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【知識梳理】高中物理電勢應注意的問題,你都掌握了嗎?

弄清電勢與電勢能、電勢與場強的區別和聯系:

例1. 已知電場中的a點的電勢高于b點的電勢,現將點電荷從a點移到b點,則下列說法中,正確的有( )

A. 若移動的是負電荷,則電場力做負功,電勢能增加;

B. 若移動的是正電荷,則電場力做正功,電勢能減小;

C. 無論是否有電荷移動,a點的電勢能總是大于b點的電勢能;

D. 無論是否有電荷移動,a點的場強一定大于b點的場強。

解析:因為正電荷在電勢高的地方具有的電勢能大,而負電荷在電勢高的地方具有的電勢能小。所以正電荷從a點移到b點電勢能減少,負電荷從a點移到b點電勢能增加;無論正電荷還是負電荷,電勢能減少電場力就做正功,電勢能增加電場力就做負功。因此A、B兩選項都是正確的。

對C選項,在電場中某點放入電荷,這個電荷就具有電勢能。電勢能是由放入電場中的電荷和電場共同決定的,不明確放在a、b兩點的電荷性質,不能比較其電勢能的大小;若在a、b兩點不放入電荷,單就電場中的某點而言,不存在電勢能。因此C選項錯誤。

只知道a、b兩點電勢的高低無法判斷a、b兩點電場強度的大小。

因此D選項錯誤。

答:(AB)

點評:電勢、電場強度是描述電場的能的性質和力的性質的物理量,與電場中有無電荷移動無關。但我們可以在電場中移動電荷,來研究電場的特性。電勢能是電場和電場中的電荷共同具有的,簡稱為電荷的電勢能,無論移動正負電荷,電場力對電荷做正功時,電荷的電勢能就減小;電荷克服電場力做功時,電荷的電勢能就增加。

掌握電勢的高低、電勢差的大小、電場強度的大小的判斷方法:

例2. 如圖1所示,a、b、c是一條電場線上的三個點,電場線的方向由a到c,a、b間的距離等于b、c間的距離,用

分別表示三個點的電勢和電場強度,可以判定( )

A. 

B. 

C. 

D. 

圖1

解析:該題只給出了一條電場線,不知電場線分布的疏密情況,公式

僅適用于勻強電場,所以無法判定是哪一種形式的電場,即無法比較電場強度的大小,也無法比較
的大小。

因此B、C、D選項錯誤。

根據沿電場線方向電勢逐漸降低的性質,得A選項正確。

答:(A)

點評:解答本題的關鍵要掌握三點:

(1)沿電場線方向電勢逐漸降低;

(2)電場線越密處的場強越大,電場線越疏處的場強越小;

(3)公式

僅適用于勻強電場。

在已知電場線旁可列出如圖2所示四種情形,供同學們思考。

圖2

正確理解公式

的物理意義:

例3. 勻強電場中的A、B、C三點,如圖3所示。已知

,電場線與ABC平面平行。把一個電量為
的正電荷從A點移到B點電場力的功為0,從點B移到C點電場力做功為
,則該勻強電場的場強大小和方向為( )

A. 865V/m,垂直AC向左

B. 865V/m,垂直AB斜向上

C. 1000V/m,垂直AB斜向下

D. 1000V/m,垂直AB斜向上

圖3

解析:把電荷從A點移到B點,電場力做功為零,說明A、B兩點必位于同一個等勢面上,題中又指明該電場為勻強電場,所以等勢面應為平面,且場強方向應垂直于等勢面,即A、B兩點的連線為等勢線,故A選項錯誤。

根據把正電荷從B點移到C點,電氣力做功為

,得B、C兩點的電勢差
。因電場力對正電荷做負功,所以B點的電勢比C點低173V,故場強方向一定垂直AB斜向上,故C選項錯誤。

又BC沿場強方向的距離為:

所以場強的大小為:

因此B選項錯誤,只有D選項正確。

答:(D)

點評:解答本題的關鍵是要掌握兩點:

(1)電場力做功與電勢差的關系;

(2)勻強電場的特點——等勢面是平面,場強與電勢差的關系

(特別要注意此式的含義)。

此題常錯選B選項,原因在于沒有正確理解公式

的物理意義。

了解幾種典型電場等勢面和電場線的分布:

例4. 如圖4所示,傾角為30°的直角三角形底邊長2L,且處于水平位置,斜邊為光滑絕緣導軌。現在底邊中點O處固定一正點電荷Q,讓一質量為m的帶正電的點電荷q從斜面頂端A處釋放沿斜面滑下(不脫離斜面)。現測得它滑到B點在斜邊上的垂足D點處的速度為v0,求該點電荷滑到斜面底端C點時的速率v。

圖4

解析:點電荷q在沿DC運動過程中,受到重力、彈力、電場力,彈力不做功,電場力的大小和方向在不斷變化,是個變力。它做的功似乎較為復雜。由幾何關系可得DO=CO=BO,以O為圓心,OC長為半徑畫一輔助圓,點電荷Q在該圓上各點產生的電勢相同,故可稱為“等勢圓”。點電荷q經D點到C點的過程中電場力不做功,q從D運動到C的過程中,只有重力做功,由機械能守恒定律得:

由幾何關系有

 ②

解①②得:

點評:本題充分利用點電荷的周圍的等勢線為“等勢圓”找出了D、C兩點在同一等勢面上的關系,使問題變得簡單。為此要牢記幾種常見的電場的電場線和等勢面,比如:孤立點電荷周圍的電場、等量異種點電荷的電場、等量同種點電荷的電場和勻強電場。同時還應注意電場線、等勢面的特點和電場線與等勢面間的關系。

清楚電場線(等勢線)與電荷運動軌跡的關系:

例5. 如圖5所示,實線是一個電場中的電場線,虛線是一個負檢驗電荷在這個電場中的軌跡,若電荷是從a處運動到b處,以下判斷正確的是( )

A. 電荷從a到b加速度減小

B. b處電勢能大

C. b處電勢高

D. 電荷在b處速度小

圖5

解析:由圖5可知b處的電場線比a處的電場線密,說明b處的場強大于a處的場強。根據牛頓第二定律,檢驗電荷在b處的加速度大于在a處的加速度,A選項錯。

由圖5可知,電荷做曲線運動,必受到不等于零的合外力,即

,且F1的方向應指向運動軌跡的凹向。因為檢驗電荷帶負電,所以電場線指向是從疏到密。再利用“電場線方向為電勢降低最快的方向”判斷a,b處電勢高低關系是
,C選項不正確。

根據檢驗電荷的位移與所受電場力的夾角大于90°,可知電場力對檢驗電荷做負功。功是能量變化的量度,可判斷由

電勢能增加,B選項正確;又因電場力做功與路徑無關,系統的能量守恒,電勢能增加則動能減小,即速度減小,D選項正確。

答:(BD)

點評:理解能力應包括對基本概念的透徹理解、對基本規律準確把握。這道小題檢查了電場線的概念、牛頓第二定律、做曲線運動物體速度與加速度的關系、電場線與等勢面的關系、電場力功(重力功)與電勢能(重力勢能)變化的關系。能量守恒定律等基本概念和規律。要求考生理解概念規律的確切含義、適用條件,鑒別似是而非的說法。

本題容易犯的錯誤是:由圖5可知,由a→b,速度變小,所以,加速度變小,選A。因為檢驗電荷帶負電,所以電荷運動方向為電勢升高方向,所以b處電勢高于a點,選C。選A的同學屬于加速度與速度的關系不清;選C的同學屬于功能關系不清。

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