高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电势能和电势学案及答案

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电势能和电势学案及答案，共8页。

1．知道静电力做功的特点，掌握静电力做功与电势能变化的关系.
2.理解电势的定义、定义式、单位，能根据电场线判断电势高低．
[基础梳理]
一、静电力做功的特点
1．静电力做功：在匀强电场中，静电力做功W＝qElcs θ.其中θ为静电力与位移方向之间的夹角．
2．特点：在静电场中移动电荷时，静电力所做的功与电荷的起始位置和终止位置有关，与电荷经过的路径无关．
二、电势能
1．电势能：电荷在电场中具有的势能，用Ep表示．
2．静电力做功与电势能变化的关系：静电力做的功等于电势能的减少量．表达式：WAB＝EpA－EpB.
(1)静电力做正功，电势能减少；
(2)静电力做负功，电势能增加．
3．电势能的大小：电荷在某点(A点)的电势能，等于把它从这点移动到零势能位置时静电力做的功EpA＝WA0.
4．电势能具有相对性
电势能零点的规定：通常把电荷在离场源电荷无限远处或把电荷在大地表面的电势能规定为零．
三、电势
1．定义：电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量之比．
2．公式：φ＝eq \f(Ep,q).
3．单位：国际单位制中，电势的单位是伏特，符号是V,1 V＝1 J/C.
4．电势高低的判断：沿着电场线的方向电势逐渐降低．
5．电势的相对性：只有规定了零电势点才能确定某点的电势，一般选大地或离场源电荷无限远处的电势为0.
6．电势是标量，只有大小，没有方向，但有正、负之分，同一电场中电势为正表示比零电势高，电势为负表示比零电势低．
[能力拓展]
一、静电力做功与电势能
1．静电力做功的特点
(1)静电力做的功与电荷的起始位置和终止位置有关，但与具体路径无关，这与重力做功特点相似．
(2)无论是匀强电场还是非匀强电场，无论是直线运动还是曲线运动，静电力做功均与路径无关．
2．电势能
(1)电势能Ep是由电场和电荷共同决定的，是电荷和电场所共有的，我们习惯上说成电荷在电场中某点的电势能．
(2)电势能是相对的，其大小与选定的参考点有关．确定电荷的电势能，首先应确定参考点，也就是零势能点的位置．
(3)电势能是标量，有正负但没有方向．在同一电场中，电势能为正值表示电势能大于零势能点的电势能，电势能为负值表示电势能小于零势能点的电势能．
3．静电力做功与电势能变化的关系
(1)WAB＝EpA－EpB.
静电力做正功，电势能减少；静电力做负功，电势能增加．
(2)在同一电场中，正电荷在电势高的地方电势能大，而负电荷在电势高的地方电势能小．
二、电势
1．对公式φ＝eq \f(Ep,q)的理解
(1)φ取决于电场本身；
(2)公式中的Ep、q均需代入正负号．
2．电场中某点的电势是相对的，它的大小和零电势点的选取有关．在物理学中，常取离场源电荷无限远处的电势为零，在实际应用中常取大地的电势为零．
3．电势虽然有正负，但电势是标量．在同一电场中，电势为正值表示该点电势高于零电势，电势为负值表示该点电势低于零电势，正负号不表示方向．
4．电势高低的判断方法
(1)电场线法：沿电场线方向，电势越来越低．
(2)电势能判断法：由φ＝eq \f(Ep,q)知，对于正电荷，电势能越大，所在位置的电势越高；对于负电荷，电势能越小，所在位置的电势越高．
[随堂演练]
1．如图是某电场中一条直电场线，在电场线上有A、B两点，将一个正电荷由A点以某一初速度vA释放，它能沿直线运动到B点，且到达B点时速度恰好为零。根据上述信息可知（ ）
A．场强大小B．场强大小
C．电势高低D．电势高低
2．某静电场中的电场线方向不确定，分布如图所示，带电粒子在电场中仅受静电力作用，其运动轨迹如图中虚线所示，由M运动到N，以下说法正确的是（ ）
A．粒子带正电荷
B．粒子在M点的电势能大于它在N点的电势能
C．该静电场是孤立正电荷产生的
D．粒子在M点的电势高于它在N点的电势
3．如图所示，A、B、C、D为圆上的四个点，圆的半径为R。其中AB与CD交于圆心O且相互垂直，E、F是关于O点对称的两点但到O点的距离大于圆的半径，E、F两点的连线与AB、CD都垂直。在A、B两点放置电荷量均为Q的异种点电荷，静电力常量为k。则下列说法正确的是（ ）
A．C点的电场强度大小为
B．D、E两点电势相等
C．将一正点电荷由C点沿CE连线移到E点，电场力一直做正功
D．从A点沿折线AOE路径电场强度先减小后增大
4．如图所示，在某孤立点电荷形成的电场中有A、B两点，已知A、B两点的场强方向如图所示，下列选项正确的是（ ）
A．某检验电荷在A点受的电场力等于在B点受的电场力
B．某检验电荷在A点受的电场力小于在B点受的电场力
C．某检验电荷在A点的电势能一定大于在B点的电势能
D．某检验电荷在A点的电势能可能小于在B点的电势能
5．一带负电粒子只在电场力作用下沿x轴正方向运动，其电势能Ep随位移x的变化关系如图所示，则粒子在从x1向x3运动的过程中，下列说法中正确的是（ ）
A．在x1处粒子速度最大B．在x2处粒子加速度最大
C．在x3处电势最高D．在x2处电势为零
6．如图所示，图中实线是一簇未标明方向的电场线虚线是某带电粒子通过该电场区城时的运动轨迹，a、b是轨迹运动方向相反的轨迹上的两点。若带电粒子在运动过程中只受电场力作用，根据此图可以判断（ ）
A．带电粒子所带电荷的电性B．a、b两点的电场强度方向
C．带电粒子在a点的速度小于在b点的速度D．带电粒子在a、b两点的受力方向
7．2020年12月4日；中国环流器二号M装置首次实现成功发电。这种利用强磁场约束氘、氚离子产生聚变的过程可以产生巨大的能量。假设在此过程中两正离子相互靠近时，它们间的库仑力逐渐___________；两个粒子组成的系统电势能逐渐___________。（选填“变小”、“变大”或“不变”）
8．在“用DIS描绘电场的等势线”的实验中，通过电源接上接线柱在导电物质上产生的稳定电流分布模拟________点电荷产生的静电场（选填“一个正”、“一个负”、“两个等量同种”或“两个等量异种”）
①给出的器材中，探测等势点的仪器应选用___________（选填“电压传感器”或“电流传感器”）；
②如图在A、B连线上取某点a，将一与传感器正极相连的探针固定于a点，另一探针在纸上移动，当移动到某点时传感器的读数为负，则这点电势___________（选填“高”、 “低”或“等”）于a点。
参考答案
1．D
【详解】
AB.根据题给条件无法判断A、B两点电场强度的大小关系，故AB错误；
CD.由题意可知正电荷从A到B的运动过程中电场力对其做负功，所以电场强度方向为由B指向A，根据沿电场线方向电势降低可知
故C错误，D正确。
故选D。
2．B
【详解】
A．电场线方向不确定，虽然根据轨迹可以判断受力方向，但是不能确定粒子的电性。故A错误；
B．根据粒子的轨迹弯曲情况，可判断出电场力与速度夹角为锐角，电场力做正功，电势能减小。即粒子在M点的电势能大于它在N点的电势能。故B正确；
C．从图中电场线的分布来看，不是孤立电荷产生的。故C错误；
D．粒子的电性不明，故无法判断其电势的高低。故D错误。
故选B。
3．B
【详解】
A．C点的电场强度大小为
选项A错误；
B．D、E两点在同一等势面上，则电势相等，选项B正确；
C．因平面CFDE是等势面，则将一正点电荷由C点沿CE连线移到E点，电场力不做功，选项C错误；
D．从A到O场强减小，从O到E场强也减小，则从A点沿折线AOE路径电场强度一直减小，选项D错误。
故选B。
4．D
【详解】
两条电场线延长线交于一点，即为点电荷Q的位置，根据电场线方向可知Q带正电，设A、B两点到Q的距离分别为rA和rB，由几何知识得到：
根据点电荷场强公式，可得A、B两点的电场强度关系为：EA＞ EB，某检验电荷在A点受的电场力大于在B点受的电场力，因为B点距离正点电荷Q远，所以φB<φA，根据 可知，某检验电荷在A点的电势能可能小于在B点的电势能，与电荷的电性有关，故D正确ABC错误。
故选D。
5．C
【详解】
A．带负电粒子只在电场力作用下运动，所以动能与势能之和是恒定的。则粒子在从x1向x3运动的过程中，在x3处的电势能最小，所以速度最大。A错误；
B．根据电场力做功与电势能的关系
从而解得
即图像中的斜率表示电场力大小，在x2处图像的斜率为零，所以粒子加速度为零。B错误；
C．负电荷在电势低的地方电势能大，在电势高的地方电势能小，在x3处的电势能最小，所以电势最高，C正确；
D．根据公式
可知在x2处电势不为零，D错误。
故选C。
6．D
【详解】
ABD．曲线运动的物体，受力的方向总是指向凹侧，因此粒子受电场力沿电场线向左，由于没有标明电场线方向，因此无法判定带电粒子所带电荷的电性，同样也无法判定电场强度的方向，AB错误，D正确；
C．带电粒子从a向b运动，电场力做负功，动能减小，因此粒子在a点的速度大于在b点的速度，C错误。
故选D。
7．变大 变大
【详解】
[1]根据库仑定律
可知，两正离子相互靠近时，它们间距离越来越小，则它们间的库仑力逐渐变大。
[2]两正离子相互靠近时，它们间的库仑力做负功，根据功能关系可得，两个粒子组成的系统电势能逐渐变大。
8．两个等量异种 电压传感器 高
【详解】
[1]本实验是用恒定电流场来模拟静电场；圆柱形电极AB接电源正极和电源负极，可以在AB之间形成电流，产生恒定的电流场，可以用此电流场模拟等量异种电荷的静电场。
①[2]本实验的目的是描绘电场等势线，等势面上各点之间的电势差为0，根据两点电势相等时，它们间的电势差即电压为零，来寻找等势点，故使用的传感器是电压传感器。
②[3]根据
Uab=φa－φb
即可判断该点的电势高于a点。