新高考物理一轮复习重难点练习专题18 静电场中力的性质（2份打包，原卷版+解析版）

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1.了解静电现象，能用电荷守恒的观点分析静电现象.
2.知道点电荷模型，体会科学研究中建立物理模型的方法，掌握并会应用库仑定律.
3.掌握电场强度的概念和公式，会用电场线描述电场.
4.掌握电场强度叠加的方法．
考点一 电荷守恒定律
1．元电荷、点电荷
(1)元电荷：e＝1.60×10－19 C，所有带电体的电荷量都是元电荷的整数倍．
(2)点电荷：代表带电体的有一定电荷量的点，忽略带电体的大小、形状及电荷分布状况对它们之间的作用力的影响的理想化模型．
2．电荷守恒定律
(1)内容：电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变．
(2)三种起电方式：摩擦起电、感应起电、接触起电．
(3)带电实质：物体得失电子．
(4)电荷的分配原则：两个形状、大小相同且带同种电荷的同种导体，接触后再分开，二者带等量同种电荷，若两导体原来带异种电荷，则电荷先中和，余下的电荷再平分．
【典例1】(多选)M和N是两个不带电的物体，它们互相摩擦后M带正电且所带电荷量为1.6×
10－10 C，下列判断正确的有( )
A．摩擦前在M和N的内部没有任何电荷
B．摩擦的过程中电子从M转移到N
C．N在摩擦后一定带负电且所带电荷量为1.6×10－10 C
D．M在摩擦过程中失去1.6×10－10个电子
考点二 库仑定律
1．内容
真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与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．
2．表达式
F＝keq \f(q1q2,r2)，式中k＝9.0×109 N·m2/C2，叫作静电力常量．
3．适用条件
真空中的静止点电荷．
(1)在空气中，两个点电荷的作用力近似等于真空中的情况，可以直接应用公式．
(2)当两个带电体间的距离远大于其本身的大小时，可以把带电体看成点电荷．
4．库仑力的方向
由相互作用的两个带电体决定，即同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引．

1．库仑定律适用于真空中静止点电荷间的相互作用．
2．对于两个均匀带电绝缘球体，可将其视为电荷集中在球心的点电荷，r为球心间的距离．
3．对于两个带电金属球，要考虑表面电荷的重新分布，如图所示．
(1)同种电荷：F＜keq \f(q1q2,r2)；
(2)异种电荷：F＞keq \f(q1q2,r2).
4．不能根据公式错误地认为r→0时，库仑力F→∞，因为当r→0时，两个带电体已不能看作点电荷了．
5.涉及静电场中的平衡问题，其解题思路与力学中的平衡问题一样，只是在原来受力的基础上多了静电力，具体步骤如下：
【典例2】（2022·河北·模拟预测）如图所示，真空中A、B两点分别固定两个相同的带电金属小球（均可视为点电荷），所带电荷量分别为＋Q和－5Q，在A、B的延长线上的C点处固定一电荷量为q的试探电荷，试探电荷受到的电场力大小为 SKIPIF 1 < 0 ，已知AB＝BC。若将两带电金属小球接触后再放回A、B两处时，试探电荷受到的电场力大小为 SKIPIF 1 < 0 ，则 SKIPIF 1 < 0 为（ ）
A． SKIPIF 1 < 0 B． SKIPIF 1 < 0 C． SKIPIF 1 < 0 D． SKIPIF 1 < 0
【典例3】如图是库仑做实验用的库仑扭秤．带电小球A与不带电小球B等质量，带电金属小球C靠近A，两者之间的库仑力使横杆旋转，转动旋钮M，使小球A回到初始位置，此时A、C间的库仑力与旋钮旋转的角度成正比．现用一个电荷量是小球C的三倍、其他完全一样的小球D与C完全接触后分开，再次转动旋钮M使小球A回到初始位置，此时旋钮旋转的角度与第一次旋转的角度之比为( )
A．1 B.eq \f(1,2) C．2 D．4
【典例4】(多选)如图所示，把A、B两个相同的导电小球分别用长为0.10 m的绝缘细线悬挂于OA和OB两点．用丝绸摩擦过的玻璃棒与A球接触，棒移开后将悬点OB移到OA点固定．两球接触后分开，平衡时距离为0.12 m．已测得每个小球质量是8.0×10－4 kg，带电小球可视为点电荷，重力加速度g＝10 m/s2，静电力常量k＝9.0×109 N·m2/C2，则( )
A．两球所带电荷量相等
B．A球所受的静电力为1.0×10－2 N
C．B球所带的电荷量为4eq \r(6)×10－8 C
D．A、B两球连线中点处的电场强度为0
考点三 电场强度的理解和计算
1．电场
(1)定义：存在于电荷周围，能传递电荷间相互作用的一种特殊物质；
(2)基本性质：对放入其中的电荷有力的作用．
2．电场强度
(1)定义：放入电场中某点的电荷受到的静电力与它的电荷量之比．
(2)定义式：E＝eq \f(F,q)；单位：N/C或V/m.
(3)矢量性：规定正电荷在电场中某点所受静电力的方向为该点电场强度的方向．
3．点电荷的电场：真空中距场源电荷Q为r处的场强大小为E＝keq \f(Q,r2).
4．电场线的特点
(1)电场线从正电荷或无限远出发，终止于无限远或负电荷．
(2)电场线在电场中不相交．
(3)在同一幅图中，电场强度较大的地方电场线较密，电场强度较小的地方电场线较疏．
(4)电场线上某点的切线方向表示该点的场强方向．
(5)沿电场线方向电势逐渐降低．
(6)电场线和等势面在相交处相互垂直．

1．三个计算公式的比较
2．等量同种和异种点电荷周围电场强度的比较
【典例5】（2022·上海市崇明中学模拟预测）如图，水平面上有一水平均匀带电圆环，带电量为 SKIPIF 1 < 0 ，其圆心为 SKIPIF 1 < 0 点。有一带电量 SKIPIF 1 < 0 ，质量为 SKIPIF 1 < 0 的小球，在电场力和重力作用下恰能静止在 SKIPIF 1 < 0 点正下方的 SKIPIF 1 < 0 点。 SKIPIF 1 < 0 间距为 SKIPIF 1 < 0 ， SKIPIF 1 < 0 与圆环边缘上任一点的连线与 SKIPIF 1 < 0 间的夹角为 SKIPIF 1 < 0 。静电力常量为 SKIPIF 1 < 0 ，则带电圆环在 SKIPIF 1 < 0 点处的场强大小为（ ）
A． SKIPIF 1 < 0 B． SKIPIF 1 < 0 C． SKIPIF 1 < 0 D． SKIPIF 1 < 0
【典例6】(2022·山东临沂市调研)某静电场的电场线如图中实线所示，虚线是某个带电粒子仅在静电力作用下的运动轨迹，下列说法正确的是( )
A．粒子一定带负电
B．粒子在M点的加速度小于在N点的加速度
C．粒子在M点的动能大于在N点的动能
D．粒子一定从M点运动到N点
考点四 电场强度的叠加
1．电场强度的叠加(如图所示)
2．“等效法”“对称法”和“填补法”
(1)等效法
在保证效果相同的前提下，将复杂的电场情景变换为简单的或熟悉的电场情景．
例如：一个点电荷＋q与一个无限大薄金属板形成的电场，等效为两个等量异种点电荷形成的电场，如图甲、乙所示．
(2)对称法
利用空间上对称分布的电荷形成的电场具有对称性的特点，使复杂电场的叠加计算问题大为简化．
例如：如图所示，均匀带电的eq \f(3,4)球壳在O点产生的场强，等效为弧BC产生的场强，弧BC产生的场强方向，又等效为弧的中点M在O点产生的场强方向．
(3)填补法
将有缺口的带电圆环或圆板补全为完整的圆环或圆板，或将半球面补全为球面，从而化难为易、事半功倍．
3．选用技巧
(1)点电荷电场、匀强电场场强叠加一般应用合成法．
(2)均匀带电体与点电荷场强叠加一般应用对称法．
(3)计算均匀带电体某点产生的场强一般应用补偿法或微元法．
【典例7】如图，四根彼此绝缘的均匀带电导线a、b、c、d围成一个正方形线框，线框在正方形中心O点产生的电场强度大小为E0，方向竖直向下；若仅撤去导线c，则O点场强大小变为E1，方向竖直向上，则若将导线c叠于导线a处，则O点场强大小变为( )
A．E1－E0 B．E1－2E0
C．2E1＋E0 D．2E1
【典例8】直角坐标系xOy中，M、N两点位于x轴上，G、H两点坐标如图所示．M、N两点各固定一负点电荷，一电荷量为Q的正点电荷置于O点时，G点处的电场强度恰好为零．静电力常量用k表示．若将该正点电荷移到G点，则H点处场强的大小和方向分别为( )
A.eq \f(3kQ,4a2)，沿y轴正向 B.eq \f(3kQ,4a2)，沿y轴负向
C.eq \f(5kQ,4a2)，沿y轴正向 D.eq \f(5kQ,4a2)，沿y轴负向
【典例9】均匀带电的球壳在球外空间产生的电场等效于电荷集中于球心处产生的电场．如图所示，在半球面AB上均匀分布正电荷，总电荷量为q，球面半径为R，CD为通过半球顶点与球心O的轴线，在轴线上有M、N两点，eq \x\t(OM)＝eq \x\t(ON)＝2R，已知M点的场强大小为E，则N点的场强大小为( )
A.eq \f(kq,2R2)－E B.eq \f(kq,4R2) C.eq \f(kq,4R2)－E D.eq \f(kq,4R2)＋E
一、单选题
1.（2022·全国·高三专题练习）某电场区域的电场线分布如图，在电场中有A、B、C、D四个点，下面说法正确的是（ ）
A． SKIPIF 1 < 0 B． SKIPIF 1 < 0
C． SKIPIF 1 < 0 D． SKIPIF 1 < 0
2．（2022·辽宁·高三期末）19世纪30年代，法拉第首先提出了电场概念，并用电场线简洁、形象的描述电场。对于静电场，以下认识正确的是（ ）
A．质子在电场中由静止释放，它的运动轨迹和电场线一定重合
B．电子只在电场力的作用下，一定逆着电场线的方向运动
C．在电场中可能存在闭合的电场线
D．在电场中不可能存在平行直线且相邻间距不相等的电场线
3．（2022·江苏·南京外国语学校模拟预测）如图所示，在 SKIPIF 1 < 0 轴坐标原点 SKIPIF 1 < 0 左右两侧对称固定安放等量的同种电荷 SKIPIF 1 < 0 ， SKIPIF 1 < 0 时刻在原点 SKIPIF 1 < 0 左侧离 SKIPIF 1 < 0 较近的A点（ SKIPIF 1 < 0 ）静止释放入 SKIPIF 1 < 0 点电荷，以下关于点电荷速度 SKIPIF 1 < 0 、加速度 SKIPIF 1 < 0 随时间以及合力 SKIPIF 1 < 0 电势能 SKIPIF 1 < 0 随坐标 SKIPIF 1 < 0 变化关系图像可能正确的是（ ）
A．B．
C．D．
4．（2022·全国·高三课时练习）在如图所示的四种电场中，分别标记有a、b两点。其中a、b两点的电场强度大小相等、方向相反的是( )
A．图甲中与点电荷等距的a、b两点
B．图乙中两等量异种点电荷连线的垂直平分线上与连线等距的a、b两点
C．图丙中两等量同种点电荷连线的垂直平分线上与连线等距的a、b两点
D．图丁中非匀强电场中的a、b两点
5．（2022·江苏省昆山中学模拟预测）水平光滑的绝缘木板上 SKIPIF 1 < 0 点的正上方固定一正点电荷，其电荷量为 SKIPIF 1 < 0 ， SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 为木板上以 SKIPIF 1 < 0 为圆心的三个等间距同心圆。现将一带正电的小球P从木板上 SKIPIF 1 < 0 点附近静止释放，在小球依次经过 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 位置的过程中，下列说法错误的是（ ）
A．点电荷电场的电势逐渐降低
B．点电荷电场的电场强度逐渐较小
C．小球运动的加速度逐渐减小
D．小球的电势能逐渐减小
6.（2022·全国·高三课时练习）如图所示，A点与B点间距离为2l，OCD是以B为圆心，以l为半径的半圆路径。A、B两处各放有一点电荷，电荷量分别为＋q和－q。下列说法正确的是（ ）
A．单位正电荷在O点所受的静电力与在D点所受的静电力大小相等、方向相反
B．单位正电荷从D点沿任意路径移到无限远，静电力做正功，电势能减小
C．单位正电荷从D点沿DCO移到O点，电势能增大
D．单位正电荷从O点沿OCD移到D点，电势能增大
7．（2022·全国·高三专题练习）如图，四根完全相同的均匀带正电绝缘长棒对称放置在长方体的四条长边a、b、c、d上。移去a处的绝缘棒，假定另外三根绝缘棒电荷分布不变。关于长方体几何中心O点处电场强度方向和电势的变化，下列说法正确的是（ ）
A．电场强度方向垂直指向a，电势减小B．电场强度方向垂直指向c，电势减小
C．电场强度方向垂直指向a，电势增大D．电场强度方向垂直指向c，电势增大
8．（2022·湖北·恩施市第一中学模拟预测）空间有一沿x轴对称分布的电场，其电场强度E随x变化的图像如图所示，x轴正方向为电场强度的正方向，带电粒子在此空间只受电场力作用。下列说法正确的是（ ）
A． SKIPIF 1 < 0 处和 SKIPIF 1 < 0 处的电势不相等
B．质子沿x轴由 SKIPIF 1 < 0 处运动到 SKIPIF 1 < 0 处，在O点电势能最小
C．此空间电场可能是由均匀带正电荷的圆环产生的
D．电子以一定的速度由 SKIPIF 1 < 0 处沿x轴正方向运动的过程中，电场力先做负功后做正功
9．（2022·海南海口·模拟预测）如图所示，三角形ABC是等腰三角形，∠BAC=∠ACB=30°，在A点固定一个电荷量大小为Q1的点电荷，在B点固定一个电荷量大小为Q2的点电荷，C点处的电场强度方向与AB垂直，则 SKIPIF 1 < 0 的值为（ ）
A． SKIPIF 1 < 0 B． SKIPIF 1 < 0 C． SKIPIF 1 < 0 D． SKIPIF 1 < 0
10．（2022·山东省实验中学模拟预测）x轴上固定着两个点电荷A、B，两点电荷分别位于 SKIPIF 1 < 0 ， SKIPIF 1 < 0 处，两者所在区域为真空，在两者连线上某点的电场强度E与该点位置的关系如图所示。选取x轴正方向为场强的正方向，无限远处电势为零。以下说法正确的是（ ）
A．点电荷A、B分别带正电和负电
B．A、B所带电荷量的绝对值之比为1：3
C． SKIPIF 1 < 0 处电势最高且为零
D．将电子从 SKIPIF 1 < 0 处无初速度释放，其电势能一直减小
二、多选题
11．（2022·海南·昌江黎族自治县矿区中学模拟预测）如图为某一电场的电场线，M、N、P为电场线上的三个点，M、N是同一电场线上两点，下列判断正确的是（ ）
A．M、N、P三点中M点的场强最大
B．M、N、P三点中M点的电势最高
C．正电荷从M点自由释放，电荷将沿电场线运动到N点
D．负电荷在N点的电势能大于在M点的电势能
12.（2022·重庆南开中学高三阶段练习）直角坐标系 SKIPIF 1 < 0 中有一个正方形 SKIPIF 1 < 0 ，正方形中心在坐标原点O处，A、B关于y轴对称。A、C两点固定有正点电荷，B、D两点固定有负点电荷，各点电荷的电量均相等。以无穷远作为电势零点，下列说法正确的是（ ）
A．y轴为等势线，且电势为零
B．x轴为等势线，但电势不为零
C．x轴正半轴上各点的电场强度方向都沿y轴正方向
D．y轴正半轴上各点的电场强度方向都沿x轴负方向
三、解答题
13．（2021·上海市莘庄中学高三期中）如图所示，用绝缘丝线将质量为m电荷量为qA的带负电小球A系在O点。在距O点的正下方H处用绝缘柄固定一带电小球B（两球均可看成点电荷）。当丝线与竖直方向夹角为 SKIPIF 1 < 0 30°时，球A静止，此时A、B两球连线与丝线AO垂直。已知静电力常量为k，重力加速度为g。
(1)画出A球受力示意图，判断B球的电性；
(2)求A球所在处的电场强度E；
(3)求B球的电荷量qB；
(4)若支持B球的绝缘柄漏电，A球在竖直平面内缓慢运动至 SKIPIF 1 < 0 0°处，B的电荷尚未漏完。在整个漏电过程中，丝线的拉力大小如何变化？请说明原因。
14．（2022·上海·模拟预测）如图，带电量为+Q的小球（可视为点电荷）固定在光滑绝缘水平面上O处。已知：O、B间距离为L，A是OB的中点。（静电力恒量k）
（1）画出A、B两点电场强度的示意图；
（2）若质量为m、电量为q的小球以v0初速从B点运动到A时速度恰为0，求它在A点的加速度；
（3）请分析说明上述过程中电势能的变化情况。
15.（2021·福建·寿宁县第一中学高三阶段练习）如图所示，A、B两点固定有电量相等且带正电的小球，两小球到其连线中点O的距离均为x=0.8m。现用两根长度均为L=1m的绝缘细线由A、B两点系一带电小球C，静止时，细线张力恰好为零。已知小球C的质量m=0.1kg，电量 SKIPIF 1 < 0 C，重力加速度g=10m/s2，静电力常量k=9.0×109 N·m2/C2，不计空气阻力。
（1）求小球C所处位置的电场强度大小；
（2）求A、B处小球的电荷量Q；
（3）若给小球C一初速度，使小球C恰能在竖直面内做圆周运动，求小球经过最低点时细线的拉力大小。
16．（2022·北京·清华附中模拟预测）在分析和解决物理问题时，有时可以通过合理、恰当的假设，进行分割或填补，使研究对象或研究过程对称，从而使复杂问题简单化。
（1）如图1所示，一小球从A点水平抛出，它在B点与竖直墙壁发生一次弹性碰撞后，以同样大小的速率反弹，最终落在C点。假设小球没有被墙壁阻挡，经过B点后会继续沿着抛物线运动，直至落在 SKIPIF 1 < 0 点，小球由B到C的运动轨迹与BC′曲线关于竖直墙壁对称。已知抛出点A离水平地面的高度为h，与墙壁的水平距离为s，落地点距墙壁的水平距离为2s，重力加速度为g。不计空气阻力。求小球抛出时的初速度 SKIPIF 1 < 0 。
（2）点电荷 SKIPIF 1 < 0 与无限大金属平板M之间的电场线分布如图2所示，金属板M接地，它表面处的电场线均与其表面垂直。A点在点电荷到金属板的垂线上，且靠近M板。已知点电荷与金属板间的距离为d。求A点电场强度的大小E。
（3）对磁现象的成功解释最早是由安培提出的。如图3所示，V形长直导线中通过稳恒电流I，图中角平分线上的P点距V形顶点的距离为d。按照安培的计算，P点的磁感应强度大小 SKIPIF 1 < 0 （式中k为比例系数，且k和 SKIPIF 1 < 0 已知）。
按照现在的电磁理论，无限长直导线通过电流为I时，距直导线为r处的磁感应强度大小 SKIPIF 1 < 0 （其中 SKIPIF 1 < 0 为已知常数）。图中 SKIPIF 1 < 0 点与P相对于V形导线顶点对称，位于角平分线上。求 SKIPIF 1 < 0 点的磁感应强度大小 SKIPIF 1 < 0 。
公式
适用条件
说明
定义式
E＝eq \f(F,q)
任何电场
某点的场强为确定值，大小及方向与q无关
决定式
E＝keq \f(Q,r2)
真空中点电荷的电场
E由场源电荷Q和场源电荷到某点的距离r决定
关系式
E＝eq \f(U,d)
匀强电场
d是沿电场方向的距离
比较项目
等量异种点
电荷
等量同种点
电荷
电场线的分布图
连线中点O
处的场强
连线上O点场强最小，指向负电荷一方
为零
连线上的场强大小(从左到右)
沿连线先变小，再变大
沿连线先变小，再变大
沿连线的中垂线由O点向外的场强大小
O点最大，向外逐渐变小
O点最小，向外先变大后变小
关于O点对称点的场强(如A与A′、B与B′、C与C′等)
等大同向
等大反向