专题17 带电粒子在电场中的运动-2025年高考物理热点知识讲练与题型归纳（全国通用）

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题型一 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．
类型1 两极板间电势差不变
（2024•沙坪坝区校级模拟）电容式话筒是录音棚中最常用设备。采集端原理图如图所示，背板和振膜可视为构成平行板电容器，当声波密部靠近振膜时振膜产生向右的形变，疏部靠近振膜时振膜产生向左的形变。已知不采集声音时电容器电荷量稳定。则（ ）
A．不采集声音时，a点电势等于b点电势
B．电池放久后电动势变小，电容器电容变大
C．当疏部靠近时，a点电势高于b点电势
D．当密部靠近时，b点电势高于a点电势
（2024•湖南一模）我们可以通过简单的实验，半定量地探究电容器两极板间的电势差与其带电量的关系，实验电路如图所示。取一个电容器A和数字电压表（可看作理想电压表）相连，把开关S1接1，用几节干电池串联后给A充电，可以看到电压表有示数，说明A充电后两极板具有一定的电压。把开关S1接2，使另一个与A完全相同的且不带电的电容器B与A并联，可以看到电压表的示数变为原来的一半。然后，断开开关S1，闭合开关S2。关于该实验以及其后续操作，下列说法中正确的是（ ）
A．闭合S2的作用是让电容器B完全放电
B．接下来的操作是把开关S1接1，观察电压表的示数
C．电容器的带电量变为原来的一半时，电压表示数也变为原来的一半，说明电容器“储存电荷的本领”也变为了原来的一半
D．若使用磁电式电压表代替数字电压表，当S1和S2都断开时，电容器A的带电量不会改变，电压表指针将稳定在某一固定值
（2024•思明区校级模拟）图甲所示的是由导电的多晶硅制成的电容加速度传感器。图乙是其原理图，传感器可以看成由两个电容C1、C2组成，当传感器有沿着箭头方向的加速度时，多晶硅悬臂梁的右侧可发生弯曲形变。下列对这个传感器描述正确的是（ ）
A．匀速向上运动时，C1减小，C2增加
B．匀速向下运动时，C1减小，C2增加
C．由静止突然加速向上运动时，C1减小，C2增加
D．正在匀速向上运动的传感器突然停止运动时，C1减小，C2增加
类型2 两极板间电荷量不变
（2022•浙江模拟）如图所示，平行板电容器充电后断开电源，上极板接地，在板间P点处固定一个试探电荷q，现将下极板向下平移一小段距离，用F表示试探电荷在P点所受的电场力，用E表示极板间的电场强度，用φ表示P点的电势，用Ep表示试探电荷在P点的电势能，则下列物理量随P与下极板的距离d的变化关系图线中，可能正确的是（ ）
A．B．C．D．
（2023春•泰安期末）如图所示，用静电计测量已经充电的平行板电容器两极板间的电势差。设电容器的电容为C，带电量为Q，板间电势差为U，静电计指针偏角为θ，在保持其他条件不变的前提下，将电介质从板间抽出。下列判断正确的是（ ）
A．U增大B．U减小C．C增大D．θ减小
如图所示，平行板电容器的两极板恰好正对，并与一直流电源相许，下极板接地，一带负电的小球被固定于P点，现将S闭合。则下列操作中能使带电小球的电势能增大的是（ ）
A．增大直流电源的输出电压
B．将电容器的上极板向上移
C．先断开S，再将电容器的上极板向上移
D．先断开S，再将电容器的两极板错开一些
题型二 带电粒子（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
类型1 带电粒子在电场中的直线加速
（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34mg
B．从地面到最高点，克服重力做功为12mv02
C．从地面到最高点，克服电场力做功为0.18mv02
D．从地面出发再回到地面用时为2v0g
（2024春•南京期末）如图装置为直线加速器原理，多个横截面积相同的金属圆筒依次排列，其中心轴线在同一直线上，序号为奇数的圆筒和交变电源的一个极相连，序号为偶数的圆筒和该电源的另一个极相连。交变电源两极间电势差的变化规律如图乙所示。在t＝0时，奇数圆筒相对偶数圆筒的电势差为正值。此时位于和偶数圆筒相连的金属圆板（序号为0）中央有一个电子由静止开始加速，沿中心轴线进入圆筒1。为使电子运动到圆筒之间各个间隙中都能恰好使静电力的方向跟运动方向相同而不断加速，圆筒长度的设计必须遵照一定的规律。已知电子质量为m、电荷量为e、电压绝对值为U、周期为T，电子通过圆筒间隙的时间可以忽略不计，求：
（1）电子刚出第8个圆筒瞬间速度大小；
（2）第8个圆筒长度；
（3）若电子通过圆筒间隙的时间不可忽略，两圆筒间隙的电场为匀强电场，且圆筒间距为d，不考虑相对论效应，则在保持圆筒长度、交变电压的变化规律保持和（1）（2）完全相同的情况下，经过多少个圆筒可以让电子达到最大速度。
（2023•邵阳模拟）静电植绒技术，于3000多年前在中国首先起步。现代静电植绒于上世纪50、60年代在德国首先研制出并使用。如图为植绒流程示意图，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的电压，绒毛呈垂直状加速飞到需要植绒的物体表面上。不计重力和空气阻力，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，电势能不断增大
C．若增大容器与带电极板之间的距离，绒毛到达需要植绒的物体表面时速率增大
D．质量相同的绒毛，带电荷量越多，到达需要植绒的物体表面时速率越大
类型2 带电体在静电力和重力下的直线运动（等效重力）
（多选）（2024•凉山州模拟）如图所示，在竖直平面内建立直角坐标系xy，整个空间存在平行xy平面与y轴正方向成45°角的匀强电场E。质量为m的带电小球从坐标原点O沿x轴的正方向以速度v水平抛出，经过一段时间小球以2v的速度穿过y轴正半轴某点（图中未画出），不计空气阻力，则（ ）
A．小球可能带负电
B．小球所受电场力的大小为22mg
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等于竖直速度
（多选）如图所示，地面上固定一倾角为θ＝53°，高为h的光滑绝缘斜面，现将一个带正电的物块（可视为质点）从斜面顶端由静止释放，已知物块质量为m，电荷量为q，斜面置于水平向左的匀强电场中，电场强度大小为E=4mg3q，重力加速度为g，则下列说法正确的是（ ）
A．物块从静止释放到落地的过程中电场力做功为mgh
B．物块从静止释放到落地的过程中电场力做功为16mgh9
C．物块落地的动能大小为2mgh
D．物块落地的动能大小为25mgh9
如图所示，空间有一水平方向的匀强电场，初速度为v0的带电小球从A点射入电场，在竖直平面内沿直线从A运动到B，下列说法正确的是（ ）
A．小球带负电
B．小球的机械能减少
C．小球做匀速直线运动
D．重力势能和电势能之和减少
题型三 带电粒子（带电体）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．
类型1 带电粒子在匀强电场中的偏转
（2024•湖北模拟）如图所示，一充电后与电源断开的平行板电容器的两极板水平放置，板长为L，板间距离为d，距板右端L处有一竖直屏M。一带电荷量为q、质量为m的质点以初速度v0沿中线射入两板间，最后垂直打在M上，则下列说法中正确的是（已知重力加速度为g）（ ）
A．两极板间电压为mgd2q
B．板间电场强度大小为mgq
C．整个过程中质点的重力势能增加mg2L2v02
D．若仅增大两极板间距，则该质点不可能垂直打在M上
（2023秋•朝阳区期末）某种负离子空气净化原理如图所示。收集器矩形通道的上下表面是一对平行金属板，金属板长度为L，间距为d。均匀分布的带负电的灰尘颗粒质量为m、电荷量为q、以水平速度v0进入通道，单位时间内进入通道的带电灰尘颗粒数目为n。已知两金属极板之间的电压恒为U=3md2v022qL2，带电灰尘颗粒打到金属板上即被收集，不计灰尘颗粒重力影响及灰尘颗粒间相互作用。下列说法不正确的是（ ）
A．净化装置对带电灰尘颗粒的收集率为75100
B．单位时间内通过导线的电荷量为34nq
C．单位时间内带电灰尘颗粒减少的电势能为1532nqU
D．若电压增大到2U，则带电灰尘颗粒恰好全部被收集
（2024春•杭州期末）如图所示，环形塑料管半径为R，竖直放置，且管的内径远小于环的半径，ab为该环的水平直径，环的ab及其以下部分处于水平向左的匀强电场中，管的内壁光滑。现将一质量为m，电荷量为q的小球从管中a点由静止开始释放，已知E=3mg4q，小球可以运动过b点。则下列说法正确的是（ ）
A．小球释放后的运动过程中机械能守恒
B．小球每周的运动过程中最大速度在圆弧ad之间，且与d之间的夹角为37°
C．小球释放后，第一次经过最低点d和最高点c时，对管壁的压力之比为9：2
D．小球释放后，第二次恰好到达b点时，对管壁的压力大小为27mg4
类型2 带电粒子在重力场和电场复合场中的偏转
（2022•湖北模拟）如图所示，虚线圆位于竖直面内，AC和BD为相互垂直的两条直径，其中BD位于水平方向。竖直平面内有足够大的匀强电场，场强大小为2mgq，方向与圆周平面平行。在圆周平面内将质量为m、带电量为+q的小球（可视为质点）从A点以相同的速率向各个方向抛出，小球会经过圆周上不同的点，其中到达B点时小球的动能最大。已知重力加速度为g，则下列说法中正确的是（ ）
A．电场的方向由D指向B
B．小球运动过程中的加速度大小等于g
C．B点为圆周上的电势最低点
D．经过C点时小球的速度与初速度大小相等
（多选）（2022秋•新华区校级期中）如图，固定半圆绝缘轨道ABC内壁光滑，半径为R，A、C为半圆轨道水平直径的两个端点，B为半圆轨道的最低点。在水平线AC下方存在与水平方向成45°斜向左上方的有界匀强电场，场强大小为E=2mgq。一质量为m、电荷量为+q的带电小球从A点正上方h处由静止释放，并从A点沿切线进入半圆轨道，恰好能沿半圆轨道运动到C点。小球可视为质点，不计空气阻力，重力加速度大小为g。关于小球的运动，下列说法正确的是（ ）
A．小球从A点运动到C点的过程中，其电势能的变化量为ΔEp=22mgR
B．小球在半圆轨道上运动的速度最小值为gR
C．小球对半圆轨道的最大压力为6mg
D．若改变小球释放点的高度，要使小球不脱离半圆轨道，h的取值范围为：h≥2.5R
（多选）（2022•浉河区校级开学）如图所示，空间存在一匀强电场，其方向与水平方向间的夹角为30°，AB与电场垂直，一质量为m，电荷量为q的带正电小球以初速度v0从A点水平向右抛出，经过时间t小球落到C点，速度大小仍是v0，已知AB＝BC，则下列说法中正确的是（ ）
A．电场方向沿电场线斜向上
B．电场强度大小为E=mgq
C．小球下落高度34gt2
D．此过程增加的电势能等于12mg2t2
题型四 带电粒子在交变电场中的运动
1．常见的交变电场
常见的产生交变电场的电压波形有方形波、锯齿波、正弦波等．
2．常见的题目类型
(1)粒子做单向直线运动(一般用牛顿运动定律求解)．
(2)粒子做往返运动(一般分段研究)．
(3)粒子做偏转运动(一般根据交变电场特点分段研究)．
3．思维方法
(1)注重全面分析(分析受力特点和运动规律)：抓住粒子的运动具有周期性和在空间上具有对称性的特征，求解粒子运动过程中的速度、位移、做功或确定与物理过程相关的临界条件．
(2)从两条思路出发：一是力和运动的关系，根据牛顿第二定律及运动学规律分析；二是功能关系．
(3)注意对称性和周期性变化关系的应用．
4.利用速度—时间图像分析带电粒子的运动过程时，必须注意“五点”
(1)带电粒子进入电场的时刻。
(2)速度—时间图像的切线斜率表示加速度。
(3)图线与时间轴围成的面积表示位移，且在时间轴上方所围成的面积为正，在时间轴下方所围成的面积为负。
(4)注意对称性和周期性变化关系的应用。
(5)图线与时间轴有交点，表示此时速度改变方向。对运动很复杂、不容易画出速度图像的问题，还应逐段分析求解。
（2024•天心区校级模拟）如图甲，一带电粒子沿平行板电容器中线MN以速度v平行于极板进入（记为t＝0时刻），同时在两板上加一按图乙变化的电压。已知粒子比荷为k，带电粒子只受静电力的作用且不与极板发生碰撞，经过一段时间，粒子以平行极板方向的速度射出。则下列说法中正确的是（ ）
A．粒子射出时间可能为t＝4s
B．粒子射出的速度大小为2v
C．极板长度满足L＝3vn（n＝1，2，3⋯）
D．极板间最小距离为3kU02
（2024•天津模拟）如图是带有转向器的粒子直线加速器，转向器中有辐向电场（方向均指向圆心O点），A、B接在电压大小恒为U的交变电源上，质量为m、电量为+q的离子，以初速度v0进入第1个金属圆筒左侧的小孔、离子在每个筒内均做匀速直线运动，时间均为t；在相邻两筒间的缝隙内被电场加速，加速时间不计，离子从第3个金属圆筒右侧出来后，立即由M点射入转向器，沿着半径为R的圆弧虚线（等势线）运动，并从N点射出，离子重力不计，则（ ）
A．交变电源的周期为t
B．第3个金属圆筒长度是第1个金属圆筒长度的3倍
C．离子进入转向器的速度大小为v=4qUm+v02
D．虚线MN处电场强度的大小为6qU+mv02qR
（多选）（2024•天津模拟）如图甲所示，真空中水平放置两块长度为2d的平行金属板P、Q，两板间距为d，两板间加上如图乙所示最大值为U0的周期性变化的电压，在两板左侧紧靠P板处有一粒子源A，自t＝0时刻开始连续释放初速度大小为v0，方向平行于金属板的相同带电粒子，t＝0时刻释放的粒子恰好从Q板右侧边缘离开电场，已知电场变化周期T=2dv0，粒子质量为m，不计粒子重力及相互间的作用力，则（ ）
A．在t＝0时刻进入的粒子离开电场时速度大小为v0
B．粒子的电荷量为mv02U0
C．在t=18T时刻进入的粒子离开电场时电势能减少了18mv 02
D．在t=14T时刻进入的粒子刚好从P板右侧边缘离开电场
考点
考情
命题方向
考点1 电容器
2024高考辽宁卷
2023高考山东高中学业水平等级考试
2023全国高考新课程卷
1.电容电容器的考查主要集中在电容器的充放电、电容器电路动态变化，带电粒子在带电平行板之间的运动等。
2.带电小球在电场中的运动高考考查频率较高，命题形式主要有：带电小球受到某种约束的运动；与电气相关原理等。
3.带电粒子在电场中的运动的考查主要形式为：以某些电子设备为情景；带电粒子在电场中的加速、偏转等。
考点2 带电粒子在电场中运动
2023高考全国甲卷
2023年高考湖北卷
2022新高考福建卷
2022年新高考江苏卷
考点3 带电体在电场中运动
2023局考全因甲卷
2023年高考湖北卷
2022新高考福建卷
2022年新高考江苏卷
I-t图
Q-t图
U-t图