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    2021版浙江新高考选考物理一轮复习教师用书:8第六章 3第3节 电容器与电容 带电粒子在电场中的运动

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    3 电容器与电容 带电粒子在电场中的运动基础梳理提示:异种 中和 容纳电荷   mv2mv qU 类平抛运动 合成 分解 匀速直线 匀加速直线 电子枪自我诊断判一判(1)电容是表示电容器储存电荷本领的物理量(  )(2)放电后的电容器电荷量为电容也为零(  )(3)一个电容器的电荷量增加ΔQ1.0×106C两板间电压升高10V则电容器的电容C1.0×107F(  )(4)带电粒子在匀强电场中可以做匀加速直线运动(  )(5)示波管屏幕上的亮线是由电子束高速撞击荧光屏而产生的(  )(6)带电粒子在电场中运动时重力必须忽略不计(  )提示:(1) (2)× (3) (4) (5) (6)×做一做一充电后的平行板电容器保持两极板的正对面积、间距和电荷量不变在两极板间插入一电介质其电容C和两极板间的电势差U的变化情况是(  )ACU均增大   BC增大U减小CC减小U增大 DCU均减小提示:B.由公式C在两极板间插入一电介质其电容C增大由公式C电荷量不变时U减小B正确 电容器及电容器的动态分析知识提炼1电容C是用比值定义法定义的物理量电容器的电容C可以用比值来量度但电容器的电容CQU的大小无关2两类动态问题的分析过程(1)第一类动态变化:两极板间电压U恒定不变(2)第二类动态变化:电容器所带电荷量Q恒定不变典题例析 (2019·4月浙江选考)下列器件中是电容器的是(  )[解析] A是滑动变阻器C是电阻箱D是定值电阻B是电容器B正确[答案] B题组过关考向1 对电容的理解1(2019·4月浙江选考)下列式子属于比值定义物理量的是(  )AtBaCCDI解析:C.时间是基本物理量t不是时间的比值定义式A错误;加速度的比值定义式应为aB错误;C是电容的比值定义式C正确;电流的比值定义式应为ID错误考向2 两极板间电压U恒定不变2(多选)(2020·舟山质检)如图所示电路中AB为两块竖直放置的金属板C是一只静电计开关S合上后静电计指针张开一个角度下述做法可使静电计指针张角增大的是(  )A使AB两板靠近一些B使AB两板正对面积减小一些C断开S使B板向右平移一些D断开S使AB正对面积减小一些解析:CD.静电计显示的是AB两极板间的电压指针张角越大表示两板间的电压越高当合上SAB两板与电源两极相连板间电压等于电源电压不变静电计指针张角不变;当断开S板间距离增大正对面积减小都将使AB两板间的电容变小而电容器所带的电荷量不变C可知板间电压U增大从而静电计指针张角增大所以选项CD正确考向3 电容器所带电荷量Q恒定不变3(多选)如图所示用静电计可以测量已充电的平行板电容器两极板间的电势差U现使B带正电则下列判断正确的是(  )A增大两极板之间的距离静电计指针张角变大BA板稍微上移静电计指针张角将变大C若将玻璃板插入两板之间则静电计指针张角变大D若将A板拿走则静电计指针张角变为零解析:AB.电容器上所带电荷量一定由公式Cd变大时C变小再由CU变大;当A板上移时正对面积S变小C也变小U变大;当插入玻璃板时C变大U变小;当将A板拿走时相当于使d变得更大C更小U应更大故选AB.考向4 电容器动态分析与电场性质4(2020·金华质检)如图所示平行板电容器与电源相接充电后切断电源然后将电介质插入电容器极板间则两板间的电势差U及板间场强E的变化情况为(  )AU变大E变大 BU变小E变小CU不变E不变 DU变小E不变解析:B.当平行板电容器充电后切断电源极板所带电荷量Q保持不变插入电介质后电容器的电容C变大UU将变小而由E可知板间场强E也将变小选项B正确平行板电容器的动态分析方法(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分析平行板电容器电容的变化(3)用定义式C分析电容器所带电荷量或两极板间电压的变化(4)E分析电容器极板间电场强度的变化.  带电粒子在电场中的直线运动题组过关1(多选)(2020·湖州调研)如图所示两块水平放置的平行正对的金属板AB与电池相连在两板中点M处有一个带电液滴处于静止状态若将A板向下平移一小段距离但仍在M点上方稳定后下列说法正确的是(  )A液滴将加速向下运动BM点电势升高CM点的电场强度变小了DA板移动前后两种情况下若将液滴从A板移到B电场力做功相同解析:BD.两极板始终与电源相连所以A板下移过程中极板间电压U不变E可知d减小E增大C错误;开始时带电液滴静止mgqEA板下移qEmg带电液滴向上加速运动A错误;由φMUMBE·dMB可知A板下移M点电势升高B正确;A板移动前后AB间电势差U不变所以电场力做功相同D正确2.(多选)(2020·台州高二月考)量异种点电荷的连线和中垂线如图所示现将一个带负电的试探电荷先从图中的a点沿直线移动到b再从b点沿直线移动到c则试探电荷在此过程中(  )A所受电场力的方向不变B所受电场力的大小恒定C电势能一直减小D电势能先不变后减小答案:AD1带电粒子在电场中运动时重力的处理(1)基本粒子:如电子、质子、α粒子、离子等除有说明或明确的暗示以外一般都不考虑重力(但并不忽略质量). (2)带电颗粒:如液滴、油滴、尘埃、小球等除有说明或有明确的暗示以外一般都不能忽略重力2带电粒子在匀强电场中做直线运动的条件(1)粒子所受合外力F0粒子静止或做匀速直线运动(2)粒子所受合外力F0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3带电粒子在匀强电场中做直线运动的处理方法(1)用动力学方法分析:aEv2v2ad.(2)用功能观点分析匀强电场中:WEqdqUmv2mv.非匀强电场中:WqUEk2Ek1.4带电粒子在电场中平衡问题的解题步骤  带电粒子在电场中的偏转运动知识提炼1粒子的偏转角(1)以初速度v0垂直进入偏转电场:如图所示带电粒子质量为m带电荷量为q偏转电压为U1若粒子飞出电场时偏转角为θtanθ结论:动能一定时tanθq成正比电荷量相同时tanθ与动能成反比(2)粒子从静止开始经加速电场U0加速后再进入偏转电场则有:qU0mv可解得:tanθ结论:粒子的偏转角与粒子的qm无关仅取决于加速电场和偏转电场2粒子在匀强电场中偏转时的两个结论(1)以初速度v0进入偏转电场yat2··作粒子速度的反向延长线设与初速度延长线交于OO点与电场边缘的距离为xxy·cotθ·结论:粒子从偏转电场中射出时就像是从极板间的处沿直线射出(2)经加速电场加速再进入偏转电场:若不同的带电粒子都是从静止经同一加速电压U0加速后进入偏转电场的则偏移量:y偏转角正切:tanθ结论无论带电粒子的mq如何只要经过同一加速电场加速再垂直进入同一偏转电场它们飞出的偏移量和偏转角θ都是相同的也就是运动轨迹完全重合典题例析 (2020·丽水质检)如图所示在两条平行的虚线内存在着宽度为L、电场强度为E的匀强电场在与右侧虚线相距也为L处有一与电场平行的屏现有一电荷量为+q、质量为m的带电粒子(重力不计)以垂直于电场线方向的初速度v0射入电场中v0方向的延长线与屏的交点为O.试求:(1)粒子从射入电场到打到屏上所用的时间;(2)粒子刚射出电场时的速度方向与初速度方向间夹角的正切值tanα(3)粒子打到屏上的点PO点的距离x.[解析] (1)根据题意粒子在垂直于电场线的方向上做匀速直线运动所以粒子从射入电场到打到屏上所用的时间t.(2)设粒子射出电场时沿平行电场线方向的速度为vy根据牛顿第二定律粒子在电场中的加速度为:a所以vya所以粒子刚射出电场时的速度方向与初速度方向间夹角的正切值为tanα.(3)设粒子在电场中的偏转距离为yya法一:xyLtanα解得:x法二:xvyy.法三:得:x3y.[答案] (1) (2) (3)分析粒子在电场中偏转运动的两种方法(1)分解观点:垂直射入匀强电场的带电粒子在电场中只受电场力作用与重力场中的平抛运动相类似研究这类问题的基本方法是将运动分解可分解成平行电场方向的匀加速直线运动和垂直电场方向的匀速直线运动(2)功能观点:首先对带电粒子进行受力分析再进行运动过程分析然后根据具体情况选用公式计算若选用动能定理则要分清有多少个力做功是恒力做功还是变力做功同时要明确初、末状态及运动过程中的动能的增量若选用能量守恒定律则要分清带电粒子在运动中共有多少种能量参与转化哪些能量是增加的哪些能量是减少的 题组过关1(2020·1月浙江选考)如图所示电子以某一初速度沿两块平行板的中线方向射入偏转电场中已知极板长度l间距d电子质量m电荷量e.若电子恰好从极板边缘射出电场由以上条件可以求出的是(  )A偏转电压B偏转的角度C射出电场速度D电场中运动的时间答案:B2一束电子流在经U5000V的加速电压加速后在距两极板等距离处垂直进入平行板间的匀强电场如图所示若两板间距d1.0cm板长l5.0cm那么要使电子能从平行板间飞出两个极板上最大能加多大电压?解析:加速过程由动能定理得eUmv进入偏转电场电子在平行于板面的方向上做匀速运动lv0t在垂直于板面的方向做匀加速直线运动加速度a偏转距离yat2能飞出的条件为y联立式解得U4.0×102V即要使电子能飞出所加电压最大为400V.答案:400V [随堂检测]1(2017·4月浙江选考)如图所示在竖直放置间距为d的平行板电容器中存在电场强度为E的匀强电场有一质量为m电荷量为+q的点电荷从两极板正中间处静止释放重力加速度为g.则点电荷运动到负极板的过程(  )A加速度大小为agB所需的时间为tC下降的高度为yD电场力所做的功为WEqd答案:B2(多选)(2020·台州高三检测)如图所示平行板电容器充电后形成一个匀强电场小保持不变让质子(H)流以不同初速度先、后两次垂直电场射入分别沿ab轨迹落到极板的中央和边缘则质子沿b轨迹运动时(  )A加速度更大B初速度更大C动能增量更大D两次的电势能增量相同解析:BD.加速度为a加速度相同A错误;质子在竖直方向做初速度为零的匀加速直线运动则偏转距离yat2··x是水平位移题图看出y相同则知v0越大时x越大故质子沿b轨迹运动时初速度v0更大B正确;电场力做功为WqEy可见电场力做功相同由能量守恒得知两次动能的增量相同电势能的增量相同C错误D正确3.如图所示AB两金属板平行放置t0时将电子从A板附近由静止释放(电子的重力忽略不计)分别在AB两板间加上下列哪种电压时有可能使电子到不了B(  )答案:B4(2016·4月浙江选考)密立根油滴实验原理如图所示块水平放置的金属板分别与电源的正负极相接板间电压为U形成竖直向下场强为E的匀强电场用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和电荷量各不相同的油滴通过显微镜可找到悬浮不动的油滴若此悬浮油滴的质量为m则下列说法正确的是(  )A悬浮油滴带正电B悬浮油滴的电荷量为C增大场强悬浮油滴将向上运动D油滴的电荷量不一定是电子电量的整数倍答案C [课后达标]一、选择题1(多选)(2020·温州质检)由电容器电容的定义式C可知(  )A若电容器不带电则电容C为零B电容C与电容器所带电荷量Q成正比C电容C与所带电荷量Q多少无关D电容在数值上等于使两板间的电压增加1V时所需增加的电荷量答案:CD2.(多选)如图所示电子由静止开始从A板向B板运动当到达B板时速度为v保持两板间电压不变(  )A当增大两板间距离时v增大B当减小两板间距离时v增大C当改变两板间距离时v不变D当增大两板间距离时电子在两板间运动的时间也增大答案:CD3(2020·衢州质检)如图所示充电的平行板电容器两板间形成匀强电场A点为坐标原点AB方向为位移x的正方向能正确反映电势φ随位移x变化的图象是(  )答案:C4.如图所示一价氢离子(H)和二价氦离子(He)的混合体经同一加速电场加速后垂直射入同一偏转电场中偏转后打在同一荧光屏上则它们(  )A同时到达屏上同一点 B先后到达屏上同一点C同时到达屏上不同点 D先后到达屏上不同点析:B.一价氢离子(H)和二价氦离子(He)的比荷不同经过加速电场的末速度不同因此在加速电场及偏转电场的时间均不同但在偏转电场中偏转距离相同所以会先后打在屏上同一点B.5.(2020·浙江温岭质检)如图所示两平行金属板间有一匀强电场板长为L板间距离为d在板右端L处有一竖直放置的光屏M一带电荷量为q质量为m的质点从两板中央射入板间最后垂直打在M屏上则下列结论正确的是(  )A板间电场强度大小为B板间电场强度大小为C质点在板间的运动时间和它从板的右端运动到光屏的时间相等D质点在板间的运动时间大于它从板的右端运动到光屏的时间解析C.根据质点垂直打在M屏上可知质点在两板中央运动时向上偏转在板右端运动时向下偏转mg<qE选项AB错误;根据运动的分解和合成质点沿水平方向做匀速直线运动质点在板间的运动时间和它从板的右端运动到光屏的时间相等选项C正确D错误6(2020·舟山质检)如图所示矩形区域ABCD内存在竖直向下的匀强电场两个带正电粒子ab相同的水平速度射入电场粒子a由顶点A射入BC的中点P射出粒子bAB的中点O射入从顶点C射出若不计重力ab的比荷(带电荷量和质量比值)之比是(  )A18 B81C12 D21解析:B.粒子水平方向上做匀速直线运动ab两粒子的水平位移之比为12.根据xv0t知时间比为12.粒子在竖直方向上做匀加速直线运动根据yat2y之比为21ab的加速度之比为81根据牛顿第二定律知加速度a加速度之比等于比荷之比则两电荷的比荷之比为81B正确ACD错误7.如图所示平行金属板AB水平正对放置分别带等量异号电荷一带电微粒水平射入板间在重力和电场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A板一定带正电荷B微粒从M点运动到N点电势能一定增加C微粒从M点运动到N点动能一定增加D微粒从M点运动到N点机械能一定增加解析:C.分析微粒的运动轨迹可知微粒的合力方向一定竖直向下由于微粒的重力不可忽略故微粒所受的电场力可能向下可能向上A错误微粒从M点运动到N电场力可能做正功也可能做负功故微粒的电势能可能减小也可能增大B错误微粒从M点运动到N点的过程中合力做正功故微粒的动能一定增加C正确微粒从M点运动到N点的过程中除重力之外的电场力可能做正功也可能做负功故机械能不一定增加D错误8(2020·温州月考)如图场强大小为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ac两点先后沿abcd方向以速率v0进入矩形区(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v0等于(  )A. B.C. D.解析:B.带电粒子在电场中做类平抛运动根据平抛运动的规律解决问题根据对称性两粒子轨迹的切点位于矩形区域abcd的中心则在水平方向有sv0t在竖直方向有ht2解得v0.故选项B正确选项ACD错误9.(2020·丽水高二期中)喷墨打印机的简化模型如图所示重力可忽略的墨汁微滴经带电室带负电后以速度v垂直匀强电场飞入极板间最终打在纸上则微滴在极板间电场中(  )A向负极板偏转B电势能逐渐增大C运动轨迹是抛物线D运动轨迹与带电荷量无关解析:C.带负电的墨汁微滴垂直进入电场后在电场中做类平抛运动根据平抛运动的分解——水平方向做匀速直线运动和竖直方向做匀加速直线运动带负电的墨汁微滴进入电场后受到向上的静电力故墨汁微滴向正极板偏转A选项错误;墨汁微滴垂直进入电场受竖直方向的静电力作用静电力做正功故墨汁微滴的电势能减小B选项错误;根据xv0tyat2a得墨汁微滴的轨迹方程为y即运动轨迹是抛物线与带电荷量有关C选项正确D选项错误10有一种静电除尘的方式如图所示空气中的尘埃进入电离区后带上负电然后沿平行轴线方向飞入金属圆筒收集区在圆筒轴线处放有一条直导线在导线与筒壁间加上电压U形成沿半径方向的辐射电场假设每个尘埃的质量和带电量均相同飞入收集区的速度相同不计尘埃的重力不考虑尘埃间的相互作用(  )A大量尘埃将聚集在导线上B尘埃在圆筒内都做类似平抛的运动C被收集尘埃的电势能减少量都相等D飞入时与圆筒轴线距离相同的尘埃到达筒壁所用的时间相同解析:D.尘埃进入电离区后带上负电所受电场力指向金属圆筒A错误;辐射电场不是匀强电场尘埃所受电场力是变力故不是做类似平抛的运动B错误;尘埃偏向金属圆筒过程中电场力做功不同电势能减少量不相等C错误;飞入时与圆筒轴线距离相同的尘埃运动情况相同则到达筒壁所用的时间相同D正确二、非选择题11(2020·杭州质检)如图所示在水平方向的匀强电场中有一表面光滑、与水平面成45°角的绝缘直杆AC其下端(C)距地面高度h0.8m有一质量为500g的带电小环套在直杆上正以某一速度沿杆匀速下滑小环离开杆后正好通过C端的正下方P点处(g10m/s2)求:(1)小环离开直杆后运动的加速度大小和方向;(2)小环从C运动到P过程中的动能增量;(3)小环在直杆上匀速运动速度的大小v0.解析:(1)结合题意分析知:qEmgFmgmaag10m/s2方向垂直于杆向下(2)设小环从C运动到P的过程中动能的增量为ΔEkWW其中Wmgh4JW0所以ΔEk4J.(3)环离开杆做类平抛运动平行杆方向匀速运动:hv0t垂直杆方向匀加速运动:hat2解得v02m/s.答案:(1)10m/s2 垂直于杆向下 (2)4J (3)2m/s12(2020·湖州质检)如图所示喷墨打印机中的墨滴在进入偏转电场之前会被带上一定量的电荷在电场的作用下使电荷发生偏转到达纸上已知两偏转极板长度L1.5×102m两极板间电场强度E1.2×106N/C墨滴的质量m1.0×1013kg电荷量q1.0×1016C墨滴在进入电场前的速度v015m/s方向与两极板平行不计空气阻力和墨滴重力假设偏转电场只局限在平行极板内部忽略边缘电场的影响(1)判断墨滴带正电荷还是负电荷?(2)求墨滴在两极板之间运动的时间(3)求墨滴离开电场时在竖直方向上的位移y.(4)假设极板到纸的距离d2.5×103m求墨滴到纸上时的竖直方向上的位移h.解析:(2)墨滴在水平方向做匀速直线运动那么墨滴在两板之间运动的时间t代入数据可得:t1.0×103s.(3)墨滴在竖直方向做初速度为零的匀加速直线运动a 代入数据可得:a1.2×103m/s2离开偏转电场时在竖直方向的位移yat2代入数据可得:y6.0×104m.(4)根据电场的推论可得h8.0×104m.答案:(1)负电荷 (2)1.0×103s (3)6.0×104m (4)8.0×104m13.如图所示水平绝缘粗糙的轨道AB与处于竖直平面内的半圆形绝缘光滑轨道BC平滑连接半圆形轨道的半径R0.4m在轨道所在空间存在水平向右的匀强电场电场线与轨道所在的平面平行电场强度E1.0×104N/C.现有一电荷量q=+1.0×104C质量m0.1kg的带电体(可视为质点)在水平轨道上的P点由静止释放带电体恰好能通过半圆形轨道的最高点C然后落至水平轨道上的D(图中未画出)g10m/s2.试求:(1)带电体运动到圆形轨道B点时对圆形轨道的压力大小;(2)D点到B点的距离xDB(3)带电体在从P开始运动到落至D点的过程中的最大动能解析:(1)设带电体恰好通过C点时的速度为vC依据牛顿第二定律有mgm解得vC2.0m/s.设带电体通过B点时的速度为vB设轨道对带电体的支持力大小为FB带电体在B点时根据牛顿第二定律有FBmgm.带电体从B运动到C的过程中依据动能定理有mg×2Rmvmv联立解得FB6.0N根据牛顿第三定律带电体对轨道的压力FB6.0N.(2)设带电体从最高点C落至水平轨道上的D点经历的时间为t根据运动的分解有2Rgt2xDBvCtt2联立解得xDB0.(3)PB带电体做加速运动故最大速度一定出现在从BCD的过程中在此过程中只有重力和电场力做功这两个力大小相等其合力与重力方向成45°夹角斜向右下方故最大速度必出现在B点右侧对应圆心角为45°设带电体的最大动能为Ekm根据动能定理有qERsin45°mgR(1cos45°)Ekmmv代入数据解得Ekm1.17J.答案:(1)6.0N (2)0 (3)1.17J14如图所示虚线MN左侧有一场强为E1E的匀强电场在两条平行的虚线MNPQ之间存在着宽为L、电场强度为E22E的匀强电场在虚线PQ右侧相距为L处有一与电场E2平行的屏现将一电子(电荷量为e质量为m)无初速度地放入电场E1中的A最后电子打在右侧的屏上AO连线与屏垂直垂足为O求:(1)电子从释放到打到屏上所用的时间;(2)电子刚射出电场E2时的速度方向与AO连线夹角θ的正切值tanθ(3)电子打到屏上P点到O点的距离x.解析:(1)电子在电场E1中做初速度为零的匀加速直线运动设加速度为a1时间为t1由牛顿第二定律和运动学公式得:a1a1tv1a1t1t2运动的总时间为tt1t23.(2)设电子射出电场E2沿平行电场线方向的速度为vy根据牛顿第二定律得电子在电场中的加速度为a2t3vya2t3tanθ联立各式解得tanθ2.(3)如图设电子在电场中的偏转距离为x1x1a2ttanθ解得:xx1x23L.答案:(1)3 (2)2 (3)3L  

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