2.电势差与电势的关系:UAB=φA-φB,电势差是标量,可以是正值,也可以是负值,而且有UAB=-UBA.
三、电势差
1.电势差:电荷q在电场中A、B两点间移动时,电场力所做的功WAB跟它的电荷量q的比值,叫做A、B间的电势差,也叫电压.
公式:UAB=.
2.等势面
(1)定义:电场中电势相等的各点构成的面.
(2)特点
①电场线跟等势面垂直,即场强的方向跟等势面垂直.
②在等势面上移动电荷时电场力不做功.
③电场线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.
⑤任意两等势面不相交.
二、电势
1.电势
(1)定义:电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值.
(2)定义式:φ=.
(3)标矢性:电势是标量,其大小有正负之分,其正(负)表示该点电势比电势零点高(低).
(4)相对性:电势具有相对性,同一点的电势因零电势点的选取的不同而不同.
(5)沿着电场线方向电势逐渐降低.
2.电势能
(1)定义:电荷在电场中具有的势能.电荷在某点的电势能,等于把它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.
(3)电势能的相对性:电势能是相对的,通常把电荷在离场源电荷无限远处的电势能规定为零,或把电荷在大地表面上的电势能规定为零.
一、电场力做功与电势能
1.电场力做功的特点
(1)在电场中移动电荷时,电场力做功与路径无关,只与初末位置有关,可见电场力做功与重力做功相似.
(2)在匀强电场中,电场力做的功W=Eqd,其中d为沿电场线方向的位移.
11.两个带电小球A和B,质量分别为m1、m2,带有同种电荷,带电荷量分别为q1、q2.A、B两球均放在光滑绝缘的水平板上,A球固定,B球被质量为m3的绝缘挡板P挡住静止,A、B两球相距为d,如图9所示.某时刻起挡板P在向右的水平力F作用下开始向右做匀加速直线运动,加速度大小为a,经过一段时间带电小球B与挡板P分离,在此过程中力F对挡板做功W.求:
图9
(1)力F的最大值和最小值;
(2)带电小球B与挡板分离时的速度.
答案 (1)m3a (m3+m2)a-k
(2)
解析 (1)开始运动时力F最小,以B球和挡板整体为研究对象,由牛顿第二定律得:
F1+k=(m3+m2)a
解得最小力为:F1=(m3+m2)a-k
B球与挡板分离后力F最大,以挡板为研究对象,由牛顿第二定律解得最大力为:F2=m3a
(2)B球与挡板分离时,其与a球的距离为r,以B球为研究对象,由牛顿第二定律得:k=m2a ①
B球匀加速直线运动的位移为:x=r-d ②
由运动学公式得:v2=2ax ③
由①②③联立解得带电小球B与挡板分离时的速度为:
v=
10.如图8所示,M、N是两块竖直放置的带电平行板,板内有水平向左的匀强电场,PQ是光滑绝缘的水平滑槽,滑槽从N板中间穿入电场.a、b为两个带等量正电荷的相同小球,两球之间用绝缘水平轻杆固连,轻杆长为两板间距的,杆长远大于球的半径,开始时从外面用绝缘轻绳拉着b球使a球靠近M板但不接触.现对轻绳施以沿杆方向的水平恒力拉着b球和a球由静止向右运动,当b球刚从小孔离开电场时,撤去拉力,之后a球也恰好能离开电场.求运动过程中b球离开电场前和离开电场后(a球还在电场中)轻杆中的弹力之比.不计两球间库仑力,球可视为点电荷.
图8
答案
解析 设轻杆长为l,两球质量各为m,所受电场力均为F,b球刚离开电场时速度为v,两球加速时加速度大小为a1,减速时加速度大小为a2,b球离开电场前杆弹力大小为F1,离开电场后弹力大小为F2.
对a球:F1-F=ma1 ①
对b球:F2=ma2 ②
对整体:F=2ma2 ③
加速过程:v2=2a1·2l ④
减速过程:v2=2a2l ⑤
联立以上各式,解得:=.
9.如图7所示,A、B、C三个小球(可视为质点)的质量分别为m、2m、3m,B小球带负电,电荷量为q,A、C两小球不带电(不考虑小球间的电荷感应),不可伸长的绝缘细线将三个小球连接起来悬挂在O点,三个小球均处于竖直向上的匀强电场中,电场强度大小为E.则以下说法正确的是 ( )
图7
A.静止时,A、B两小球间细线的拉力为5mg+qE
B.静止时,A、B两小球间细线的拉力为5mg-qE
C.剪断O点与A小球间细线瞬间,A、B两小球间细线的拉力为qE
D.剪断O点与A小球间细线瞬间,A、B两小球间细线的拉力为qE
答案 AC
解析 本题考查力的瞬时作用效果和电场力的问题.静止时由受力分析可知A、B两小球间细线的拉力为F=5mg+qE,故A正确,B错误;O点与A小球间细线剪断的瞬间,由于B小球受到向下的电场力,故A、B两小球的加速度大于C小球的加速度,B、C两小球间细线将处于松驰状态,故以A、B两小球为研究对象有:3mg+qE=3ma,以A小球为研究对象有:mg+F′=ma,解得:F′=qE,故C正确,D错误.
8.如图6所示,真空中Ox坐标轴上的某点有一个点电荷Q,坐标轴上A、B两点的坐标分别为0.2 m和0.7 m.在A点放一个带正电的试探电荷,在B点放一个带负电的试探电荷,A、B两点的试探电荷受到电场力的方向都跟x轴正方向相同,电场力的大小F跟试探电荷电荷量q的关系分别如图中直线a、b所示.下列说法正确的是 ( )
图6
A.B点的电场强度的大小为0.25 N/C
B.A点的电场强度的方向沿x轴负方向
C.点电荷Q是正电荷
D.点电荷Q的位置坐标为0.3 m
答案 D
解析 由两试探电荷受力情况可知,点电荷Q为负电荷,且放置于A、B两点之间某位置,故选项B、C均错误;设Q与A点之间的距离为l,则点电荷在A点产生的场强EA=k== N/C=4×105 N/C,同理可得,点电荷在B点产生的场强为EB=k== N/C=0.25×105 N/C,解得l=0.1 m,所以点电荷Q的位置坐标为xQ=xA+l=0.2 m+0.1 m=0.3 m,故选项A错误,选项D正确.
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