江苏版高考物理一轮复习第7章第2节电场能的性质课时学案

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(对应学生用书第169页)
一、电势能和电势
1．静电力做功
(1)特点：静电力做功的多少与路径无关，只与电荷在电场中的始、末位置有关。
(2)计算方法
①W＝qEd，只适用于匀强电场，其中d为沿电场方向的距离。
②WAB＝qUAB，适用于任何电场。
(3)静电力做功与电势能变化的关系
①静电力做的功等于电荷电势能的减少量，即WAB＝EpA－EpB。静电力对电荷做多少正功，电荷电势能就减少多少；电荷克服静电力做多少功，电荷电势能就增加多少。
②电势能的大小：由WAB＝EpA－EpB可知，若令EpB＝0，则EpA＝WAB，即一个电荷在电场中某点具有的电势能，数值上等于将其从该点移到零电势能位置过程中静电力所做的功。
2．电势能
(1)定义：电荷在电场中具有的势能，数值上等于将电荷从该点移到零势能位置时电场力所做的功。
(2)电场力做功与电势能变化的关系：电场力做的功等于电势能的减少量，即WAB＝EpA－EpB＝－ΔEp。
3．电势
(1)定义：试探电荷在电场中某点具有的电势能与它的电荷量的比值。
(2)定义式：φ＝eq \f(Ep,q)。
(3)矢标性：电势是标量，有正、负之分，其正(负)表示该点电势比零电势高(低)。
(4)相对性：电势具有相对性，同一点的电势因选取零电势点的不同而不同。
4．等势面
(1)定义：电场中电势相等的各点组成的面。
(2)四个特点
①等势面一定与电场线垂直。
②在同一等势面上移动电荷时电场力不做功。
③电场线方向总是从电势高的等势面指向电势低的等势面。
④等差等势面越密的地方电场强度越大，反之越小。
二、电势差
1．定义：电荷在电场中由一点A移到另一点B时，电场力做功与移动电荷的电荷量的比值。
2．定义式：UAB＝eq \f(WAB,q)。
3．电势差与电势的关系：UAB＝φA－φB，UAB＝－UBA。
三、匀强电场中电势差与电场强度的关系
1．电势差与电场强度的关系：匀强电场中两点间的电势差等于电场强度与这两点沿电场线方向的距离的乘积。即U＝Ed，也可以写作E＝eq \f(U,d)。
2．公式U＝Ed的适用范围：匀强电场。
3．沿电场方向电势降落得最快。
一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)电场中电场强度为零的地方电势一定为零。(×)
(2)沿电场线方向电场强度越来越小，电势逐渐降低。(×)
(3)A、B两点间的电势差等于将正电荷从A点移到B点时静电力所做的功。(×)
(4)A、B两点的电势差是恒定的，所以UAB＝UBA。(×)
(5)等差等势线越密的地方，电场线越密，电场强度越大。(√)
(6)电场中电势降低的方向，就是电场强度的方向。(×)
二、教材习题衍生
1．(电势高低和电势能大小的判断)某电场的电场线和等势面如图所示，下列说法不正确的是( )
A．B点的电势高于A点的电势
B．把负电荷从A移到B，静电力做正功，电势能减少
C．负电荷从B移到A时，静电力做负功
D．UAB＝UBA
[答案] D
2．(电势差与电场强度的关系)如图所示，在E＝500 V/m的匀强电场中，a、b两点相距d＝2 cm，它们的连线跟电场强度方向的夹角是60°，则Uab等于( )
A．5 V B．10 V
C．－5 V D．－10 V
[答案] C
3．(电场线、等势面及运动轨迹问题)如图所示，实线表示某电场的电场线，虚线表示一带正电的粒子只在电场力作用下的运动轨迹，设A和B点的电势分别为φA和φB，粒子在A、B两点加速度大小分别为aA和aB，速度大小为vA和vB，电势能分别为EpA和EpB，下列判断正确的是( )
A．vAaB，选项B错误；根据沿着电场线方向，电势逐渐降低，故φA0，则φA>φB；若UABφC－φB，可得φCφC，选项C正确；将负试探电荷从C点搬运到B点，电场力做正功，选项D错误。]
利用E＝eq \f(U,d)公式在匀强电场中的定量计算
3.如图所示，匀强电场方向平行于xOy平面，在xOy平面内有一个半径为R＝5 m的圆，圆上有一个电荷量为q＝＋1×10－8 C的试探电荷P，半径OP与x轴正方向的夹角为θ，P沿圆周移动时，其电势能Ep＝2.5×10－5sin θ(J)，则( )
A．x轴位于零势能面上
B．电场强度大小为500 V/m，方向沿y轴正方向
C．y轴位于零势能面上
D．电场强度大小为500 V/m，方向沿x轴正方向
A [由Ep＝2.5×10－5sin θ(J)知，x轴上的势能为零，是零势能面，电势沿y轴变化最快，电场线沿y轴方向，A正确，C错误；当θ＝90°时，Ep＝2.5×10－5 J＝EqR，解得E＝500 V/m，又电势能大于零，故电场强度的方向沿y轴负方向，B、D错误。]
4.如图所示，在平面直角坐标系中，有方向平行于坐标平面的匀强电场，其中坐标原点O处的电势为0，点A处的电势为6 V，点B处的电势为3 V，则电场强度的大小为( )
A．200 V/m B．200eq \r(3) V/m
C．100 V/m D．100eq \r(3) V/m
A [匀强电场的电场线与等势面都是平行、等间距排列的，且电场线与等势面处处垂直，沿着电场线方向电势逐渐降低，取OA中点C，则C点电势为3 V，连接BC即为电场中的一条等势线，作等势线的垂线，即电场中的电场线，如图所示，由几何关系可得，E＝eq \f(U,d)＝eq \f(3 V,\x\t(OC)·sin 30°)＝200 V/m。故A正确。]
电场线、等势面及运动轨迹问题
(对应学生用书第172页)
1.真空中某静电场电场线的分布如图所示，图中P、Q两点关于点电荷q1水平对称。P、Q两点电场强度的大小分别为EP、EQ，电势分别为φP、φQ。一个带电粒子沿虚线轨迹从M移动至N。以下选项正确的是( )
A．φP＜φQ
B．EQ＞EP
C．此带电粒子带负电，它的电势能先变大后变小
D．此带电粒子带正电，它的电势能先变大后变小
C [沿电场线方向电势降低，电场线越密电势降低越快，根据电场线的分布情况，可知φP＞φQ，A错误；根据电场线的疏密比较电场强度的大小，可知P点电场线密，电场强度大，EP＞EQ，B错误；根据电场线的特点，可知此电场是由不等量的异种电荷产生的，其中q1带负电，q2带正电，带电粒子从M点运动到N点，轨迹向左弯曲，受到了库仑斥力，所以此带电粒子带负电，电势先降低后升高，所以带电粒子的电势能先变大后变小，C正确，D错误。]
2．(等势面与运动轨迹的关系)如图所示，虚线a、b、c代表电场中的三个等势面，相邻等势面之间的电势差相等，即Uab＝Ubc，实线为一带负电的质点仅在电场力作用下通过该区域时的运动轨迹，P、R、Q是这条轨迹上的三点，R点在等势面b上，据此可知( )
A．带电质点动能与电势能之和不变
B．带电质点在P点的电势能比在Q点的小
C．带电质点在R点的加速度方向与等势面不垂直
D．带电质点在P点的加速度比在R点的加速度小
A [只有电场力做功，电势能与动能之和守恒，带电质点的动能与电势能之和不变，A正确；根据轨迹弯曲的方向和电场线与等势线垂直可知负电荷所受的电场力应向下，所以电场线垂直等势面向上，因此Q点的电势高于P点的电势，带负电荷的质点在电势高处电势能小，P点电势能大，B错误；带电质点在R点的受力方向沿着电场线的切线方向，电场线与等势面垂直，因此带电质点在R点的加速度方向与等势面垂直，C错误；等差等势面P处密，所以P处的电场强度大，电场力大，带电质点在P点的加速度比在R点的加速度大，D错误。]
电场中“三线”问题的分析方法
(1)从轨迹的弯曲方向判断受力方向(轨迹向合外力方向弯曲)，从而分析电场方向或电荷的正负。
(2)结合轨迹、速度方向与静电力的方向，确定静电力做功的正负，从而确定电势能、电势和电势差的变化等。
(3)根据动能定理或能量守恒定律判断动能的变化情况。
电场中的四类图像问题
(对应学生用书第173页)
E-x图像
1.E-x图像反映了电场强度随位移变化的规律。
2．E-x图线与x轴围成的“面积”表示电势差，“面积”大小表示电势差大小，两点的电势高低根据电场方向判定。
[典例1] 静电场在x轴上的场强E随x的变化关系如图所示，x轴正向为场强正方向，带正电的点电荷沿x轴正方向运动，则点电荷( )
A．在x2和x4处电势能相等
B．由x1运动到x3的过程中电势能先增大后减小
C．由x1运动到x4的过程中电场力先增大后减小
D．由x1运动到x4的过程中电场力先减小后增大
C [由题图可知，x1到x4场强先变大，再变小，则点电荷受到的电场力先增大后减小，C正确，D错误；由x1到x3及由x2到x4过程中，电场力做负功，电势能增大，A、B错误。]
[跟进训练]
1.在x轴上关于原点对称的a、b两点处固定有两个电荷量相等的点电荷，如图E-x图像描绘了x轴上部分区域的电场强度(以x轴正方向为电场强度的正方向)。对于该电场中x轴上关于原点对称的c、d两点，下列结论正确的是( )
A．两点场强相同，c点电势更高
B．两点场强相同，d点电势更高
C．两点场强不同，两点电势相等，均比O点电势高
D．两点场强不同，两点电势相等，均比O点电势低
A [根据给出的E-x图像可知，a处为正电荷，b处为负电荷，根据点电荷产生的场强E＝eq \f(kQ,r2)及电场的叠加原理可知，c、d两处场强相同，电场方向由c指向d，故c点电势高，选项A正确。]
1.电场强度的大小等于φ-x图线的斜率大小，电场强度为零处，φ-x图线存在极值，其切线的斜率为零。
2．在φ-x图像中可以直接判断各点电势的大小，并可根据电势大小关系确定电场强度的方向。
3．在φ-x图像中分析电荷移动时电势能的变化，可用WAB＝qUAB，进而分析WAB的正负，然后作出判断。
[典例2] (2022·江苏盐城中学高三月考)带电球体的半径为R，以球心为原点O建立坐标轴x，轴上各点电势φ随x变化如图所示，下列说法中正确的是( )
A．球体带负电荷
B．球内电场强度最大
C．负电荷在B点的电势能比C点的小
D．A、B两点电场强度相同
C [从球出发向两侧电势降低，而电场线从正电荷出发，沿着电场线电势降低，故球带正电荷，故A错误；球是等势体，故内部任意两点间的电势差为零，故场强为零，故B错误；从B到C，电势降低，故负电荷电势能升高，故C正确；A点与B点的电场强度大小相等，但方向相反，故不相同，故D错误。]
[跟进训练]
2.在x轴上有两个点电荷q1和q2，其中有一个点电荷位于x＝0处，x轴上的电势φ随x变化的关系如图所示，则( )
A．x＝x1处电场强度为0
B．x＝x2处电场强度不为0
C．q1、q2为不等量异种点电荷，且正电荷在x＝0处，负电荷在x0的某处
C [由题图图像的斜率表示电场强度可知，x＝x1处电场强度不为0，x＝x2处电场强度为0，选项A、B错误；在两点电荷连线上出现电场强度为零的点有两种情况，一是同种电荷之间某点，该点两侧电势变化形状基本相同，二是异种电荷连线之外；x＝0处向右电势逐渐降低，说明电场强度方向向右，x＝0处为正电荷，负电荷应该在xEpc>Epb，电子带负电，根据电势与电势能关系及能量守恒定律，则有φaφO>φN，再作出此电场中过O的等势线，可知φO>φQ，A错误；且MO间的平均电场强度大于ON间的平均电场强度，故UMO>UON，B错误；因UMQ>0，负电荷从M到Q电场力做负功，电势能增加，C正确；正电荷在Q点所受的电场力方向沿电场线的切线方向而不是圆周的切线方向，D错误。]
10.(2023·江苏盐城模拟)在电荷量分别为2q和－q的两个点电荷形成的电场中，电场线分布如图所示，在两点电荷连线上有a、b、c三点，且b、c两点到正点电荷距离相等，则下列说法不正确的是( )
A．在两点电荷之间的连线上不存在一处电场强度为零的点
B．将一电子从a点由静止释放，它将在a、b间往复运动
C．c点的电势高于b点的电势
D．负试探电荷在a点具有的电势能比在b点时具有的电势能小
B [电场线是从正电荷出发，终止于负电荷，由电场的叠加原理可知，在两点电荷之间的连线上不存在电场强度为零的点，故A正确；由于ab间的电场强度方向始终由a指向b，所以电子受到向右的电场力，所以在a处由静止释放电子，电子将向右运动，故B错误；正电荷与b点和c点的距离相等，由题图可知，正电荷与b点间的电场线比正电荷与c点间的电场线更密，由公式U＝Ed，所以电势降落更多，即b点电势比c点电势更低，故C正确；由题图可知，从a点到b点电势越来越低，根据负电荷在电势低处电势能大，所以负试探电荷在a点具有的电势能比在b点时具有的电势能小，故D正确。]
11.两个带等量正电的点电荷，固定在图中P、Q两点，MN为PQ连线的中垂线，交PQ于O点，A点为MN上的一点。一带负电的试探电荷q，从A点由静止释放，只在静电力作用下运动。取无穷远处的电势为零，则( )
A．q由A点向O点的运动是匀加速直线运动
B．q由A点向O点运动的过程电势能逐渐增加
C．q运动到O点时的动能最大
D．q运动到O点时电势能为零
C [两等量正点电荷在连线的中垂线MN上的电场强度方向从O点向两侧沿中垂线指向无穷远处，场强大小从O点沿MN到无穷远处先变大后变小，因此q由静止释放后，在变化的电场力作用下做直线运动的加速度不断变化，A项错误；q由A点到O点电场力做正功，电势能减小，B项错误；在MN上O点电势最高，因此q在O点的电势能最小，由于只有电场力做功，因此电势能与动能的和是一定值，电势能最小时，动能最大，C项正确；O点的电势不为零，因此q在O点时的电势能不为零，D项错误。]
12.在某个电场中，x轴上各点的电场强度E随x坐标变化的图线如图所示，图线关于原点O中心对称。一质量为m、电荷量为q的粒子只在电场力作用下沿x轴做直线运动，x轴上x＝x1和x＝－x1是粒子运动轨迹上的两点，下列说法中正确的是( )
A．x轴上x＝x1和x＝－x1两点电场强度和电势都相同
B．粒子从x＝－x1点到x＝x1点的运动过程中，经过x＝x1和x＝－x1两点时速度一定相同
C．粒子运动过程中，经过x＝x1点的加速度与经过x＝－x1点的加速度相同
D．粒子从x＝－x1点到x＝x1点的运动过程中电势能先增大后减小
B [由E-x图像可知，x＝x1和x＝－x1两点电场强度大小相等、方向相反，故选项A错误；粒子在这两点所受电场力也大小相等、方向相反，由于粒子只在电场力作用下运动，根据牛顿第二定律可知，粒子在这两点的加速度大小相等、方向相反，故选项C错误；E-x图像中图线与横轴所围的面积表示电势差，因此粒子由x＝－x1运动到x＝0的过程和由x＝0运动到x＝x1的过程电场力分别做的功满足W1＝－W2，根据动能定理可知，粒子经过x＝x1和x＝－x1两点时速度一定相同，故选项B正确；题中未能说明粒子的电性或运动状态，因此粒子从x＝－x1点到x＝x1点的运动过程中电势能可能先增大后减小，也可能先减小后增大，故选项D错误。]
13．如图(a)，在一块很大的接地金属平板的上方固定一负电荷。由于静电感应，在金属平板上表面产生感应电荷，金属板上方电场的等势面如图(b)中虚线所示，相邻等势面间的电势差都相等。若将一正试探电荷先后放于M和N处，该试探电荷受到的电场力大小分别为FM和FN，相应的电势能分别为EpM和EpN，则( )
(a) (b)
A．FM＜FN，EpM＞EpN
B．FM＞FN，EpM＞EpN
C．FM＜FN，EpM＜EpN
D．FM＞FN，EpM＜EpN
A [
根据电场线和等势线互相垂直的特点可以大致确定电场线，如图。根据电场线的特点，电场线越密集处电场强度越强，所以EM＜EN，电荷在电场中所受的电场力F＝qE，可知对于同一个正试探电荷有FM＜FN，B、D错误；因为沿着电场线方向电势逐渐降低，可知φM＞φN，电荷在电场中的电势能Ep＝qφ，可知EpM＞EpN，A正确，C错误。]
14.(2021·江苏省新高考适应性考试)带电粒子碰撞实验中，t＝0时粒子A静止，粒子B以一定的初速度向A运动。两粒子的v-t图像如图所示，仅考虑静电力的作用，且A、B未接触。则( )
A．A粒子质量小于B粒子
B．两粒子在t1时刻的电势能最大
C．A在t2时刻的加速度最大
D．B在0～t3时间内动能一直减小
B [两粒子碰撞过程动量守恒，则由题图可知，在t＝0时刻p0＝mBv0，在t＝t2时刻p2＝mAvA，则mBv0＝mAvA，因v0>vA，则mB