板运动，最终打到A板，故选项B正确；若3T4t0T，则粒子先往A板运动，后往B板运动，最终打到B板，故选项C错误．【点评】带电粒子在板间做匀变速直线运动，因两板间电势差周期性变化，粒子加速度随之周期性变化．带电粒子的运动随释放粒子的时刻不同而变化．借助速度－时间图象可通过分析几个特殊时刻释放的粒子的运动快速解题．例2是带电粒子在电场中的直线运动问题，变式题则是带电粒子在电场中的偏转问题．飞行时间质谱仪可以对气体分子进行分析．飞行时间质谱仪主要由脉冲阀、激光器、加速电场、偏转电场和探测器组成，探测器可以在轨道上移动以捕获和观察带电粒子．整个装置处于真空状态．加速电场和偏转电场的电压可以调节，只要测量出带电粒子的飞行时间，即可以测量出其比荷．如图3－9－4所示，脉冲阀P喷出微量气体，经激光照射产生不同价态的离子，自a板小孔进入a、b间的加速电场，从b板小孔射出，沿中线方向进入M、N板间的偏转控制区，到达探测器．已知加速电场a、b板间距为d，偏转电场极板M、N的长度为L1，板间距离为L2.不计离子重力及进入a板时的初速度．(1)设离子比荷为k(k＝qm)，若a、b间的加速电压为U1，试求离子进入偏转电场时的初速度v0.(2)当a、b间的电压为U1时，在M、N间加上适当的电压U2，离子从脉冲阀P喷出到到达探测器的全部飞行时间为t.请推导出离子比荷k的表达式．(3)在某次测量中探测器始终无法观察到离子，分析原因是离子偏转量过大，打到了极板上．请说明如何调节才能观察到离子．例2变式题(1)2kU1(2)2d＋L122t2U1(3)增大加速电压U1或减小偏转电压U2【解析】(1)设离子的带电量为q，质量为m，则有qU1＝12mv20解得：v0＝2qU1m＝2kU1(2)设离子在加速电场和偏转电场中的飞行时间分别为t1和t2，在加速电场中的加速度为a1，则：a1＝qU1md＝kU1dt1＝v0a1＝d2kU1t2＝L1v0＝L12kU1t＝t1＋t2＝d2kU1＋L12kU1解得：k＝2d＋L122t2U1(3)设离子在偏转电场中的侧移量为y，则y＝12a2t22＝12kU2L2·L212kU1＝U2L214U1L2要使偏转量y减小，则应减小偏转电压U2或增大加速电压U1►探究点三带电体在重力场和电场中的运动带电体在电场中运动时，如果重力远小于电场力，则其重力可忽略不计，如电子、质子、正负离子等微观粒子；但带电液滴、带电尘埃等带电体的重力一般不能忽略．带电体在重力场和电场构成的复合场中的运动形式多样，可能做直线运动、一般曲线运动、圆周运动等；研究对象可能为单个物体，也可能是多个物体组成的系统；研究方法与力学综合题的分析方法相近，因涉及电场力做功和电势能的变化问题，其机械能不再守恒，但机械能和电势能之和可能守恒，一般应用牛顿运动定律、运动学规律、动能定理和能量守恒定律求解．例3如图3－9－5所示，在界限MN左上方空间存在斜向左下与水平方向夹角为45°的匀强电场，场强大小E＝2×105V/m.一半径为R＝0.8m的14光滑绝缘圆弧凹槽固定在水平地面上．一个可视为质点的质量m＝0.2kg、电荷量大小q＝1×10－5C的带正电金属块P从槽顶端A由静止释放，从槽底端B冲上与槽底端平齐的绝缘长木板Q.长木板Q足够长且置于光滑水平地面上，质量为M＝1kg.已知开始时长木板有一部分置于电场中，图中C为界限MN与长木板Q的交点，B、C间的距