電場(chǎng)線與電勢(shì)能(電場(chǎng)線,電場(chǎng)強(qiáng)度,電勢(shì),電勢(shì)能之間的聯(lián)系)
【題頭】
靜電場(chǎng)問題在考試中會(huì)涉及電場(chǎng)線、等勢(shì)面的特點(diǎn),電勢(shì)、電勢(shì)差、電場(chǎng)力做功和電勢(shì)能的變化,平行板電容器的電容等概念的理解以及電勢(shì)差和電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。重點(diǎn)考查基本概念的建立、基本規(guī)律的內(nèi)涵與外延、基本規(guī)律的適用條件,考查學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解、推理、分析問題和解決問題的能力,充分體現(xiàn)了“出活題,考能力”的指導(dǎo)思想。如何能夠?qū)㈦妶?chǎng)線、電勢(shì)、電勢(shì)能及電場(chǎng)力做功的問題解決好呢?我們來看下面的分析。
【問題】
(2016年海淀高三期末物理試題)如圖1甲所示,在某電場(chǎng)中建立x坐標(biāo)軸,A、B為x軸上的兩點(diǎn),xA、xB分別為A、B兩點(diǎn)在x軸上的坐標(biāo)值。一電子僅在電場(chǎng)力作用下沿x軸運(yùn)動(dòng),該電子的電勢(shì)能Ep隨其坐標(biāo)x變化的關(guān)系如圖2乙所示,則下列說法中正確的是
A該電場(chǎng)一定不是孤立點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)
BA點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度小于B點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度
C電子由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的過程中電場(chǎng)力對(duì)其所做的功W=EpAEpB
D電子在A點(diǎn)的動(dòng)能小于在B點(diǎn)的動(dòng)能
【解析】
如圖1所示,電子由A運(yùn)動(dòng)到B的過程中,電勢(shì)能增大,故電場(chǎng)力做負(fù)功,動(dòng)能減小,從而可知電場(chǎng)力方向由B指向A,D錯(cuò)誤。由于電勢(shì)能的變化在相同位移內(nèi)是相同的,故電場(chǎng)力做功在相同位移內(nèi)也是相同的,說明電場(chǎng)力是恒力,故B錯(cuò)誤,A正確。電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能變化之間的關(guān)系為W=(EpBEPA),所以W=EpAEpB,C正確。我們還可以將電勢(shì)能隨位移變化的圖線改畫成電場(chǎng)力做功與位移關(guān)系的圖線,進(jìn)而根據(jù)電場(chǎng)力做功與位移關(guān)系的圖線找到電場(chǎng)力隨位移變化的圖線,從圖象中看出,此過程中電場(chǎng)力是恒力,從而更快的找到正確答案(如圖2中的甲、乙、丙圖)。
【拓展】
(2018年海淀高三期末物理試題)如圖3甲所示,在某電場(chǎng)中建立x坐標(biāo)軸,一個(gè)電子僅在電場(chǎng)力作用下沿x軸正方向運(yùn)動(dòng),經(jīng)過A、B、C三點(diǎn),已知xCxB=xBxA。該電子的電勢(shì)能Ep隨坐標(biāo)x變化的關(guān)系如圖乙所示,則下列說法中正確的是
AA點(diǎn)電勢(shì)低于B點(diǎn)電勢(shì)
BA點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度小于B點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度
CA、B兩點(diǎn)電勢(shì)差UAB等于B、C兩點(diǎn)電勢(shì)差UBC
D電子經(jīng)過A點(diǎn)的速率小于經(jīng)過B點(diǎn)的速率
【解析】
題干中指出電子的運(yùn)動(dòng)過程中電勢(shì)能Ep隨坐標(biāo)x變化的關(guān)系如圖乙所示,由此可知電子的電勢(shì)能是在減少的,由電場(chǎng)力做功和電勢(shì)能的變化關(guān)系可以知道,此過程中電場(chǎng)力對(duì)電子做正功,電子的電勢(shì)能減少。由動(dòng)能定理可知電子的動(dòng)能增加,故電子經(jīng)過A點(diǎn)的速率小于經(jīng)過B點(diǎn)的速率,D正確。由于電場(chǎng)力做正功,故電場(chǎng)力的方向沿x軸正方向,由于電子帶負(fù)電,故電場(chǎng)線的方向沿x軸負(fù)方向,A點(diǎn)電勢(shì)低于B點(diǎn)電勢(shì),A正確。由于在相同位移內(nèi)電勢(shì)能的減少量越來越小,說明在相同位移內(nèi)電場(chǎng)力做功越來越小,故電場(chǎng)力越來越小,A點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)大于B點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度,B錯(cuò)誤。那么A、B兩點(diǎn)電勢(shì)差UAB大于B、C兩點(diǎn)電勢(shì)差UBC,C錯(cuò)誤。
【品析】
由以上可知,對(duì)于靜電場(chǎng)中的綜合題,一定要根據(jù)帶電粒子在場(chǎng)中的受力及做功情況,分析粒子的運(yùn)動(dòng)和能量變化,依據(jù)動(dòng)能定理、功能關(guān)系綜合分析,才能準(zhǔn)確、快速地解決問題。在分析過程中還可以將圖象進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析,從而使分析更加清晰、簡(jiǎn)潔。
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