2.(2013·天津·6)两个带等量正电的点电荷,固定在图15中P、Q两点,MN为PQ连线的中垂线,交PQ于O点,A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,取无限远处的电势为零,则 ( )
图15
A.q由A向O的运动是匀加速直线运动
B.q由A向O运动的过程电势能逐渐减小
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
答案 BC
解析 q由A向O运动的过程中,电场力的方向始终由A指向O,但力的大小变化,所以电荷q做变加速直线运动,电场力做正功,q通过O点后在电场力的作用下做变减速运动,所以q到O点时速度最大,动能最大,电势能最小,因无限远处的电势为零,则O点的电势φ≠0,所以q在O点的电势能不为零,故选项B、C均正确,选项A、D错误.
模拟题组
1.(2013·山东·19)如图14所示,在x轴上相距为L的两点固定两个等量异种点电荷+Q、-Q,虚线是以+Q所在点为圆心、为半径的圆,a、b、c、d是圆上的四个点,其中a、c两点在x轴上,b、d两点关于x轴对称.下列判断正确的是 ( )
图14
A.b、d两点处的电势相同
B.四个点中c点处的电势最低
C.b、d两点处的电场强度相同
D.将一试探电荷+q沿圆周由a点移至c点,+q的电势能减小
答案 ABD
解析 在两等量异种电荷产生的电场中,根据电场分布规律和电场的对称性可以判断,b、d两点电势相同,均大于c点电势,b、d两点场强大小相同但方向不同,选项A、B正确,C错误.将+q沿圆周由a点移至c点,+Q对其作用力不做功,-Q对其作用力做正功,所以+q的电势能减小,选项D正确.
2.应对策略:
(1)v-t图象:根据v-t图象的速度变化、斜率变化(即加速度大小的变化),确定电荷所受电场力的方向与电场力的大小变化情况,进而确定电场的方向、电势的高低及电势能的变化.
(2)φ-x图象: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图象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图象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.
(3)E-t图象:根据题中给出的E-t图象,确定E的方向,再在草纸上画出对应电场线的方向,根据E的大小变化,确定电场的强弱分布.
例5 两个等量同种电荷固定于光滑水平面上,其连线中垂线上有A、B、C三点,如图12甲所示,一个电荷量为2 C,质量为1 kg的小物块从C点静止释放,其运动的v-t图象如图乙所示,其中B点处为整条图线切线斜率最大的位置(图中标出了该切线).则下列说法正确的是 ( )
甲 乙
图12
A.B点为中垂线上电场强度最大的点,场强E=2 V/m
B.由C到A的过程中物块的电势能先减小后变大
C.由C点到A点的过程中,电势逐渐升高
D.AB两点电势差UAB=-5 V
解析 小物块在B点加速度最大,故B点场强最大,由v-t图线知B点加速度为2 m/s2,据qE=ma得E=1 V/m,选项A错误;由C到A的过程中小物块动能一直增大,电势能始终在减小,故电势逐渐降低,选项B、C错误;根据动能定理有qUAB=mv-mv,解得UAB=-5 V,选项D正确.
答案 D
突破训练5 一带正电的检验电荷,仅在电场力作用下沿x轴从x=-∞向x=+∞运动,其速度v随位置x变化的图象如图13所示,x=x1和x=-x1处,图线切线的斜率绝对值相等且最大,则在x轴上 ( )
图13
A.x=x1和x=-x1两处,电场强度相同
B.x=x1和x=-x1两处,电场强度最大
C.x=0处电势最低
D.从x=x1运动到x=+∞过程中,电荷的电势能逐渐减小
答案 BD
解析 在x=x1和x=-x1处斜率绝对值相等,则在两处的a大小相等,所以F大小相等.但由题图可知F方向相反,所以E的方向相反,A错误.在x=x1和x=-x1处斜率的绝对值最大,则在两处的a最大,F=am=qE,所以在两处的电场强度也最大,B正确.由图象可知在(-∞,0)上,F方向向左,则E的方向也向左,φ0应为最高,C错误.由图象可知在(0,+∞)上F方向向右,则E的方向也向右,电荷由x1运动到+∞时电场力做正功,电势能逐渐减小,故D正确.
高考题组
1.主要类型:
(1)v-t图象;(2)φ-x图象;(3)E-t图象.
30.静电场中涉及图象问题的处理方法和技巧
3.无论能量如何变化,总是满足能量守恒定律.
突破训练4 如图11所示,虚线为匀强电场的等势线,一个带电小球以一定的速度射入该匀强电场后,运动轨迹如图所示,已知小球受到的重力不能忽略,则下列有关说法中正确的是 ( )
图11
A.小球在b点的动能一定大于小球在a点的动能
B.若小球从a点向b点运动,则动能和电势能的和一定增加
C.若小球从b点向a点运动,则重力势能和电势能的和一定减小
D.根据图中信息不能确定小球在a、b两点的电势能大小
答案 A
解析 由于等势线水平,则电场线一定沿竖直方向,根据曲线运动的轨迹与合外力的关系可知,小球受到的电场力一定向上,且合外力也竖直向上,由此可知若小球从a点向b点运动,合外力对小球做正功,故小球动能一定增加,若小球从b点向a点运动,合外力对小球做负功,故小球动能一定减少,则选项A正确;小球从a点向b点运动的过程中重力势能增加,根据能量守恒定律,可知动能和电势能的和一定减小,则选项B错误;同理可知小球从b点向a点运动过程中动能减小,则重力势能和电势能的和一定增加,则选项C错误;由于小球从a点向b点运动过程中,电场力一定做正功,则电势能一定减小,故小球在a点的电势能一定大于在b点的电势能,故选项D错误.
2.要搞清几个功能关系:重力做功等于重力势能的变化,电场力做功等于电势能的变化,弹簧弹力做功等于弹性势能的变化,合外力做功等于动能的变化.
1.电荷在电场中运动时,电场力做功将引起电势能与其他形式的能发生转化,电荷的机械能不再守恒.
2.电场力做功的计算方法
(1)由公式W=Flcos α计算,此公式只适用于匀强电场,可变形为:W=qElcos α.
(2)由W=qU来计算,此公式适用于任何形式的静电场.
(3)由动能定理来计算:W电场力+W其他力=ΔEk.
(4)由电势能的变化来计算:WAB=EpA-EpB.
例4 如图10所示,竖直向上的匀强电场中,绝缘轻质弹簧竖直立于水平地面上,上面放一质量为m的带正电小球,小球与弹簧不连接,施加外力F将小球向下压至某位置静止.现撤去F,小球从静止开始运动到离开弹簧的过程中,重力、电场力对小球所做的功分别为W1和W2,小球离开弹簧时速度为v,不计空气阻力,则上述过程中( )
图10
A.小球与弹簧组成的系统机械能守恒
B.小球的重力势能增加-W1
C.小球的机械能增加W1+mv2
D.小球的电势能减少W2
解析 本题考查势能大小的计算和机械能守恒定律.由于电场力做正功,故小球与弹簧组成的系统机械能增加,机械能不守恒,故A选项错误;重力做功是重力势能变化的量度,由题意知重力做负功,重力势能增加,故B选项正确;小球增加的机械能等于重力势能的增加量与小球动能的增加量之和,即-W1+mv2,故C选项错误;根据电场力做功是电势能变化的量度,电场力做正功电势能减少,电场力做负功电势能增加,故D选项正确.
答案 BD
1.功能关系
(1)若只有电场力做功,电势能与动能之和保持不变;
(2)若只有电场力和重力做功,电势能、重力势能、动能之和保持不变;
(3)除重力外,其他各力对物体做的功等于物体机械能的变化.
(4)所有力对物体所做功的代数和,等于物体动能的变化.
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