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文檔簡介
三年考情電場力的性質(zhì)2023·海南卷·T8、2023·山東卷·T11、2023·湖南卷·T5、2023·全國乙卷·T24、2022·遼寧卷·T10、2021·湖南卷·T4電場能的性質(zhì)2023·廣東卷·T9、2023·山東卷·T11、2023·湖北卷·T3、2023·遼寧卷·T9、2023·海南卷·T12、2023·全國乙卷·T19、2022·全國乙卷·T19、2022·江蘇卷·T9、2022·河北卷·T6、2022·山東卷·T3、2022·湖南卷·T2、2021·全國甲卷·T19、2021·全國乙卷·T15、2021·廣東卷·T6、2021·山東卷·T6、2021·河北卷·T10、2021·天津卷·T8電容器、帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)2023·山東卷·T15、2023·北京卷·T8、T19、2023·湖北卷·T10、2023·浙江6月選考·T12、2023·全國甲卷·T18、2022·重慶卷·T2、2022·江蘇卷·T15、2022·遼寧卷·T14、2022·湖北卷·T10、2021·全國乙卷·T20、2021·湖南卷·T9命題規(guī)律目標(biāo)定位本章主要考查庫侖定律、電荷守恒定律、電場強(qiáng)度、電場線、電勢(shì)與電勢(shì)差、電勢(shì)能、電場力做功等概念和規(guī)律的理解及應(yīng)用,還有帶電粒子在電場中的加速與偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用問題,命題常與生產(chǎn)生活中的實(shí)際情境相聯(lián)系,常以選擇題、計(jì)算題的形式呈現(xiàn),計(jì)算題中常與磁場知識(shí)等綜合命題考查。第1講電場力的性質(zhì)[課標(biāo)要求]1.了解靜電現(xiàn)象,能用電荷守恒的觀點(diǎn)分析靜電現(xiàn)象。2.知道點(diǎn)電荷模型,體會(huì)科學(xué)研究中建立物理模型的方法,掌握并會(huì)應(yīng)用庫侖定律。3.掌握電場強(qiáng)度的概念和公式,會(huì)用電場線描述電場。4.掌握電場強(qiáng)度疊加的方法,知道靜電的防止與利用??键c(diǎn)一電荷守恒定律與庫侖定律1.點(diǎn)電荷:有一定的電荷量,忽略形狀、大小及電荷分布狀況的一種理想化模型。2.電荷守恒定律(1)內(nèi)容:電荷既不會(huì)創(chuàng)生,也不會(huì)消滅,它只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體,或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分;在轉(zhuǎn)移過程中,電荷的總量保持不變。(2)起電方式:摩擦起電、接觸起電、感應(yīng)起電。(3)帶電實(shí)質(zhì):物體帶電的實(shí)質(zhì)是得失電子。3.庫侖定律(1)內(nèi)容:真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力,與它們的電荷量的乘積成正比,與它們的距離的二次方成反比,作用力的方向在它們的連線上。(2)表達(dá)式:F=keq\f(q1q2,r2),式中k=9.0×109N·m2/C2,叫作靜電力常量。(3)適用條件:①真空中;②靜止的點(diǎn)電荷?!净A(chǔ)知識(shí)判斷】1.只要是體積小的帶電體都可以看成點(diǎn)電荷。(×)2.正、負(fù)電荷中和后電荷都消失了。(×)3.當(dāng)兩個(gè)電荷的距離趨近于零時(shí),庫侖力趨近于無窮大。(×)4.物體帶電的實(shí)質(zhì)是電荷的轉(zhuǎn)移。(√)學(xué)生用書第150頁1.電荷分配規(guī)律:兩個(gè)完全相同的帶電導(dǎo)體球接觸后再分開,二者所帶電荷量平均分配:Q1′=Q2′=eq\f(Q1+Q2,2)。注意:Q1、Q2都必須帶著正、負(fù)號(hào)運(yùn)算。2.庫侖定律的理解(1)庫侖定律適用于真空中靜止點(diǎn)電荷間的相互作用。(2)若是兩個(gè)均勻帶電絕緣球:可將其視為電荷集中在球心的點(diǎn)電荷,r為球心間的距離。(3)若是兩個(gè)帶電導(dǎo)體球:要考慮表面電荷的重新分布,如圖所示。①同種電荷:F<keq\f(q1q2,r2);②異種電荷:F>keq\f(q1q2,r2)。(4)不能根據(jù)公式錯(cuò)誤認(rèn)為r→0時(shí),庫侖力F→∞,因?yàn)楫?dāng)r→0時(shí),兩個(gè)帶電體已不能看作點(diǎn)電荷了??枷?電荷守恒定律與庫侖定律的應(yīng)用如圖是庫侖做實(shí)驗(yàn)用的庫侖扭秤。帶電小球A與不帶電小球B等質(zhì)量,帶電金屬小球C靠近A,兩者之間的庫侖力使橫桿旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕M,使小球A回到初始位置,此時(shí)A、C間的庫侖力與旋鈕旋轉(zhuǎn)的角度成正比?,F(xiàn)用一個(gè)電荷量是小球C的三倍、其他完全一樣的小球D與C完全接觸后分開,再次轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕M使小球A回到初始位置,此時(shí)旋鈕旋轉(zhuǎn)的角度與第一次旋轉(zhuǎn)的角度之比為()A.1 B.eq\f(1,2)C.2 D.4答案:C解析:設(shè)A帶電荷量為qA,C帶電荷量為qC,庫侖力與旋鈕旋轉(zhuǎn)的角度成正比,則有θ=k1F,依題意有θ1=k1F1=k1eq\f(kqAqC,r2),由題可知D球帶電荷量為qD=3qC,接觸后分開,電荷量將均分,有qC′=eq\f(3qC+qC,2)=2qC,依題意有θ2=k1F2=k1eq\f(kqC′qA,r2)=2k1eq\f(kqAqC,r2),聯(lián)立可得eq\f(θ2,θ1)=2??枷?庫侖力作用下的平衡問題(2023·河北保定檢測(cè))如圖所示,質(zhì)量為m的帶電小球A用絕緣細(xì)線懸掛于O點(diǎn),帶電荷量為+q的小球B固定在O點(diǎn)正下方的絕緣柱上。當(dāng)小球A平衡時(shí),懸線沿水平方向。已知lOA=lOB=l,靜電力常量為k,重力加速度為g,兩帶電小球均可視為點(diǎn)電荷,則關(guān)于小球A的電性及帶電荷量qA的大小,下列選項(xiàng)正確的是()A.正電,eq\f(2\r(2)mgl2,kq) B.正電,eq\f(\r(2)mgl2,kq)C.負(fù)電,eq\f(2\r(2)mgl2,kq) D.負(fù)電,eq\f(\r(2)mgl2,kq)答案:A解析:小球A靜止時(shí),根據(jù)平衡條件,小球A受到小球B的斥力,故小球A帶正電;由平衡條件得eq\f(kqqA,(\r(2)l)2)=eq\r(2)mg,解得qA=eq\f(2\r(2)mgl2,kq),故選A??枷?三個(gè)自由點(diǎn)電荷的平衡問題如圖所示,在一條直線上有兩個(gè)相距0.4m的點(diǎn)電荷A、B,A帶電+Q,B帶電-9Q?,F(xiàn)引入第三個(gè)點(diǎn)電荷C,恰好使三個(gè)點(diǎn)電荷均在電場力的作用下處于平衡狀態(tài),則C的帶電情況及位置應(yīng)為()A.-4Q,B的右邊0.4m處B.+4Q,B的左邊0.2m處C.-eq\f(9,4)Q,A的右邊0.2m處D.-eq\f(9,4)Q,A的左邊0.2m處答案:D解析:要使三個(gè)電荷均處于平衡狀態(tài),必須滿足“兩同夾異”“兩大夾小”“近小遠(yuǎn)大”的原則,所以點(diǎn)電荷C應(yīng)在A左側(cè),帶負(fù)電。設(shè)C帶電荷量為q,A、C間的距離為x,A、B間的距離用r表示,由于C處于平衡狀態(tài),所以keq\f(Qq,x2)=eq\f(9kQq,(r+x)2),解得x=0.2m,又對(duì)電荷A由平衡條件得keq\f(Qq,x2)=keq\f(Q·9Q,r2),解得q=eq\f(9,4)Q,選項(xiàng)D正確。學(xué)生用書第151頁【拓展變式】如圖所示,如果已知兩個(gè)點(diǎn)電荷Q1、Q2的電荷量分別為+1C和+4C,且在水平面上能自由移動(dòng),它們之間的距離d=3m,現(xiàn)引入點(diǎn)電荷Q3,試求:當(dāng)Q3滿足什么條件,并把它放在何處時(shí)才能使整個(gè)系統(tǒng)處于平衡?答案:Q3為負(fù)電荷,電荷量為eq\f(4,9)C,且放在Q1、Q2連線中間離Q11m處解析:若整個(gè)系統(tǒng)處于平衡,則點(diǎn)電荷Q1、Q2、Q3所受合外力均為零,由E=eq\f(F,q)知,三個(gè)點(diǎn)電荷均處在合電場強(qiáng)度為零處。由于Q1、Q2電性相同都為正電荷,合電場強(qiáng)度為零處必在兩點(diǎn)電荷連線中間某處,則Q3處在Q1、Q2連線中間某處,又Q2、Q3在Q1處的合電場強(qiáng)度為零,則Q3帶負(fù)電,根據(jù)keq\f(Q1Q3,req\o\al(2,1))=keq\f(Q3Q2,req\o\al(2,2)),可得eq\f(r1,r2)=eq\r(\f(Q1,Q2))=eq\f(1,2),即Q3距離電荷量較小的電荷Q1較近,又因r1+r2=d,d=3m,所以Q3到Q1的距離r1=1m,根據(jù)keq\f(Q1Q3,req\o\al(2,1))=keq\f(Q1Q2,d2),可得Q3=eq\f(4,9)C。規(guī)律總結(jié)三個(gè)自由點(diǎn)電荷的平衡問題1.平衡條件:每個(gè)點(diǎn)電荷受另外兩個(gè)點(diǎn)電荷的合力為零或每個(gè)點(diǎn)電荷平衡的位置是另外兩個(gè)點(diǎn)電荷的合場強(qiáng)為零的位置。2.平衡規(guī)律:考向4庫侖力作用下的加速問題如圖所示,光滑絕緣水平面上有質(zhì)量分別為m和2m的兩小球A、B,兩小球帶異種電荷。將方向水平向右、大小為F的力作用在B上,當(dāng)A、B間的距離為L時(shí),兩小球可保持相對(duì)靜止。若改用方向水平向左的力作用在A上,欲使兩小球間的距離保持為2L并相對(duì)靜止,則外力的大小應(yīng)為()A.eq\f(1,16)F B.eq\f(1,8)FC.eq\f(1,4)F D.eq\f(1,2)F答案:B解析:當(dāng)方向水平向右、大小為F的力作用在B上,A、B間的距離為L時(shí),對(duì)A、B兩個(gè)小球整體有F=3ma1,對(duì)小球A有eq\f(kq1q2,L2)=ma1,若改用方向水平向左的力作用在A上,兩小球間的距離保持為2L并相對(duì)靜止時(shí),對(duì)A、B兩個(gè)小球整體有F2=3ma2,對(duì)小球B有eq\f(kq1q2,(2L)2)=2ma2,聯(lián)立可得F2=eq\f(1,8)F,故B正確,A、C、D錯(cuò)誤。故選B??键c(diǎn)二電場強(qiáng)度的理解與應(yīng)用1.電場(1)定義:存在于電荷周圍,能傳遞電荷間相互作用的一種特殊物質(zhì)。(2)基本性質(zhì):對(duì)放入其中的電荷有力的作用。2.電場強(qiáng)度(1)定義:放入電場中某點(diǎn)的電荷受到的靜電力與它的電荷量之比。(2)定義式:E=eq\f(F,q);單位:牛每庫,符號(hào)為N/C。(3)矢量性:規(guī)定正電荷在電場中某點(diǎn)所受靜電力的方向?yàn)樵擖c(diǎn)電場強(qiáng)度的方向。3.點(diǎn)電荷的電場:真空中距場源電荷Q為r處的場強(qiáng)大小為E=keq\f(Q,r2)?!靖呖记榫虫溄印?2023·湖南高考·改編)如圖,真空中有三個(gè)點(diǎn)電荷固定在同一直線上,電荷量分別為Q1、Q2和Q3,P點(diǎn)和三個(gè)點(diǎn)電荷的連線與點(diǎn)電荷所在直線的夾角分別為90°、60°和30°。若P點(diǎn)處的電場強(qiáng)度為零。判斷下列說法的正誤:(1)如果三個(gè)點(diǎn)電荷Q1、Q2和Q3在P點(diǎn)分別產(chǎn)生的場強(qiáng)大小相等,則Q3的電荷量最大。(√)學(xué)生用書第152頁(2)P點(diǎn)的電場強(qiáng)度是三個(gè)點(diǎn)電荷Q1、Q2和Q3的合場強(qiáng)。(√)(3)若P點(diǎn)處的電場強(qiáng)度為零,則三個(gè)點(diǎn)電荷Q1、Q2和Q3的電性一定相同。(×)1.三個(gè)場強(qiáng)公式的比較2.電場強(qiáng)度的疊加如果某空間有多個(gè)點(diǎn)電荷同時(shí)存在,則某點(diǎn)的電場強(qiáng)度應(yīng)為各個(gè)點(diǎn)電荷在該點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的矢量和??枷?電場強(qiáng)度的理解如圖甲所示,真空中Ox坐標(biāo)軸上的某點(diǎn)有一個(gè)點(diǎn)電荷Q,坐標(biāo)軸上A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為0.2m和0.7m。在A點(diǎn)放一個(gè)帶正電的試探電荷,在B點(diǎn)放一個(gè)帶負(fù)電的試探電荷,A、B兩點(diǎn)的試探電荷受到靜電力的方向都跟x軸正方向相同,靜電力的大小F跟試探電荷的電荷量q的關(guān)系分別如圖乙中直線a、b所示。忽略A、B間的作用力。下列說法正確的是()A.B點(diǎn)的電場強(qiáng)度大小為0.25N/CB.A點(diǎn)的電場強(qiáng)度的方向沿x軸負(fù)方向C.點(diǎn)電荷Q的位置坐標(biāo)為0.3mD.點(diǎn)電荷Q是正電荷答案:C解析:由A處試探電荷的F-q圖線可得,該處的電場強(qiáng)度大小為E1=eq\f(F1,q1)=4×105N/C,方向沿x軸正方向,同理可得,B處的電場強(qiáng)度大小為E2=eq\f(F2,q2)=0.25×105N/C,方向沿x軸負(fù)方向,A、B錯(cuò)誤;由A、B項(xiàng)的分析可知,點(diǎn)電荷Q應(yīng)為負(fù)電荷,且在A、B之間,設(shè)Q到A點(diǎn)的距離為l,由點(diǎn)電荷電場強(qiáng)度公式可得E1=keq\f(Q,l2)=4×105N/C,E2=keq\f(Q,(0.5m-l)2)=0.25×105N/C,聯(lián)立解得l=0.1m,故點(diǎn)電荷Q的位置坐標(biāo)為0.3m,C正確,D錯(cuò)誤??枷?電場強(qiáng)度的疊加如圖所示,△ABC是直角三角形,∠B=30°,∠A=90°,兩個(gè)點(diǎn)電荷分別固定在A點(diǎn)和C點(diǎn),A點(diǎn)處電荷的帶電量與C點(diǎn)處電荷的帶電量的絕對(duì)值之比為n(n未知),測(cè)得B點(diǎn)的電場強(qiáng)度方向垂直于BC邊向下,則()A.A點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶正電,C點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶正電,n=eq\f(\r(3),2)B.A點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶正電,C點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶負(fù)電,n=eq\f(1,2)C.A點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶正電,C點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶負(fù)電,n=eq\f(\r(3),2)D.A點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶負(fù)電,C點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶正電,n=eq\f(1,2)答案:C解析:若A點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶正電,則A點(diǎn)的點(diǎn)電荷在B點(diǎn)的電場強(qiáng)度方向由A指向B,合場強(qiáng)方向豎直向下,由平行四邊形定則可知C點(diǎn)的點(diǎn)電荷在B點(diǎn)的電場強(qiáng)度方向由B指向C,即C點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶負(fù)電。電場疊加如圖所示。設(shè)AC長度為l,水平方向滿足EBC=EABcos30°,又因?yàn)镋BC=keq\f(QC,(2l)2),EAB=keq\f(QA,(\r(3)l)2),n=eq\f(QA,QC),聯(lián)立解得n=eq\f(\r(3),2),故A、B錯(cuò)誤,C正確;若A點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶負(fù)電,在B點(diǎn)的電場強(qiáng)度方向由B指向A,C點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶正電,則在B點(diǎn)的電場強(qiáng)度方向由C指向B,由平行四邊形定則可知,B點(diǎn)此時(shí)的合場強(qiáng)方向不可能豎直向下,故D錯(cuò)誤。對(duì)點(diǎn)練.如圖所示,在半徑為R的圓周上均勻分布著六個(gè)不同的點(diǎn)電荷,則圓心O處的電場強(qiáng)度大小和方向?yàn)?)A.eq\f(2kq,R2);由O指向FB.eq\f(4kq,R2);由O指向FC.eq\f(2kq,R2);由O指向CD.eq\f(4kq,R2);由O指向C答案:B解析:由點(diǎn)電荷的電場強(qiáng)度公式可知,在A、B、C、E、F五個(gè)位置的點(diǎn)電荷在O點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小為E=eq\f(kq,R2),在D位置的點(diǎn)電荷在O點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)大小為E=eq\f(3kq,R2),電場強(qiáng)度是矢量,求合電場強(qiáng)度應(yīng)用平行四邊形定則,作出電場強(qiáng)度的示意圖,如圖所示,可得A點(diǎn)的電場強(qiáng)度與D點(diǎn)電場強(qiáng)度合成后大小為E1=ED-EA=eq\f(2kq,R2),方向指向A點(diǎn);B點(diǎn)的電場強(qiáng)度與E點(diǎn)的電場強(qiáng)度合成后大小為E2=EB+EE=eq\f(2kq,R2),方向指向E點(diǎn),C點(diǎn)的電場強(qiáng)度與F點(diǎn)的電場強(qiáng)度合成后大小為E3=EC+EF=eq\f(2kq,R2),方向指向F點(diǎn),故E1、E2、E3大小相等,且E3剛好在E1與E2的角平分線上,由幾何關(guān)系可知兩者之間的夾角為120°,故將E1、E2合成后大小仍為E4=eq\f(2kq,R2),方向指向F點(diǎn),再將E4與E3合成,則最終O點(diǎn)的合電場強(qiáng)度為EO=E3+E4=eq\f(4kq,R2),方向由O指向F,故選B。學(xué)生用書第153頁考點(diǎn)三電場線的理解及應(yīng)用1.定義:在電場中畫出的有方向的曲線,曲線上每點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)的電場強(qiáng)度方向,曲線的疏密表示電場強(qiáng)度的大小。2.特點(diǎn)3.幾種常見的電場線自主訓(xùn)練1電場線的理解如圖是一對(duì)不等量異種點(diǎn)電荷的電場線分布圖,帶電荷量大小分別為q和2q,兩點(diǎn)電荷間的距離為2r,P、Q兩點(diǎn)關(guān)于兩電荷連線對(duì)稱,靜電力常量為k。由圖可知()A.P、Q兩點(diǎn)的電場強(qiáng)度相同B.M點(diǎn)的電場強(qiáng)度小于N點(diǎn)的電場強(qiáng)度C.右邊的小球帶電荷量為-2qD.兩點(diǎn)電荷連線的中點(diǎn)處的電場強(qiáng)度大小為3keq\f(q,r2)答案:D解析:電場線的疏密表示電場強(qiáng)度的相對(duì)大小,根據(jù)題圖可知,P點(diǎn)電場強(qiáng)度大小等于Q點(diǎn)電場強(qiáng)度大小,但是兩點(diǎn)電場強(qiáng)度的方向不同,則電場強(qiáng)度不相同,故A錯(cuò)誤;同理,M點(diǎn)的電場線較N點(diǎn)密集,可知M點(diǎn)的電場強(qiáng)度大于N點(diǎn)的電場強(qiáng)度,故B錯(cuò)誤;根據(jù)電場線的方向可知,右邊的小球帶負(fù)電,但帶電荷量小于左邊小球的帶電荷量,故右邊的小球帶電荷量為-q,故C錯(cuò)誤;依據(jù)點(diǎn)電荷的電場強(qiáng)度公式E=keq\f(Q,r2)及疊加原則,兩點(diǎn)電荷連線的中點(diǎn)處的電場強(qiáng)度大小為E合=keq\f(2q,r2)+keq\f(q,r2)=3keq\f(q,r2),故D正確。自主訓(xùn)練2兩個(gè)等量點(diǎn)電荷的電場線分布(多選)電場線能直觀、方便地反映電場的分布情況。圖甲是等量異種點(diǎn)電荷形成電場的電場線,圖乙是場中的一些點(diǎn);O是電荷連線的中點(diǎn),E、F是連線中垂線上相對(duì)O對(duì)稱的兩點(diǎn),B、C和A、D也相對(duì)O對(duì)稱。則()A.E、F兩點(diǎn)場強(qiáng)相同B.A、D兩點(diǎn)場強(qiáng)不同C.B、O、C三點(diǎn),O點(diǎn)場強(qiáng)最小D.從E點(diǎn)向O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的電子所受電場力逐漸減小答案:AC解析:等量異種點(diǎn)電荷連線的中垂線是一條等勢(shì)線,電場強(qiáng)度方向與等勢(shì)線垂直,因此E、F兩點(diǎn)場強(qiáng)方向相同,由于E、F是連線中垂線上相對(duì)O對(duì)稱的兩點(diǎn),則其場強(qiáng)大小也相等,故A正確;根據(jù)對(duì)稱性可知,A、D兩點(diǎn)處電場線疏密程度相同,則A、D兩點(diǎn)場強(qiáng)大小相同,由題圖甲看出,A、D兩點(diǎn)場強(qiáng)方向相同,故B錯(cuò)誤;由題圖甲看出,B、O、C三點(diǎn)比較,O點(diǎn)的電場線最稀疏,場強(qiáng)最小,故C正確;由題圖甲可知,電子從E點(diǎn)向O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程中,電場線逐漸變密,則電場強(qiáng)度逐漸增大,電子所受電場力逐漸增大,故D錯(cuò)誤。自主訓(xùn)練3電場線與帶電粒子的軌跡問題(2023·全國甲卷)在一些電子顯示設(shè)備中,讓陰極發(fā)射的電子束通過適當(dāng)?shù)姆莿驈?qiáng)電場,可以使發(fā)散的電子束聚集。下列4幅圖中帶箭頭的實(shí)線表示電場線,如果用虛線表示電子可能的運(yùn)動(dòng)軌跡,其中正確的是()答案:A解析:帶電粒子在電場中做曲線運(yùn)動(dòng),粒子所受電場力指向軌跡的凹側(cè),如圖所示,B、C、D中靜電力均指向軌跡外側(cè)。故A正確,B、C、D錯(cuò)誤。1.等量同種和異種點(diǎn)電荷的電場線與場強(qiáng)的比較比較項(xiàng)目等量異種點(diǎn)電荷等量同種點(diǎn)電荷電場線的分布圖連線中點(diǎn)O處的場強(qiáng)連線上O點(diǎn)場強(qiáng)最小,指向負(fù)電荷一方為零連線上的場強(qiáng)大小(從左到右)沿連線先變小后變大沿連線先變小后變大沿連線的中垂線由O點(diǎn)向外的場強(qiáng)大小O點(diǎn)最大,向外逐漸變小O點(diǎn)最小,向外先變大后變小學(xué)生用書第154頁關(guān)于O點(diǎn)對(duì)稱點(diǎn)的場強(qiáng)(如A與A′、B與B′、C與C′等)等大同向等大反向2.分析電場線與粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡相結(jié)合問題的方法畫出運(yùn)動(dòng)軌跡在初始位置的切線(“速度線”)與在初始位置電場線的切線(“力線”)方向,從二者的夾角情況來分析曲線運(yùn)動(dòng)的情況??键c(diǎn)四靜電現(xiàn)象及應(yīng)用1.靜電平衡(1)定義:處于電場中的導(dǎo)體內(nèi)部沒有電子發(fā)生定向移動(dòng)的狀態(tài)。(2)特點(diǎn):導(dǎo)體內(nèi)部的場強(qiáng)處處為零。(3)應(yīng)用:尖端放電、靜電屏蔽、靜電吸附等。2.尖端放電導(dǎo)體尖端周圍的電場使空氣電離,電離出的與導(dǎo)體尖端電荷符號(hào)相反的粒子與尖端的電荷中和,相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷。3.靜電屏蔽處于電場中的封閉金屬殼,由于殼內(nèi)電場強(qiáng)度保持為0,從而外電場對(duì)殼內(nèi)的儀器不會(huì)產(chǎn)生影響。自主訓(xùn)練1靜電平衡的理解(多選)不帶電的金屬棒AB長為L,O為AB的中點(diǎn),在距離A點(diǎn)為R的C點(diǎn)處放一帶電荷量為Q的正點(diǎn)電荷,C與AB在同一條直線上,如圖所示。下列說法正確的是()A.O點(diǎn)的電場強(qiáng)度為0B.金屬棒上A點(diǎn)的電勢(shì)等于B點(diǎn)的電勢(shì)C.金屬棒上感應(yīng)電荷在O點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小為keq\f(Q,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(R+\f(L,2)))2)D.若將A端接地,金屬棒將帶上正電荷答案:ABC解析:金屬棒達(dá)到靜電平衡,棒內(nèi)各點(diǎn)的場強(qiáng)為零,則O點(diǎn)的電場強(qiáng)度為0,故A正確;金屬棒達(dá)到靜電平衡,整個(gè)金屬棒是一個(gè)等勢(shì)體,則金屬棒上A點(diǎn)的電勢(shì)等于B點(diǎn)的電勢(shì),故B正確;金屬棒內(nèi)各點(diǎn)的場強(qiáng)為零,棒上感應(yīng)電荷在棒內(nèi)中點(diǎn)O產(chǎn)生的場強(qiáng)大小與點(diǎn)電荷+Q在該處產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小相等、方向相反,則感應(yīng)電荷在O點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小為E=eq\f(kQ,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(R+\f(L,2)))\s\up8(2)),故C正確;若將A端接地,大地上的電子跑到金屬棒將正電荷中和,所以金屬棒將帶上負(fù)電荷,故D錯(cuò)誤。故選ABC。自主訓(xùn)練2靜電屏蔽的應(yīng)用如圖所示,銅絲編織的管線包裹著兩個(gè)銅導(dǎo)線,能夠?qū)崿F(xiàn)高保真信號(hào)傳輸,銅絲編織的管線作用是()A.參與信號(hào)傳輸B.減少信號(hào)衰減C.屏蔽外部干擾D.提高絕緣效果答案:C解析:銅絲編織的管線起到靜電屏蔽的作用,能夠屏蔽外部干擾,從而實(shí)現(xiàn)高保真信號(hào)傳輸。故選C。自主訓(xùn)練3靜電吸附的應(yīng)用一次性醫(yī)生口罩中間層的熔噴布是一種用絕緣材料做成的帶有靜電的超細(xì)纖維布,它能阻隔幾微米的病毒,這種靜電的阻隔作用屬于()A.尖端放電 B.靜電屏蔽C.靜電感應(yīng)和靜電吸附 D.靜電感應(yīng)和靜電屏蔽答案:C解析:熔噴布的主要原料是聚丙烯,是一種超細(xì)靜電纖維布,是一種纖維過濾器,含有病毒的飛沫靠近熔噴布后,就會(huì)被吸附在熔噴布的表面,無法透過,因此可以吸附以氣溶膠形式存在的病毒。故選C。處于靜電平衡狀態(tài)導(dǎo)體的特點(diǎn)1.導(dǎo)體內(nèi)部的場強(qiáng)處處為零。2.導(dǎo)體是一個(gè)等勢(shì)體,導(dǎo)體表面是等勢(shì)面。3.導(dǎo)體表面處的場強(qiáng)方向與導(dǎo)體表面垂直。4.導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷,凈電荷只分布在導(dǎo)體的外表面上。5.在導(dǎo)體外表面越尖銳的位置,凈電荷的密度(單位面積上的電荷量)越大,凹陷的位置幾乎沒有凈電荷。學(xué)生用書第155頁點(diǎn)電荷的場強(qiáng)一般情況下可應(yīng)用公式E=eq\f(F,q)、E=keq\f(Q,r2)計(jì)算,但在求解帶電棒、帶電圓環(huán)、帶電平面等一些非點(diǎn)電荷帶電體產(chǎn)生的場強(qiáng)時(shí),上述公式無法直接應(yīng)用。這時(shí),如果變換思維角度,靈活運(yùn)用對(duì)稱法、補(bǔ)償法、微元法、等效法等巧妙方法,可以快捷解題。方法方法解讀對(duì)稱法利用空間上對(duì)稱分布的電荷形成的電場具有對(duì)稱性的特點(diǎn),使復(fù)雜電場的疊加計(jì)算問題大為簡化。補(bǔ)償法將有缺口的帶電圓環(huán)補(bǔ)為完整圓環(huán),或?qū)肭蛎嫜a(bǔ)為完整球面,然后再應(yīng)用對(duì)稱的特點(diǎn)進(jìn)行分析,有時(shí)還要用到微元思想。微元法將帶電體分成許多電荷元,每個(gè)電荷元看成點(diǎn)電荷,先根據(jù)點(diǎn)電荷場強(qiáng)公式求出每個(gè)電荷元的場強(qiáng),再結(jié)合對(duì)稱性和場強(qiáng)疊加原理求出合場強(qiáng)。等效法在保證效果相同的前提下,將復(fù)雜的電場情景變換為簡單的或熟悉的電場情景。應(yīng)用1.[對(duì)稱法](2022·山東高考)半徑為R的絕緣細(xì)圓環(huán)固定在圖示位置,圓心位于O點(diǎn),環(huán)上均勻分布著電荷量為Q的正電荷。點(diǎn)A、B、C將圓環(huán)三等分,取走A、B處兩段弧長均為ΔL的小圓弧上的電荷。將一點(diǎn)電荷q置于OC延長線上距O點(diǎn)為2R的D點(diǎn),O點(diǎn)的電場強(qiáng)度剛好為零。圓環(huán)上剩余電荷分布不變,q為()A.正電荷,q=eq\f(QΔL,πR) B.正電荷,q=eq\f(\r(3)QΔL,πR)C.負(fù)電荷,q=eq\f(2QΔL,πR) D.負(fù)電荷,q=eq\f(2\r(3)QΔL,πR)答案:C解析:取走A、B處兩段弧長均為ΔL的小圓弧上的電荷,根據(jù)對(duì)稱性可知,圓環(huán)在O點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度為與A在同一直徑上的A1和與B在同一直徑上的B1產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的矢量和,如圖所示,因?yàn)閮啥位¢L非常小,故可看成點(diǎn)電荷,則有E1=keq\f(\f(QΔL,2πR),R2)=keq\f(QΔL,2πR3),由圖可知,兩場強(qiáng)的夾角為120°,則兩者的合場強(qiáng)為E=E1=keq\f(QΔL,2πR3),根據(jù)O點(diǎn)的合場強(qiáng)為0,則放在D點(diǎn)的點(diǎn)電荷帶負(fù)電,大小為E′=E=keq\f(QΔL,2πR3),根據(jù)E′=keq\f(q,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2R))2),聯(lián)立解得q=eq\f(2QΔL,πR),故選C。應(yīng)用2.[補(bǔ)償法+等效法]均勻帶電的球殼在球外空間產(chǎn)生的電場等效于電荷集中于球心處產(chǎn)生的電場。如圖所示,在半球面AB上均勻分布著正電荷,總電荷量為q,球面半徑為R,CD為通過半球面頂點(diǎn)與球心O的軸線,在軸線上有M、N兩點(diǎn),OM=ON=2R。已知M點(diǎn)的場強(qiáng)大小為E,則N點(diǎn)的場強(qiáng)大小為()A.eq\f(kq,2R2)-E B.eq\f(kq,4R2)C.eq\f(kq,4R2)-E D.eq\f(kq,4R2)+E答案:A解析:左半球面AB上的正電荷q產(chǎn)生的電場等效為帶正電荷量為2q的整個(gè)球面的電場和帶電荷量為-q的右半球面的電場的合電場,則E=keq\f(2q,(2R)2)-E′,E′為帶電荷量為-q的右半球面在M點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)大小。帶電荷量為-q的右半球面在M點(diǎn)的場強(qiáng)大小與帶正電荷量為q的左半球面AB在N點(diǎn)的場強(qiáng)大小相等,則EN=E′=keq\f(2q,(2R)2)-E=eq\f(kq,2R2)-E,A正確。應(yīng)用3.[微元法]如圖所示,均勻帶電圓環(huán)所帶電荷量為Q,半徑為R,圓心為O,P為垂直于圓環(huán)平面中心軸上的一點(diǎn),OP=L,試求P點(diǎn)的場強(qiáng)大小。答案:keq\f(QL,(R2+L2)\s\up8(\f(3,2)))解析:將圓環(huán)看成由n個(gè)小段組成,當(dāng)n相當(dāng)大時(shí),每一小段都可以看成點(diǎn)電荷,其所帶電荷量Q′=eq\f(Q,n),由點(diǎn)電荷場強(qiáng)公式可求得每一小段帶電體在P處產(chǎn)生的場強(qiáng)為E=eq\f(kQ,nr2)=eq\f(kQ,n(R2+L2))。由對(duì)稱性知,各小段帶電體在P處產(chǎn)生的場強(qiáng)E的垂直于中心軸的分量Ey相互抵消,而其軸向分量Ex之和即為帶電圓環(huán)在P處的場強(qiáng)EP,EP=nEx=nkeq\f(Q,n(R2+L2))cosθ=keq\f(QL,(R2+L2)\s\up8(\f(3,2)))。應(yīng)用4.[等效法]如圖所示,xOy平面是無窮大導(dǎo)體的表面,該導(dǎo)體充滿z<0的空間,z>0的空間為真空。將電荷量為q的點(diǎn)電荷置于z軸上z=h處,則在xOy平面上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷??臻g任意一點(diǎn)處的電場皆是由點(diǎn)電荷q和導(dǎo)體表面上的感應(yīng)電荷共同激發(fā)的。已知靜電平衡時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)處處為零,則在z軸上z=eq\f(h,2)處的場強(qiáng)大小為(k為靜電力常量)()A.keq\f(4q,h2) B.keq\f(4q,9h2)C.keq\f(32q,9h2) D.keq\f(40q,9h2)答案:D解析:導(dǎo)體表面上的感應(yīng)電荷等效于在z=-h(huán)處的帶等量的異種電荷-q,故在z軸上z=eq\f(h,2)處的場強(qiáng)大小為E=keq\f(q,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(h,2)))\s\up8(2))+keq\f(q,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(h,2)+h))\s\up8(2))=keq\f(40q,9h2),選項(xiàng)D正確。課時(shí)測(cè)評(píng)34電場力的性質(zhì)eq\f(對(duì)應(yīng)學(xué)生,用書P420)(時(shí)間:45分鐘滿分:60分)(本欄目內(nèi)容,在學(xué)生用書中以獨(dú)立形式分冊(cè)裝訂!)(選擇題每題5分,共60分)1.如圖所示,兩個(gè)帶電金屬球(半徑R)中心距離為r,r=3R,帶電荷量相等均為Q,則關(guān)于它們之間的靜電力F大小的說法正確的是()A.若是異種電荷F<keq\f(Q2,r2)B.若是同種電荷F>keq\f(Q2,r2)C.若是異種電荷F>keq\f(Q2,r2)D.不論是何種電荷F=keq\f(Q2,r2)答案:C解析:由于r=3R,故兩個(gè)帶電金屬球不能看成點(diǎn)電荷,當(dāng)兩個(gè)金屬球帶異種電荷時(shí),電荷間相互吸引,導(dǎo)致電荷間距比r小,因此靜電力F>keq\f(Q2,r2),故A錯(cuò)誤,C正確;若是同種電荷,則出現(xiàn)相互排斥,導(dǎo)致電荷間距比r大,因此靜電力F<keq\f(Q2,r2),故B、D錯(cuò)誤。2.(2024·黑龍江大慶模擬)如圖所示,真空中A、B兩點(diǎn)分別固定兩個(gè)相同的帶電金屬小球(均可視為點(diǎn)電荷),所帶電荷量分別為+Q和-5Q,在A、B的延長線上的C點(diǎn)處固定一電荷量為q的電荷,該電荷受到的靜電力大小為F1,已知AB=BC。若將兩帶電金屬小球接觸后再放回A、B兩處時(shí),電荷受到的靜電力大小為F2,則eq\f(F1,F2)為()A.eq\f(21,10) B.eq\f(21,16)C.eq\f(19,10) D.eq\f(19,16)答案:C解析:設(shè)AB=BC=l,根據(jù)庫侖定律得F1=eq\f(5kQq,l2)-eq\f(kQq,(2l)2)=eq\f(19kQq,4l2),將兩帶電金屬小球接觸后,兩小球所帶電荷量均為-2Q,根據(jù)庫侖定律得F2=eq\f(2kQq,l2)+eq\f(2kQq,(2l)2)=eq\f(5kQq,2l2),所以eq\f(F1,F2)=eq\f(19,10),故選C。3.某電場的電場線分布如圖所示,下列說法正確的是()A.c點(diǎn)的電場強(qiáng)度大于b點(diǎn)的電場強(qiáng)度B.若將一試探電荷+q由a點(diǎn)釋放,它將沿電場線運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)C.b點(diǎn)的電場強(qiáng)度大于d點(diǎn)的電場強(qiáng)度D.a(chǎn)點(diǎn)和b點(diǎn)的電場強(qiáng)度方向相同答案:C解析:電場線的疏密表示電場強(qiáng)度的大小,由題圖可知Eb>Ec,Eb>Ed,C正確,A錯(cuò)誤;由于電場線是曲線,由a點(diǎn)釋放的正電荷不可能沿電場線運(yùn)動(dòng),B錯(cuò)誤;電場線的切線方向?yàn)樵擖c(diǎn)電場強(qiáng)度的方向,a點(diǎn)和b點(diǎn)的切線不同向,D錯(cuò)誤。4.(2023·海南高考)如圖所示,一光滑絕緣軌道水平放置,直徑上有A、B兩點(diǎn),AO=2cm,OB=4cm,在A、B兩點(diǎn)固定兩個(gè)帶電量分別為Q1、Q2的正電荷,現(xiàn)有一個(gè)帶正電小球靜置于軌道內(nèi)側(cè)P點(diǎn)(小球可視為點(diǎn)電荷),已知AP∶BP=n∶1,試求Q1∶Q2是()A.2n2∶1 B.4n2∶1C.2n3∶1 D.4n3∶1答案:C解析:對(duì)小球受力分析如圖所示,由正弦定理有eq\f(FA,sin∠PHD)=eq\f(FB,sin∠CHP),其中∠PHD=∠CPH=∠OPB,∠CHP=∠HPD=∠APO,在△APO中,eq\f(AP,sin\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(π-∠POB)))=eq\f(AO,sin∠APO),同理有eq\f(BP,sin∠POB)=eq\f(BO,sin∠OPB),其中FA=keq\f(Q1q,AP2),F(xiàn)B=keq\f(Q2q,BP2),聯(lián)立有Q1∶Q2=2n3∶1,故選C。5.(2023·山東濰坊二模)用絕緣細(xì)線a、b將兩個(gè)帶電小球1和2連接并懸掛,已知小球2的重力為G,如圖所示,兩小球處于靜止?fàn)顟B(tài),細(xì)線a與豎直方向的夾角為30°,兩小球連線與水平方向夾角為30°,細(xì)線b水平,則()A.小球1帶電量一定小于小球2的帶電量B.細(xì)線a拉力大小為2eq\r(3)GC.細(xì)線b拉力大小為eq\f(\r(3),3)GD.小球1與2的質(zhì)量比為1∶2答案:B解析:由F庫=eq\f(kq1q2,r2)可知,不能確定小球1與小球2的帶電量,故A錯(cuò)誤;對(duì)小球2,由平衡條件可得Fb=F庫cos30°,G=F庫sin30°,解得細(xì)線b拉力大小為Fb=eq\f(G,tan30°)=eq\r(3)G,故C錯(cuò)誤;對(duì)小球1,由平衡條件可得Fasin30°=F庫cos30°,m1g+F庫sin30°=Facos30°,解得細(xì)線a拉力大小為Fa=2eq\r(3)G,小球1與2的質(zhì)量比為m1∶m2=2∶1,故B正確,D錯(cuò)誤。故選B。6.(2024·河南駐馬店模擬)如圖所示,ABCD-A′B′C′D′為正方體,兩個(gè)等量異種電荷分別在正方體的上底面和左側(cè)面的中心位置,則與A點(diǎn)電場強(qiáng)度相同的點(diǎn)是()A.B點(diǎn) B.B′點(diǎn)C.C點(diǎn) D.C′點(diǎn)答案:A解析:根據(jù)等量異種電荷電場分布可知,只有B點(diǎn)與A點(diǎn)關(guān)于等量異種電荷連線的中垂線對(duì)稱,故與A點(diǎn)電場強(qiáng)度相同的點(diǎn)是B點(diǎn)。故選A。7.直角坐標(biāo)系xOy中,M、N兩點(diǎn)位于x軸上,G、H兩點(diǎn)坐標(biāo)如圖所示。M、N兩點(diǎn)各固定一負(fù)點(diǎn)電荷,一電荷量為Q的正點(diǎn)電荷置于O點(diǎn)時(shí),G點(diǎn)處的電場強(qiáng)度恰好為零。靜電力常量用k表示。若將該正點(diǎn)電荷移到G點(diǎn),則H點(diǎn)處電場強(qiáng)度的大小和方向分別為()A.eq\f(3kQ,4a2),沿y軸正方向 B.eq\f(3kQ,4a2),沿y軸負(fù)方向C.eq\f(5kQ,4a2),沿y軸正方向 D.eq\f(5kQ,4a2),沿y軸負(fù)方向答案:B解析:處于O點(diǎn)的正點(diǎn)電荷在G點(diǎn)處產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小E1=keq\f(Q,a2),方向沿y軸負(fù)方向;因?yàn)镚點(diǎn)處電場強(qiáng)度為零,所以M、N處兩負(fù)點(diǎn)電荷在G點(diǎn)產(chǎn)生的合電場強(qiáng)度大小E2=E1=keq\f(Q,a2),方向沿y軸正方向;根據(jù)對(duì)稱性,M、N處兩負(fù)點(diǎn)電荷在H點(diǎn)產(chǎn)生的合電場強(qiáng)度大小E3=E2=keq\f(Q,a2),方向沿y軸負(fù)方向;將該正點(diǎn)電荷移到G處,該正點(diǎn)電荷在H點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小E4=keq\f(Q,(2a)2),方向沿y軸正方向,所以H點(diǎn)處的電場強(qiáng)度大小E=E3-E4=eq\f(3kQ,4a2),方向沿y軸負(fù)方向,故選B。8.(2023·河北邯鄲二模)半圓形光滑絕緣細(xì)桿固定在豎直面內(nèi),O為圓心??梢暈橘|(zhì)點(diǎn)的甲、乙兩個(gè)帶電小球穿在細(xì)桿上,其靜止時(shí)的位置如圖所示,甲、乙兩球的質(zhì)量分別為m1、m2,則m1∶m2等于()A.4∶3 B.3∶4C.3∶5 D.5∶3答案:B解析:假設(shè)甲、乙兩球之間的靜電力為F,對(duì)甲、乙受力分析結(jié)合數(shù)學(xué)正弦定理有eq\f(F,sin53°)=eq\f(m1g,sin45°),eq\f(F,sin37°)=eq\f(m2g,sin45°),解得eq\f(m1,m2)=eq\f(3,4),故B正確,A、C、D錯(cuò)誤。故選B。9.下列選項(xiàng)中的各eq\f(1,4)圓環(huán)大小相同,所帶電荷量已在圖中標(biāo)出,且電荷均勻分布,各eq\f(1,4)圓環(huán)間彼此絕緣。坐標(biāo)原點(diǎn)O處電場強(qiáng)度最大的是()答案:B解析:由于電荷均勻分布,則各eq\f(1,4)圓環(huán)上的電荷等效集中于eq\f(1,4)圓環(huán)的中心,設(shè)圓的半徑為r,則A圖O點(diǎn)處的場強(qiáng)大小為EA=eq\f(kq,r2);將B圖中正、負(fù)電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)進(jìn)行疊加,等效兩電荷場強(qiáng)方向間的夾角為90°,則在O點(diǎn)的合場強(qiáng)EB=eq\f(\r(2)kq,r2),方向沿x軸負(fù)方向;C圖中兩正電荷在O點(diǎn)的合場強(qiáng)為零,則C中的場強(qiáng)大小為EC=eq\f(kq,r2),D圖由于完全對(duì)稱,易得合場強(qiáng)ED=0。故O處電場強(qiáng)度最大的是圖B。故選B。10.(多選)如圖所示,一條光滑絕緣柔軟輕繩跨過一定滑輪,輕繩兩端連接質(zhì)量分別為m1、m2的兩個(gè)帶同種電荷的小球,穩(wěn)定時(shí),兩側(cè)輕繩的長度分別為l1、l2,且l1>l2,與豎直方向的夾角分別為θ1、θ2,現(xiàn)緩慢減少小球m1的電荷量到一定值,系統(tǒng)重新穩(wěn)定,兩側(cè)輕繩的長度分別變?yōu)閘1′、l2′,與豎直方向的夾角分別變?yōu)棣?′、θ2′,關(guān)于穩(wěn)定時(shí)的情景,下列說法正確的是()A.θ1′<θ2′ B.θ1′=θ2′C.l1′<l1 D.l1′=l1答案:BD解析:以兩小球作為一個(gè)整體研究,滑輪對(duì)輕繩的作用力豎直向上,同一輕繩上彈力FT大小處處相等,結(jié)合對(duì)稱性可知,左右兩側(cè)輕繩與豎直方向的夾角等大,故平衡時(shí)滿足θ1=θ2,θ1′=θ2′,A錯(cuò)誤,B正確;對(duì)兩邊帶電小球進(jìn)行受力分析,如圖所示,由相似三角形可得eq\f(m1g,h)=eq\f(FT,l1),同理對(duì)右邊小球有eq\f(m2g,h)=eq\f(FT,l2),聯(lián)立解得eq\f(m1,m2)=eq\f(l2,l1),可得m1<m2,由于m1與m2不變,輕繩的
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