2020版高考物理总复习 第七章 第3节 电容器与电容 带电粒子在电场中的运动课件

第3节电容器与电容带电粒子在电场中的运动基础过关考点研析素养提升基础过关紧扣教材·自主落实一、电容器及电容1.电容器(1)组成:由两个彼此又相互靠近的导体组成.(2)带电荷量:一个极板所带电荷量的.(3)电容器的充、放电:①充电:使电容器带电的过程,充电后电容器两极板带上等量的,电容器中储存电场能.②放电:使充电后的电容器失去电荷的过程,放电过程中转化为其他形式的能.基础知识绝缘绝对值异种电荷电场能2.电容(1)定义:电容器所带的与两个极板间的的比值.(2)定义式:.(3)单位:法拉(F)、微法(μF)、皮法(pF).1F=μF=pF.(4)意义:表示电容器本领的高低.(5)决定因素:由电容器本身物理条件(大小、形状、相对位置及电介质)决定,电容器是否及无关.电荷量Q电势差UQCU1061012容纳电荷带电电压(2)决定式:C=4πrSkd,εr为介电常数,S为极板,d为板间距离.3.平行板电容器的电容(1)决定因素:,相对介电常数,两板间的距离.二、带电粒子在匀强电场中的运动示波管1.带电粒子在电场中的加速(1)在匀强电场中:W==qU=12mv2-12m20v.(2)在非匀强电场中:W==12mv2-12m20v.正对面积正对面积qEdqU自主探究如图所示,电子由静止开始从A板向B板运动,当到达B极板时速度为v,保持两板间电压不变.(1)当改变两板间距离时,v怎样变化?(2)当增大两板间距离时,电子在两板间运动的时间如何变化?(3)若把电源断开后,增大两板间距离时,到达B板时的速度v和运动时间又如何变化呢?答案:(1)由qU=12mv2,得v=2qUm,因此当改变两板间距离时,v不发生变化;(2)由d=12qUmdt2,得t=22mdqU,当d增大时,t也增大;(3)若把电源断开后,改变两板之间的距离时,电场强度不变,由qEd=12mv2得v=2qEdm,则d增大,v增大;由d=12qEmt2,得t=2mdqE,随d增大,时间t增大.2.带电粒子在匀强电场中的偏转(1)运动情况:如果带电粒子以初速度v0垂直电场强度方向进入匀强电场中,则带电粒子在电场中做类平抛运动,如图所示.(2)处理方法:将粒子的运动分解为沿初速度方向的运动和沿电场力方向的运动.根据的知识解决有关问题.匀速直线(3)基本关系式:运动时间t=0lv,加速度a=Fm=qEm=qUmd,偏转量y=12at2=,偏转角θ的正切值:tanθ=0yvv=0atv=.匀加速直线运动的合成与分解2202qUlmdv20qUlmdv(4)若粒子以相同速度进入电场,则比荷大的射出电场时的偏转角更;若粒子以相同动能进入电场,则电荷量大的射出电场时的偏转角更;若粒子以相同动量进入电场,则电荷量与质量乘积大的射出电场时的偏转角更.3.示波管的构造:①电子枪,②,③荧光屏.(如图所示)大大大偏转电极过关巧练1.思考判断(1)电容器所带的电荷量越多,它的电容就越大,C与Q成正比.()×(2)电容器所带电荷量是指每个极板上所带电荷量的代数和.()(3)一个电容器的电荷量增加ΔQ=1.0×10-6C时,两板间的电压升高10V,则电容器的电容C=1.0×10-7F.()(4)放电后电容器的电荷量为零,则电容为零.()(5)一般情况下,在研究电子、带电粒子(微粒)在电场中的运动时忽略其重力;在研究带电液滴、带电小球(带电体)在电场中的运动时要考虑重力.()×√×√2.(多选)如图所示,一带电小球以水平速度射入接入电路中的平行板电容器中,并沿直线打在屏上O点,若仅将平行板电容器上极板平行上移一些后,让带电小球再次从原位置水平射入并能打在屏上,其他条件不变,两次相比较,则再次射入的带电小球()A.将打在O点的下方B.将打在O点的上方C.穿过平行板电容器的时间将增加D.达到屏上动能将增加AD解析:仅将平行板电容器上极板平行上移一些后,电容器板间电压不变,由E=Ud分析得知板间电场强度减小,小球所受的电场力减小,小球将向下偏转,打在O点的下方,选项A正确,B错误;小球在平行板电容器中做类平抛运动,沿极板方向做匀速直线运动,所以运动时间t=0Lv,穿过电容器的时间t不变,选项C错误;极板未动时,小球做匀速直线运动.极板平行上移后,小球所受的合力做正功,动能增大,选项D正确.3.[人教版选修3-1·P39·T2]某种金属板M受到某种紫外线照射时会不停地发射电子,射出的电子具有不同的方向,其速度大小也不相同.在M旁放置一个金属网N.如果用导线将MN连起来,M射出的电子落到N上便会沿导线返回M,从而形成电流.现在不把M,N直接相连,而按图中那样在M,N之间加一个电压U,发现当U12.5V时电流表中就没有电流.已知电子的质量me=9.1×10-31kg.问:被这种紫外线照射出的电子,最大速度是多少?(结果保留三位有效数字)解析:如果电子的动能减少到等于0的时候,电子恰好没有到达N板,则电流表中就没有电流.由W=0-Ekm,W=-eU,得-eU=0-Ekm=-12mev2v=e2Uem=1931212.51.6109.110m/s≈2.10×106m/s.答案:2.10×106m/s考点研析核心探究·重难突破考点一平行板电容器的动态分析1.三先三后(1)先看常量,后看变量;(2)在变量中先看自变量,后看因变量;(3)先定性分析,再定量计算.2.平行板电容器的动态分析问题的两种情况归纳(1)平行板电容器充电后,保持电容器的两极板与电源的两极相连接:(2)平行板电容器充电后,切断与电源的连接:【典例1】(2018·河南适应性考试)(多选)如图所示,一平行板电容器的两极板与电压恒定的电源相连,极板水平放置,在下极板上叠放一定厚度的金属板,有一带电微粒静止在电容器上部空间的P点.当把金属板从电容器中快速抽出的瞬间,下列说法正确的是()A.电容器的电容减小B.极板间的电场强度减小C.P点的电势升高D.带电微粒的电势能减小ABD解析:由平行板电容器的决定式C=r4πSkd,定义式C=QU=QEd,当把金属板从电容器中快速抽出的瞬间,d增大,C减小,U不变,电场强度E减小,故A,B正确;开始时带电微粒在电容器中处于平衡状态,受到的电场力与重力大小相等,故带电微粒带正电,由于沿电场线方向电势逐渐降低,当把金属板从电容器中快速抽出的瞬间,P点在平行板中相对靠近负极板,故电势降低,带电微粒的电势能减小,故C错误,D正确.【针对训练】如图所示,一平行板电容器充电后与电源断开,负极板接地,在两极板间有一正电荷(电荷量很小)固定在P点,用E表示两极板间电场强度,U表示电容器的电压,Ep表示正电荷在P点的电势能.若保持负极板不动,将正极板移到图中虚线所示的位置,则()A.U变小,Ep不变B.E变大,Ep不变C.U变大,Ep不变D.U不变,Ep不变A解析:将正极板移到图中虚线所示的位置时,电容变大,根据C=QU可知,Q不变,U变小;又E=Ud=QCd=r4πkQS,由于Q不变,εr,S恒定,则电场强度E不变;由于电场强度E不变,P点与下极板电势差U=Ed0不变,所以P点电势φP不变,Ep不变.由以上分析可知选项A正确.考点二带电粒子在电场中的直线运动1.带电粒子在电场中运动时重力的处理(1)基本粒子:如电子、质子、α粒子、离子等,除有说明或明确的暗示以外,一般都不考虑重力(但并不忽略质量).(2)带电颗粒:如液滴、油滴、尘埃、小球等,除有说明或有明确的暗示以外,一般都不能忽略重力.2.带电粒子在电场中平衡的解题步骤(1)选取研究对象.(2)进行受力分析,注意电场力的方向特点.(3)由平衡条件列方程求解.3.解决带电粒子在电场中的直线运动问题的两种思路(1)根据带电粒子受到的电场力,用牛顿第二定律求出加速度,结合运动学公式确定带电粒子的运动情况.此方法只适用于匀强电场.(2)根据总功等于带电粒子动能的变化求解.此方法既适用于匀强电场,也适用于非匀强电场.【典例2】(2019·湖南长沙模拟)如图所示,互相绝缘且紧靠在一起的A,B物体,静止在水平地面上,A的质量为m=0.04kg,带电荷量为q=+5.0×10-5C,B的质量为M=0.06kg,不带电.两物体与水平面间的动摩擦因数均为μ=0.4,t=0时刻开始,空间存在水平向右的匀强电场,电场强度为E=1.6×104N/C,g取10m/s2.设运动过程中物体所带的电荷量没有变化.(1)求A,B的加速度及其相互作用力的大小;解析:(1)对整体分析,由牛顿第二定律有qE-μ(M+m)g=(M+m)a,加速度大小a=qEMmgMm=4m/s2隔离B分析,根据牛顿第二定律有F-μMg=Ma解得F=μMg+Ma=0.48N.答案:(1)4m/s20.48N(2)若t=2s后电场反向,且电场强度减为原来的一半,求物体B停下时两物体间的距离.解析:(2)t=2s时,A,B的速度大小v=at=4×2m/s=8m/st=2s后电场反向,且电场强度减为原来的一半此时A做匀减速运动的加速度大小aA=qEmgm=14m/s2B做匀减速运动的加速度大小aB=μg=4m/s2B速度减为零的时间tB=Bva=2s减速到零的位移大小xB=22Bva=8mA速度减为零的时间1At=Ava=47s减速到零的位移大小1Ax=22Ava=167mA反向做匀加速运动的加速度大小aA′=qEmgm=6m/s2则反向做匀加速直线运动的位移大小2Ax=12aA′(tB-1At)2=30049m则A,B的距离Δx=2Ax-1Ax+xB≈11.8m答案:(2)11.8m【针对训练】如图所示,平行板电容器的板间距离d=3cm,板与水平线夹角α=37°,两板所加电压为U=100V.有一带负电液滴,带电荷量为q=3×10-10C,以v0=1m/s的水平速度自A板边缘水平进入电场,在电场中仍沿水平方向并恰好从B板边缘水平飞出(取g=10m/s2,sinα=0.6,cosα=0.8).求:(1)液滴的质量;解析:(1)根据题意画出带电液滴的受力图如图所示,可得qEcosα=mg,E=Ud,解得m=cosqUdg代入数据得m=8×10-8kg.答案:(1)8×10-8kg(2)液滴飞出时的速度.解析:(2)因液滴沿水平方向运动,所以重力做功为零.对液滴由动能定理得qU=12mv2-12m20v,解得v=202qUvm=72m/s.答案:(2)72m/s考点三带电粒子在电场中的偏转1.基本规律设粒子带电荷量为q,质量为m,两平行金属板间的电压为U,板长为l,板间距离为d(忽略重力影响),则有(1)加速度:a=Fm=qEm=qUmd.(2)在电场中的运动时间:t=0lv.(3)位移02,1,2xvtvtlatyy=12at2=2202qUlmvd.(4)速度0,,xyvvvatvy=qUtmd,v=22xyvv,tanθ=yxvv=220qUlmvd.2.两个结论(1)不同的带电粒子从静止开始经过同一电场加速后再从同一偏转电场射出时的偏转角度总是相同的.证明;由qU0=12m20v及tan=20qUlmdv得tan=02UlUd.(2)粒子经电场偏转后,合速度的反向延长线与初速度延长线的交点O为粒子水平位移的中点,即O到电场边缘的距离为2l.3.求解电偏转问题的两种思路带电粒子经加速电场U1加速,再经偏转电场U2偏转后,需再经历一段匀速直线运动才会打到荧光屏上而显示亮点P,如图所示.(1)确定最终偏转距离OP的两种方法方法1:方法2:(2)确定粒子经偏转电场后的动能(或速度)的两种方法方法1:方法2:注意:利用动能定理求粒子偏转后的动能时,电场力做功W=qU=qEy,其中“U”为初末位置的电势差,而不一定是两极板间的电势差.4.带电粒子在匀强电场中偏转时间的讨论质量为m、电荷量为q的带电粒子,以初速度v0垂直于电场方向从极板中间射入匀强电场,已知极板间距为d,极板长度为L,极板间电压为U,带电粒子在匀强电场中的运动时间为t,则(1)带电粒子能穿出电场时,在电场中