高考物理一轮复习考点精讲精练第18讲　电容器 带电粒子在电场中的运动（2份打包，原卷版+解析版）

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1.理解电容器的基本概念，掌握好电容器的两类动态分析.
2.能运用运动的合成与分解解决带电粒子的偏转问题.
3.用动力学方法解决带电粒子在电场中的直线运动问题．
考点一 平行板电容器的动态分析
1．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异种电荷，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，放电过程中电场能转化为其他形式的能．
2．对公式C＝eq \f(Q,U)的理解
电容C＝eq \f(Q,U)，不能理解为电容C与Q成正比、与U成反比，一个电容器电容的大小是由电容器本身的因素决定的，与电容器是否带电及带电多少无关．
3．两种类型的动态分析思路
(1)确定不变量，分析是电压不变还是所带电荷量不变．
(2)用决定式C＝eq \f(εrS,4πkd)分析平行板电容器电容的变化．
(3)用定义式C＝eq \f(Q,U)分析电容器所带电荷量或两极板间电压的变化．
(4)用E＝eq \f(U,d)分析电容器两极板间电场强度的变化．

（2024•嘉兴模拟）如图所示是电容式话筒示意图，振动膜片涂有薄薄的金属层，膜后几十微米处是固定的金属片，两者构成了电容器的两极。当声音传至振动膜片时，带动膜片振动，引起两极板间距变化。则（ ）
A．膜片振动过程中电容器两极间电压恒定
B．膜片向右振动时通过电阻R的电流向左
C．声音频率越高时话筒的输出信号越强
D．膜片振动频率与声音频率无关
（2024•琼山区校级模拟）磷脂双分子层是构成细胞膜的基本支架，分子层之间具有弹性，可近似类比成劲度系数为k'的轻质弹簧。细胞膜上的离子泵可以输运阴阳离子，使其均匀地分布在分子层上，其结构示意如图所示。已知无限大均匀带电薄板周围的电场为匀强电场，静电力常量为k，介质的相对介电常数为εr，细胞膜的面积S≫d2。当内外两膜层分别带有电荷量Q和﹣Q时，关于两分子膜层之间距离的变化情况，下列说法正确的是（ ）
A．分子层间的距离增加了
B．分子层间的距离减小了
C．分子层间的距离增加了
D．分子层间的距离减小了
（多选）（2024•江西模拟）电容式加速度传感器是常见的手机感应装置，结构如图所示。质量块的上端连接轻质弹簧，下端连接电介质，弹簧与电容器固定在外框上，质量块带动电介质移动改变电容，则下列说法正确的是（ ）
A．电介质插入极板越深，电容器电容越大
B．当传感器处于静止状态时，电容器不带电
C．当传感器由静止突然向前加速时，会有电流由a流向b
D．当传感器以恒定加速度向前运动，达到稳定后电流表指针不偏转
考点二 带电粒子(或带电体)在电场中的直线运动
1．做直线运动的条件
(1)粒子所受合外力F合＝0，粒子或静止，或做匀速直线运动．
(2)粒子所受合外力F合≠0，且与初速度方向在同一条直线上，带电粒子将做匀加速直线运动或匀减速直线运动．
2．用功能观点分析
a＝eq \f(F合,m)，E＝eq \f(U,d)，v2－veq \\al(2,0)＝2ad.
3．用功能观点分析
匀强电场中：W＝Eqd＝qU＝eq \f(1,2)mv2－eq \f(1,2)mveq \\al( 2,0)
非匀强电场中：W＝qU＝Ek2－Ek1
（多选）（2023•大连模拟）静电植绒技术于3000多年前在中国首先起步。如图所示为植绒流程示意图，将绒毛放在带负电荷的容器中，使绒毛带负电，容器与带电极板之间加恒定电压，绒毛成垂直状加速飞到需要植绒的布料表面上。已知绒毛到达布料表面时速率越大，植绒效果越好。带电极板与布料间距忽略不计，下列判断正确的是（ ）
A．带电极板带负电
B．绒毛在飞往需要植绒的物体的过程中，电势能不断减少
C．带电量相同，质量大的绒毛，植绒效果越好
D．若减小容器与带电极板之间的距离，植绒效果不变
（2024•合肥二模）我国是世界上第三个突破嵌套式霍尔电推进技术的国家。霍尔推进器的工作原理简化如图所示，放电通道的两极间存在一加速电场。工作物质氙气进入放电通道后被电离为氙离子，经电场加速后以某一速度喷出，从而产生推力。某次实验中，加速电压为U，氙离子向外喷射形成的电流强度为I。氙离子的电荷量与质量分别为q和m，忽略离子的初速度及离子间的相互作用，则离子推进器产生的推力为（ ）
A．IB．IC．ID．I
（多选）（2023秋•广州期末）水平地面上方存在水平方向的匀强电场。质量为m、带负电且电荷量为q的小球A以一定的初速度v0从地面上的O点射入匀强电场，速度方向与水平方向的夹角为53°，恰好沿v0方向离开地面在竖直平面内做直线运动，则（ ）
A．电场方向水平向右且电场力大小为mg
B．从地面到最高点，克服重力做功为
C．从地面到最高点，克服电场力做功为0.18
D．从地面出发再回到地面用时为
考点三 带电粒子在电场中的偏转
1．带电粒子在电场中的偏转
(1)条件分析：带电粒子垂直于电场线方向进入匀强电场．
(2)运动性质：匀变速曲线运动．
(3)处理方法：分解成相互垂直的两个方向上的直线运动，类似于平抛运动．
(4)运动规律：
①沿初速度方向做匀速直线运动，运动时间
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a.能飞出电容器：t＝\f(l,v0).,b.不能飞出电容器：y＝\f(1,2)at2＝\f(qU,2md) t2，t＝ \r(\f(2mdy,qU))))
②沿电场力方向，做匀加速直线运动
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(加速度：a＝\f(F,m)＝\f(qE,m)＝\f(qU,md),离开电场时的偏移量：y＝\f(1,2)at2＝\f(qUl2,2mdv\\al(2,0)),离开电场时的偏转角：tan θ＝\f(vy,v0)＝\f(qUl,mdv\\al(2,0))))
2．带电粒子在匀强电场中偏转时的两个结论
(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，偏移量和偏转角总是相同的．
证明：由qU0＝eq \f(1,2)mveq \\al( 2,0)
y＝eq \f(1,2)at2＝eq \f(1,2)·eq \f(qU1,md)·(eq \f(l,v0))2
tan θ＝eq \f(qU1l,mdv\\al( 2,0))
得：y＝eq \f(U1l2,4U0d)，tan θ＝eq \f(U1l,2U0d)
(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到偏转电场边缘的距离为eq \f(l,2).
3．带电粒子在匀强电场中偏转的功能关系
当讨论带电粒子的末速度v时也可以从能量的角度进行求解：qUy＝eq \f(1,2)mv2－eq \f(1,2)mveq \\al(2,0)，其中Uy＝eq \f(U,d)y，指初、末位置间的电势差．
（多选）（2024•西城区校级模拟）如图所示，一带负电粒子（不计重力）质量为m、电荷量大小为q，以初速度v0沿两板中央水平方向射入水平放置、距离为d、电势差为U的一对平行金属板间，经过一段时间从两板间飞出，在此过程中，已知粒子动量变化量的大小为Δp，下列说法正确的是（ ）
A．粒子在两板间运动的加速度大小为
B．粒子从两板间离开时的速度大小为
C．金属板的长度为
D．入射点与出射点间的电势差为
（2023•和平区校级模拟）如图所示，空间有竖直向下的匀强电场E，从倾角30°的斜面上A点平抛一带电小球，落到斜面上的B点，空气阻力不计，下列说法中正确的是（ ）
A．若将平抛初速度减小一半，则小球将落在AB两点的中点
B．平抛初速度不同，小球落到斜面上时的速度方向与斜面间的夹角不同
C．平抛初速度不同，小球落到斜面上时的速度方向与斜面间夹角正切值一定相同，等于2tan30°
D．若平抛小球的初动能为6J，则落到斜面上时的动能为14J
（2023•海淀区校级模拟）如图所示，场强大小为E，方向竖直向下的匀强电场中有一矩形区域abcd，水平边ab长为s，竖直边ad长为h。质量均为m，带电量分别为+q和﹣q的两粒子，由a，c两点先后沿ab和cd方向以速率v0进入矩形区域（两粒子不同时出现在电场中）。不计重力，若两粒子轨迹恰好相切，则v0等于（ ）
A．B．C．D．
（2023•福建模拟）1897年，物理学家汤姆孙正式测定了电子的比荷，揭开了原子神秘的面纱。如图所示为汤姆外测定电子比荷装置的简化示意图，阴极K发出的电子由静止经过加速电压U0加速后，沿轴线进入两平行极板C、D间。仅在C、D极板间施加一定电压，电子从C、D右侧离开时偏离轴线距离为y；若保持电压不变，在C、D间加上与纸面垂直的磁场，发现电子沿直线前进。已知电子的电荷量大小为e，质量为m。C、D极板间距为d，长度为L。求：
（1）电子经过加速电压U0加速后的速度大小v0；
（2）C、D极板间所加的电压大小U；
（3）C、D极板间所加磁场的磁感应强度的大小B。
考点四 带电体在复合场中的运动
等效法处理叠加场问题
1．各种性质的场(物质)与实际物体的根本区别之一是场具有叠加性，即几个场可以同时占据同一空间，从而形成叠加场．
2．将叠加场等效为一个简单场，其具体步骤是：先求出重力与电场力的合力，将这个合力视为一个“等效重力 ”，将a＝eq \f(F合,m)视为“等效重力加速度”．再将物体在重力场中做圆周运动的规律迁移到等效重力场中分析求解即可．
（多选）（2024•武侯区校级模拟）如图，竖直面内有半径为R的四分之一光滑圆弧轨道BC，固定在光滑的水平地面上，且圆弧轨道最低点C与水平地面相切。空间加有水平向右的匀强电场，A点位于B点左上方，相对于B点的水平距离和竖直高度均为R，一可视为质点的带电小球从A点以某一速度水平抛出，恰能从B点无碰撞地沿圆弧切线进入轨道，小球离开轨道后，运动到D点（D点未画出）时速度减为零，则（ ）
A．小球带负电
B．CD段长度为2R
C．小球从A点抛出时的速度为
D．从A点到D点过程中小球的电势能增加了3mgR
（多选）（2024•大足区校级模拟）科技馆中有一光滑绝缘轨道如图所示，轨道由半径为R＝2m的竖直光滑绝缘圆轨道和光滑水平轨道构成，A点所在的半径与竖直直径BC成37°角。若空间存在一个水平向右、大小为E＝1.0×104V/m的匀强电场，质量均为0.04kg，电荷量均为为q＝+3×10﹣5C的小球在C点获得一个速度，恰好能过A点，已知sin37°＝0.6，cs37°＝0.8，g＝10m/s2。下列说法正确的是（ ）
A．小球在A点的速度是5m/s
B．小球在C点的速度是
C．经过A点后，小球经过0.6s落到地面上
D．小球落地点距离C点2.4m
（多选）（2024•青羊区校级模拟）如图所示，竖直平面内建立直角坐标系，整个空间存在平行xy平面的匀强电场，电场强度方向与y轴正方向成45°角。质量为m的带电小球从坐标原点沿x轴的正方向以初速度v0水平抛出，经过一段时间小球以的速度穿过y轴正半轴某点（图中未画），重力加速度为g，不计空气阻力。则下列说法正确的是（ ）
A．小球所受电场力大小为
B．小球所受电场力大小为
C．小球电势能最大时动能最小
D．小球电势能最大时水平速度大小等于竖直速度大小
（2024•昌乐县校级模拟）如图所示，空间中在一矩形区域Ⅰ内有场强大小E1＝1×102N/C、方向水平向右的匀强电场；一条长L＝0.8m且不可伸长的轻绳一端固定在区域Ⅰ的左上角O点，另一端系一质量m1＝0.5kg、带电荷量q＝﹣0.1C的绝缘带电小球a；在紧靠区域Ⅰ的右下角C点竖直放置一足够长、半径R＝1m的光滑绝缘圆筒，圆筒上端截面水平，CD是圆筒上表面的一条直径且与区域Ⅰ的下边界共线，直径MN与直径CD垂直，圆筒内左半边MNCHJK区域Ⅱ中存在大小E2＝20N/C、方向垂直纸面向里的匀强电场。把小球a拉至A点（轻绳绷直且水平）静止释放，当小球a运动到O点正下方B点时，轻绳恰好断裂。小球a进入电场继续运动，刚好从区域Ⅰ的右下角C点竖直向下离开电场E1，然后贴着圆筒内侧进入区域Ⅱ。已知重力加速度大小取g＝10m/s2，绳断前、断后瞬间，小球a的速度保持不变，忽略一切阻力。求：
（1）轻绳的最大张力Tm；
（2）小球a运动到C点时速度的大小vC和小球a从B到C过程电势能的变化量ΔEp；
（3）若小球a刚进入圆筒时，另一绝缘小球b从D点以相同速度竖直向下贴着圆筒内侧进入圆筒，小球b的质量m2＝0.5kg，经过一段时间，小球a、b发生弹性碰撞，且碰撞中小球a的电荷量保持不变，则从小球b进入圆筒到与小球a发生第5次碰撞后，小球b增加的机械能ΔEb是多大。
题型1平行板电容器两类动态的分析
（2024•曲靖一模）如图所示，平行板电容器与直流电源、理想二极管、电阻R连接，电源负极接地。初始电容器不带电，闭合开关稳定后，一带电油滴位于电容器中的P点且处于静止状态。下列说法正确的是（ ）
A．减小极板间的正对面积，带电油滴仍保持静止
B．贴着上极板插入金属板，则电阻R中有b流向a的电流
C．将下极板向上移动一小段距离，P点处的油滴的电势能增大
D．将开关断开，在两板间插入一陶瓷电介质，则油滴仍处于静止状态
（2024•嘉兴一模）如图所示，将静电计与电容器（图中未画出）相连，可检测带电电容器的两极间的电压变化。带电静电计的金属指针和圆形金属外壳的空间内存在电场，分别用实线和虚线表示电场线和等势面，该空间内有P、Q两点，则（ ）
A．静电计两根金属指针带异种电荷
B．图中实线表示电场线，虚线表示等势面
C．图中P点电势一定高于Q点电势
D．当静电计两指针张角减小时，表明电容器在放电
（多选）（2024•泰安一模）如图所示，带电平行板电容器两极板水平放置，充电后与电源断开。带电小球静止于电容器内的A点，B点位于上极板附近，忽略电容器极板的边缘效应及带电小球对电场的影响。下列说法正确的是（ ）
A．把小球由A点移到B点，小球的电势能增大
B．把小球由A点移到B点，小球的电势能减小
C．若将下极板向上移动一小段距离，小球在A点时的电势能减小
D．若将下极板向上移动一小段距离，小球在A点时的电势能增大
题型2生产生活中的电容器动态分析
（2024•南京模拟）电容式加速度传感器可用于汽车安全气囊系统，传感器的核心部件为由M、N两块极板组成的平行板电容器，其中极板N固定，极板M可以自由移动，移动的距离与汽车的加速度大小成正比。已知电容器所带电荷量始终保持不变，当汽车速度减小时，由于惯性导致极板M、N之间的相对位置发生变化，电容器M、N两极板之间的电压减小，当电压减小到某一值时，安全气囊弹出。下列车内平行板电容器的安装方式正确的是（ ）
A．B．C．D．
（2024•顺德区二模）如图甲所示，计算机键盘为电容式传感器，每个键下面由相互平行、间距为d的活动金属片和固定金属片组成，两金属片间有空气间隙，两金属片组成一个平行板电容器，如图乙所示。其内部电路如图丙所示，则下列说法正确的是（ ）
A．按键的过程中，电容器间的电场强度减小
B．按键的过程中，电容器储存的电能增多
C．按键的过程中，图丙中电流方向从a经电流计流向b
D．按键的过程中，电容器上极板电势低于下极板电势
（2024•甘肃模拟）随着人们对身体健康意识的不断增强，户外旅行、户外运动也较前几年大幅增长。人们使用的智能手机中有一款运动软件，其运动步数的测量原理如图所示，M和N为电容器两极板，M固定，N两端与固定的两轻弹簧连接，只能按图中标识的“前后”方向运动。则手机（ ）
A．若电容器带电量增大，则可能是健身者向前匀速运动时突然减速
B．若电流表示数不为零且保持不变，则健身者做匀速运动
C．若电流由a点流向b点，则健身者突然向前加速
D．若M、N之间的电场强度增大，则健身者向后做匀加速运动
题型3电场中带电粒子/体的直线运动
（多选）（2023秋•泉州期中）如图所示，A、B是一对中心有孔的圆盘，它们间有一定的电势差UAB。一电子（不计重力）以一定初动能Ek0进入A圆盘中心，速度水平向右为正方向，那么电子飞出圆盘中心过程中的速度—时间图像判断正确的（ ）
A．如果初动能Ek0＝600eV，UAB＝800V时，运动—速度—时间图像可能是图像③
B．如果初动能Ek0＝600eV，UAB＝﹣800V时，运动—速度—时间图像可能是图像③
C．如果初动能Ek0＝600eV，UAB＝800V时，运动—速度—时间图像可能是图像②
D．如果初动能Ek0＝600eV，UAB＝﹣800V时，运动—速度—时间图像可能是图像①
在进行长距离星际运行时，不再使用化学燃料，而采用一种新型发动机一离子发动机，其原理是用恒定电压加速一价惰性气体离子，将加速后的气体离子高速喷出，利用反冲作用使飞船本身得到加速。在氦、氖、氩、氪、氙多种气体中选用了氙，已知这几种气体离子的质量中氙的质量最大，下列说法正确的是（ ）
A．用同样的电压加速，一价氙离子喷出时速度更大
B．用同样的电压加速，一价氙离子喷出时动量更大
C．用同样的电压加速，一价氙离子喷出时动能更大
D．一价氙离子体积更小，不容易堵塞发动机
如图所示，相距为d的两平行金属板间存在匀强电场。一个电子从左极板O点处以速度v0沿垂直于极板的方向射出，最远到达A点，然后返回。已知O、A两点相距为h（h＜d），电子质量为m，电荷量为e，不计电子重力。
（1）求O、A两点间的电势差大小UOA；
（2）求两平行金属极间电势差大小U；
（3）设右极板电势为零，求A点电势φA。
题型4电场中带电粒子/体的抛体运动
（2023秋•大兴区期末）甲、乙两个带电粒子的电荷量和质量分别为（﹣q，m）、（﹣q，4m），它们先后经过同一加速电场由静止开始加速后，由同一点进入同一偏转电场，两粒子进入时的速度方向均与偏转电场垂直，如图所示。粒子重力不计，则甲、乙两粒子（ ）
A．进入偏转电场时速度大小之比为1：2
B．在偏转电场中运动的时间相同
C．离开偏转电场时的动能之比为1：4
D．离开偏转电场时垂直于板面方向偏移的距离之比为1：1
如图所示，平行金属板A、B水平正对放置，分别带等量异种电荷。一带电微粒水平射入板间，在重力和静电力共同作用下运动，轨迹如图中虚线所示，那么（ ）
A．若微粒带正电荷，则A板一定带正电
B．微粒从M点运动到N点动能一定增加
C．微粒从M点运动到N点电势能一定增加
D．微粒从M点运动到N点机械能一定增加
（2023秋•天津期末）某放射源会不断向空间内各个方向发射速度大小均为v0的电子，电子的质量为m、所带电荷量为e，放射源置于真空容器内，该容器底部有一水平放置的荧光屏，当有电子打到上面时会发出淡淡的荧光，从而可以用来检测电子打到的位置。容器内存在竖直向上的匀强电场，电场强度大小为E，放射源与荧光屏间的距离为。荧光屏和容器的空间足够大，忽略电子间的相互作用及电子的重力，求：
（1）电子打在荧光屏上的速度大小；
（2）大量沿水平方向飞出的电子落在荧光屏上的点形成的圆的半径；
（3）竖直向下飞出的电子从发射到打在荧光屏上所用时间。
题型5带电体在等效重力场中的运动
（2023秋•南宁期末）如图，绝缘细线的一端固定在O点，另一端系一带正电的小球。小球处在水平方向的匀强电场中仅受重力、电场力、绳子拉力的作用，在竖直平面内做圆周运动。已知小球所受的电场力大小等于重力大小，则有关小球在a、b、c、d四点的描述正确的是（ ）
A．在最高点a处的机械能最大
B．在最低点c处的机械能最大
C．在水平直径右端b处的机械能最大
D．在水平直径左端d处的机械能最大
（多选）（2024•青羊区校级模拟）如图所示，在地面上方的水平匀强电场中，一个质量为m、电荷量为+q的小球，系在一根长为d的绝缘细线一端，可以在竖直平面内绕O点做圆周运动。AB为圆周的水平直径，CD为竖直直径。已知重力加速度为g，电场强度E，下列说法正确的是（ ）
A．若小球恰能在竖直平面内绕O点做圆周运动，则它运动的最小速度为
B．若小球在竖直平面内绕O点做圆周运动，则小球运动到A点时的机械能最小
C．若将小球在A点由静止开始释放，则小球沿ACB做圆周运动，到B点会有一定的速度
D．若将细线剪断，再将小球在A点以大小为的速度竖直向上抛出，小球将不能到达B点
（2024•南充模拟）如图，足够长的光滑绝缘水平台面左端固定一被压缩的绝缘轻质弹簧，一个质量m＝0.05kg的可视为质点的带电小球与弹簧接触但不栓接，小球带电荷量q＝+1×10﹣4C。某一瞬间释放弹簧弹出小球，小球从水平台面右端A点飞出，恰好能以v＝5m/s的速率没有碰撞地落到粗糙倾斜轨道的最高点B，并沿轨道滑下。已知倾斜轨道与水平方向夹角为α＝37°、倾斜轨道长为L＝2.75m，带电小球与倾斜轨道间的动摩擦因数μ＝0.5。倾斜轨道通过光滑水平轨道CD与半径R＝0.5m的光滑过山车模型的竖直圆轨道相连，小球在C点没有机械能损失，运动过程小球的电荷量保持不变。竖直圆轨道处在范围足够大的竖直向下的匀强电场中，圆轨道上的一点P位于圆轨道最低点D的右侧，距水平轨道高为h0＝0.06m（cs37°＝0.8，sin37°＝0.6，取g＝10m/s2）。求：
（1）AB间的竖直距离h及被释放前弹簧的弹性势能Ep；
（2）要使小球不脱离轨道（水平轨道足够长），电场强度E所满足的条件；
（3）如果E＝2×104N/C，小球进入轨道后，能够通过P点的次数。