电场考点例析

专题九：电场考点例析电场是电学的基础知识，是承前启后的一章!通过这一章的学习要系统地把力学的“三大方法”复习一遍，同时又要掌握新的概念和规律。这一章为历年高考的重点之一，特别是在力电综合试题中巧妙地把电场概念与牛顿定律、功能关系、动量等力学知识有机地结合起来，从求解过程中可以考查学生对力学、电学有关知识点的理解和孰练程度。只要同学们在复习本章时牢牢抓住“力和能两条主线”，实现知识的系统化，找出它们的有机联系，做到融会贯通，在高考得到本章相应试题的分数是不困难的。一、夯实基础知识1、深刻理解库仑定律和电荷守恒定律。(1)库仑定律:真空中两个点电荷之间相互作用的电力，跟它们的电荷量的乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。即：221rqkqF其中k为静电力常量，k=9.0×109Nm2/c2成立条件:①真空中（空气中也近似成立），②点电荷。即带电体的形状和大小对相互作用力的影响可以忽略不计。（这一点与万有引力很相似，但又有不同：对质量均匀分布的球，无论两球相距多近，r都等于球心距；而对带电导体球，距离近了以后，电荷会重新分布，不能再用球心间距代替r）。(2)电荷守恒定律:系统与外界无电荷交换时，系统的电荷代数和守恒。2、深刻理解电场的力性质。电场的最基本的性质是对放入其中的电荷有力的作用。电场强度E是描述电场的力的性质的物理量。⑴定义：放入电场中某点的电荷所受的电场力F跟它的电荷量q的比值，叫做该点的电场强度，简称场强。qFE这是电场强度的定义式，适用于任何电场。其中的q为试探电荷（以前称为检验电荷），是电荷量很小的点电荷（可正可负）。电场强度是矢量，规定其方向与正电荷在该点受的电场力方向相同。⑵点电荷周围的场强公式是：2rkQE，其中Q是产生该电场的电荷，叫场源电荷。⑶匀强电场的场强公式是：dUE，其中d是沿电场线方向上的距离。3、深刻理解电场的能性质。（1）电势φ：是描述电场能的性质的物理量。○1电势定义为φ=qE，是一个没有方向意义的物理量，电势有高低之分，按规定：正电荷在电场中某点具有的电势能越大，该点电势越高。○2电势的值与零电势的选取有关，通常取离电场无穷远处电势为零；实际应用中常取大地电势为零。○3当存在几个“场源”时，某处合电场的电势为各“场源”在此处电场的电势的代数和。○4电势差，A、B间电势差UAB=ΦA-ΦB;B、A间电势差UBA=ΦB-ΦA，显然UAB=-UBA，电势差的值与零电势的选取无关。(2)电势能：电荷在电场中由电荷和电场的相对位置所决定的能，它具有相对性，即电势能的零点选取具有任意性；系统性，即电势能是电荷与电场所共有。○1电势能可用E=qФ计算。○2由于电荷有正、负、电势也有正、负(分别表示高于和低于零电势)，故用E=qФ计算电势能时，需带符号运算。(3)电场线的特点：○1始于正电荷(或无穷远)，终于负电荷(或无穷远)；○2不相交，不闭合；○3不能穿过处于静电平衡状态的导体。(4)电场线、场强、电势、等势面的相互关系。○1电场线与场强的关系；电场线越密的地方表示场强越大，电场线上每一点的切线方向表示该点的场强方向。○2电场线与电势的关系：沿着电场线方向，电势越来越低；○3电场线与等势面的关系：电场线越密的地方等差等势面也越密，电场线与通过该处的等势面垂直；○4场强与电势无直接关系：场强大(或小)的地方电势不一定大(或小)，零电势可由人为选取，而场强是否为零则由电场本身决定；○5场强与等势面的关系：场强方向与通过该处的等势面垂直且由高电势指向低电势，等差等势面越密的地方表示场强越大。4.掌握电场力做功计算方法（1）电场力做功与电荷电势能的变化的关系。电场力对电荷做正功时，电荷电势能减少；电场力对电荷做负功时，电荷电势能增加，电势能增加或减少的数值等于电场力做功的数值。（2）电场力做功的特点电荷在电场中任意两点间移动时，它的电势能的变化量是确定的，因而移动电荷做功的值也是确定的，所以，电场力移动电荷所做的功，与移动的路径无关，仅与始末位置的电势差有关，这与重力做功十分相似。（3）计算方法○1由功的定义式W=F·s来计算，但在中学阶段，限于数学基础，要求式中F为恒力才行，所以，这个方法有局限性，仅在匀强电场中使用。○2用结论“电场力做功等于电荷电势能增量的负值”来计算，即W=-电E，已知电荷电势能的值时求电场力的功比较方便。○3用W=qUAB来计算，此时，一般又有两个方案：一是严格带符号运算，q和UAB均考虚正和负，所得W的正、负直接表明电场力做功的正、负；二是只取绝对值进行计算，所得W只是功的数值，至于做正功还是负功?可用力学知识判定。5.深刻理解电场中导体静电平衡条件。把导体放入电场时，导体的电荷将出现重新分布，当感应电荷产生的附加场强E附和原场强E原在导体内部叠加为零时，自由电子停止定向移动，导体处于静电平衡状态。孤立的带电体和处于电场中的感应导体，处于静电平衡时，其特征：(1)导体内部场强处处为零，没有电场线(叠加后的)；(2)整个导体是等势体，导体表面是等势面；(3)导体外部电场线与导体表面垂直，表面场强不一定为零；(4)对孤立导体，净电荷分布在外表面。处理静电平衡问题的方法：(1)直接用静电平衡的特征进行分析；(2)画出电场中电场线，进而分析电荷在电场力作用下移动情况。注意两点：(1)用导线接地或用手触摸导体可把导体和地球看成一个大导体。(2)一般取无穷远和地球的电势为零。6.深刻理解电容器电容概念电容器的电容C=Q/U=△Q/△U,此式为定义式，适用于任何电容器。平行板电容器的电容的决定式为C=kdS4.对平行板电容器有关的Q、E、U、C的讨论要熟记两种情况：(1)若两极保持与电源相连，则两极板间电压U不变；(2)若充电后断开电源，则带电量Q不变。二、解析典型问题问题1：会解电荷守恒定律与库仑定律的综合题。求解这类问题关键进抓住“等大的带电金属球接触后先中和，后平分”，然后利用库仑定律求解。注意绝缘球带电是不能中和的。例1、有三个完全一样的金属小球A、B、C，A带电量7Q，B带电量-Q，C不带电，将A、B固定，相距r，然后让C球反复与A、B球多次接触，最后移去C球，试问A、B两球间的相互作用力变为原来的多少倍?分析与解:题中所说C与A、B反复接触之间隐含一个解题条件：即A、B原先所带电量的总和最后在三个相同的小球间均分，则A、B两球后来带的电量均为3)(7QQ=2Q。A、B球原先是引力，大小为：F=2222217.7rQkrQQkrqqKA、B球后来是斥力，大小为：2222'2'1'42.2rQkrQQkrqqKFF′F74，A、B间的相互作用力减为原来的4/7.例2、两个相同的带电金属小球相距r时，相互作用力大小为F，将两球接触后分开，放回原处，相互作用力大小仍等于F，则两球原来所带电量和电性()A.可能是等量的同种电荷；B.可能是不等量的同种电荷；C．可能是不量的异种电荷；D.不可能是异种电荷。分析与解：若带同种电荷，设带电量分别为Q1和Q2，则221rQQKF，将两球接触后分开，放回原处后相互作用力变为：2221/4)(rQQKF，显然只有Q1=Q2时，才有F=F/，所以A选项正确，B选项错误；若带异种电荷，设带电量分别为Q1和-Q2，则221rQQKF，将两球接触后分开，放回原处后相互作用力变为：2221/4)(rQQKF，显然只有在21)223(QQ时，才有F=F/，所以C选项正确，D选项错误。问题2：会解分析求解电场强度。电场强度是静电学中极其重要的概念，也是高考中考点分布的重点区域之一。求电场强度的方法一般有：定义式法、点电荷场强公式法、匀强电场公式法、矢量叠加法等。例3、如图1所示，用长为l的金属丝弯成半径为r的圆弧，但在A、B之间留有宽度为d的间隙，且dr，将电量为Q的正电荷均匀分布于金属丝上，求圆心处的电场强度。分析与解：中学物理只讲到有关点电荷场强的计算公式和匀强电场场强的计算方法，本问题是求一个不规则带电体所产生的场强，没有现成公式直接可用，需变换思维角度。假设将这个圆环缺口补上，并且已补缺部分的电荷密度与原有缺口的环体上的电荷密度一样，这样就形成一个电荷均匀分布的完整带电环，环上处于同一直径两端的微小部分所带电荷可视为两个相对应的点电荷，它们在圆心O处产生的电场叠加后合场强为零。根据对称性可知，带电圆环在圆心O处的总场强E=0。至于补上的带电小段，由题给条件可视做点电荷，它在圆心O处的场强E1是可求的。若题中待求场强为E2，则EE120。设原缺口环所带电荷的线密度为drAB图1，Qrd/()2，则补上的那一小段金属线的带电量QdQ''，在O处的场强为EkQr12'/，由EE120可得EE21，负号表示E2与E1反向，背向圆心向左。例4、如图2所示，均匀带电圆环所带电荷量为Q，半径为R，圆心为O，P为垂直于圆环平面的对称轴上的一点，OP=L，试求P点的场强。分析与解：设想将圆环等分为n个小段，当n相当大时，每一小段都可以看做点电荷。其所带电荷量为qQn/，由点电荷场强公式可求得每一点电荷在P处的场强为：EkQnrkQnRL//()222由对称性可知，各小段带电环在P处的场强E的垂直于轴向的分量Ey相互抵消，而E的轴向分量Ex之和即为带电环在P处的场强EP。EnEnkQnRLPx()cos22nkQnRLLRLkQLRL()()22222232。例5、如图3所示，abc、、是匀强电场中的三点，并构成一等边三角形，每边长为cmL21，将一带电量Cq6102的电荷从a点移到b点，电场力做功JW51102.1；若将同一点电荷从a点移到c点，电场力做功W2=6×10-6J,试求匀强电场的电场强度E。分析与解：因为，VqWUabab0.6102102.165UWqVacacca30.，，所以UVcb90..将cb分成三等份，每一等份的电势差为3V，如图3所示，连接ad，并从c点依次作ad的平行线，得到各等势rORLEyEPExP图2cdabeE6V9V图3线，作等势线的垂线ce，场强方向由c指向e，所以coscosLULUEabcb，因为3260coscos，，32603coscos()cossin，2312coscosEULVmabcos/.200问题3：会根据给出的一条电场线，分析推断电势和场强的变化情况。例6、如图4所示，a、b、c是一条电场线上的三个点，电场线的方向由a到c，a、b间距离等于b、c间距离。用Ua、Ub、Uc和Ea、Eb、Ec分别表示a、b、c三点的电势和电场强度，可以判定：AUaUbUcBUa—Ub＝Ub—UcCEaEbEcDEa=Eb=Ec分析与解：从题中只有一根电场线，无法知道电场线的疏密，故电场强度大小无法判断。根据沿着电场线的方向是电势降低最快的方向，可以判断A选项正确。有不少同学根据“a、b间距离等于b、c间距离”推断出“Ua—Ub＝Ub—Uc”而错选B。其实只要场强度大小无法判断，电场力做功的大小也就无法判断，因此电势差的大小也就无法判断。例7、如图5所示，在a点由静止释放一个质量为m,电荷量为q的带电粒子，粒子到达b点时速度恰好为零，设ab所在的电场线竖直向下，a、b间的高度差为h，则（）A．带电粒子带负电；B．a、b两点间的电势差Uab=mgh/q;C．b点场强大于a点场强；D．a点场强大于b点场强.分析与解：带电粒子由a到b的过程中，重力做正功，而动能没有增大，说明电场力做负功。根据动能定理有：mgh-qUab=0解得a、b两点间电势差为Uab=mgh/q.因为a点电势高于b点电势，Uab0,所以粒子带负电，选项AB皆正确。带电粒子由a到b运动过程中，在重力和电场力共同作用下，先加速运动后减速运动；因为重力为恒力，所以电场力为变力，且电场力越来越来越大；由此可