《（新課改省份專用）2020版高考物理一輪復習 第七章 第1節(jié) 電場力的性質學案（含解析）.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《（新課改省份專用）2020版高考物理一輪復習 第七章 第1節(jié) 電場力的性質學案（含解析）.doc（14頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

靜電場 新課程標準 核心知識提煉 1.通過實驗，了解靜電現(xiàn)象。能用原子結構模型和電荷守恒的觀念分析靜電現(xiàn)象。 2.知道點電荷模型，體會科學研究中的物理模型方法。知道兩個點電荷間相互作用的規(guī)律。體會庫侖定律探究過程中的科學思想和方法。 3.知道電場是一種物質。了解電場強度，體會用物理量之比定義新物理量的方法。會用電場線描述電場。 4.了解生產生活中關于靜電的利用與防護的實例。 5.知道靜電場中的電荷具有電勢能。了解電勢能、電勢的含義。 6.知道勻強電場中電勢差及其與電場強度的關系。 7.能分析帶電粒子在電場中的運動情況，能解釋相關的物理現(xiàn)象。 8.觀察常見電容器，了解電容器的電容，觀察電容器的充、放電現(xiàn)象。能舉例說明電容器的應用。 靜電現(xiàn)象　原子結構模型和電荷守恒定律 點電荷 庫侖定律 靜電場　電場強度 電場線 靜電的利用與防護 電勢能、電勢 勻強電場中電勢差及其與電場強度的關系 帶電粒子在電場中的運動 電容器　電容 實驗：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象 第1節(jié)　電場力的性質 一、靜電現(xiàn)象　電荷守恒定律 1．電荷 (1)兩種電荷：自然界中只存在兩種電荷——正電荷和負電荷。同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。 (2)元電荷：電荷的多少叫電荷量，通常把e＝1.6010－19 C的電荷量叫做元電荷。[注1] 2．電荷守恒定律 (1)內容：電荷既不會創(chuàng)生，也不會消滅，它只能從一個物體轉移到另一個物體，或者從物體的一部分轉移到另一部分；在轉移過程中，電荷的總量保持不變。 (2)起電方式：摩擦起電、接觸起電、感應起電。 (3)帶電實質：物體帶電的實質是電子的得失。 二、點電荷及庫侖定律 1．點電荷：當帶電體本身的形狀和大小對研究的問題影響很小時，可以將帶電體視為點電荷。[注2] 2．庫侖定律 (1)內容：真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上。 (2)表達式：F＝k，式中k＝9.0109 Nm2/C2，叫做靜電力常量。[注3] (3)適用條件：①真空中；②點電荷。 三、電場、電場強度及電場線 1．電場 基本性質：對放入其中的電荷有電場力的作用。 2．電場強度 (1)定義式：E＝[注4]，單位：N/C或V/m。 (2)方向：規(guī)定正電荷在電場中某點所受電場力的方向為該點的電場強度方向。 (3)點電荷的電場強度：E＝k，適用于計算真空中的點電荷產生的電場。 (4)電場強度的疊加：電場中某點的電場強度為各個點電荷單獨在該點產生的電場強度的矢量和。 【注解釋疑】 [注1] 元電荷是最小的電荷單位，不是帶電體，也不是點電荷，任何帶電體的電荷量都是元電荷的整數(shù)倍，說明電荷量是不連續(xù)的。 [注2] 點電荷是理想化模型，類似于質點。 [注3] 平方反比律，類似于萬有引力定律，不能錯誤地認為：當距離r接近于0時，F(xiàn)趨近于無限大，因為當r接近0時，兩個物體不能視為點電荷。 [注4] 比值定義法，電場強度是描述電場性質的物理量，與放入的試探電荷無關。 3.電場線 (1)定義：為了形象地描述電場中各點電場強度的強弱及方向，在電場中畫出一些有方向的曲線，曲線上每點的切線方向都跟該點的電場強度方向一致，曲線的疏密表示電場的強弱。 電場線不是電荷的運動軌跡，根據(jù)電場線方向能確定電荷的受力方向和加速度方向，但不能確定電荷的速度方向和運動軌跡。 (2) (3)六種典型電場的電場線 [深化理解] 1．電荷量和電荷之間的距離都是決定庫侖力大小的因素。 2．均勻帶電的絕緣球可以視為點電荷，而距離較近的帶電金屬球不能視為點電荷，因為金屬球相互靠近時表面所帶電荷要重新分布。 3．注意電場強度三個表達式的適用條件，E＝適用于一切電場，E＝k適用于真空中的點電荷，E＝適用于勻強電場。 4．電場強度是矢量，計算某點的合場強應選擇合適的方法，利用平行四邊形定則求出電場強度的矢量和，常用方法包括疊加法、對稱法、補償法、微元法等。 5．在研究帶電粒子的運動軌跡時，不要誤認為運動軌跡與電場線一定重合，只有在特定的條件下，兩者才重合。 6．三個自由點電荷，只在彼此間庫侖力作用下而平衡，則“三點共線、兩同夾異、兩大夾小、近小遠大”。 [基礎自測] 一、判斷題 (1)電場強度反映了電場力的性質，所以電場中某點的電場強度與試探電荷在該點所受的電場力成正比。() (2)電場中某點的電場強度方向即為正電荷在該點所受的電場力的方向。(√) (3)真空中點電荷的電場強度表達式E＝中，Q就是產生電場的點電荷。(√) (4)在點電荷產生的電場中，以點電荷為球心的同一球面上各點的電場強度都相同。() (5)電場線的方向即為帶電粒子的運動方向。() (6)英國物理學家法拉第最早引入了電場概念，并提出用電場線表示電場。(√) (7)美國物理學家密立根通過油滴實驗精確測定了元電荷e的電荷量。(√) 二、選擇題 1．[魯科版選修3－1P8T1]下列現(xiàn)象中，不屬于摩擦起電的有(　　) A．將被毛皮摩擦過的塑料棒靠近碎紙屑，紙屑被吸起 B．在干燥的天氣中脫毛線衣時，會聽到輕微的噼啪聲 C．用干燥的毛刷刷毛料衣服時，毛刷上吸附有許多細微的臟物 D．把鋼針沿著磁鐵摩擦幾次，鋼針就能吸引鐵屑 解析：選D　鋼針能吸引鐵屑是因為被磁化了，不是摩擦起電。 2.[教科版選修3－1P15T1]把檢驗電荷放入電場中的不同點a、b、c、d，測得的檢驗電荷所受電場力F與其電荷量q之間的函數(shù)關系圖像如圖所示，則a、b、c、d四點場強大小的關系為(　　) A．Ea＞Eb＞Ec＞Ed　　 B．Ea＞Eb＞Ed＞Ec C．Ed＞Ea＞Eb＞Ec D．Ec＞Ea＞Eb＞Ed 解析：選D　由E＝知，F(xiàn)q圖像的斜率越大，場強越大，故D正確。 3.[滬科版選修3－1 P15T1]有兩個半徑為r的金屬球如圖放置，兩球表面間距離為3r。今使兩球帶上等量的異種電荷Q，兩球間庫侖力的大小為F，那么(　　) A．F＝k B．F＞k C．F＜k D．無法判定 解析：選B　異種電荷相互吸引，電荷間的距離小于5r，故B正確。 4.[人教版選修3－1P15T5改編](多選)某電場區(qū)域的電場線如圖所示，a、b是其中一條電場線上的兩點，下列說法正確的是(　　) A．負電荷在a點受到的電場力一定小于它在b點受到的電場力 B．a點的場強方向一定沿著a點的電場線向右 C．正電荷在a點受到的電場力一定大于它在b點受到的電場力 D．a點的場強一定大于b點的場強 解析：選BCD　電場線越密，場強越大，電荷受到的電場力越大，與電荷的正、負無關，故A錯誤，B、C、D正確。 高考對本節(jié)內容的考查，主要集中在電荷之間的庫侖力及其平衡問題、電場強度的疊加與計算、電場線的理解與應用，通常以選擇題的形式呈現(xiàn)，難度一般。 考點一　庫侖力及其平衡問題[基礎自修類] [題點全練] 1．[電荷分配原理] 兩個分別帶有電荷量－Q和＋5Q的相同金屬小球(均可視為點電荷)，固定在相距為r的兩處，它們間庫侖力的大小為F，兩小球相互接觸后將其固定距離變?yōu)?，則兩球間庫侖力的大小為(　　) A.　　　　　　　　 B. C. D. 解析：選D　兩球相距r時，根據(jù)庫侖定律得F＝k，兩球接觸后，帶電荷量均為2Q，則F′＝k，由以上兩式可解得F′＝，D正確。 2．[庫侖定律及矢量合成] (2018全國卷Ⅰ)如圖，三個固定的帶電小球a、b和c，相互間的距離分別為ab＝5 cm，bc＝3 cm，ca＝4 cm。小球c所受庫侖力的合力的方向平行于a、b的連線。設小球a、b所帶電荷量的比值的絕對值為k，則(　　) A．a、b的電荷同號，k＝　　　 B．a、b的電荷異號，k＝ C．a、b的電荷同號，k＝ D．a、b的電荷異號，k＝ 解析：選D　由于小球c所受庫侖力的合力的方向平行于a、b的連線，根據(jù)受力分析知，a、b的電荷異號。 根據(jù)庫侖定律，a對c的庫侖力為Fa＝k0 ① b對c的庫侖力為Fb＝k0 ② 設合力向左，如圖所示，根據(jù)相似三角形，得＝ ③ 聯(lián)立①②③式得 k＝＝＝。 3.[庫侖力作用下的平衡問題] 如圖，絕緣光滑圓環(huán)豎直放置，a、b、c為三個套在圓環(huán)上可自由滑動的空心帶電小球，已知小球c位于圓環(huán)最高點，ac連線與豎直方向成60角，bc連線與豎直方向成30角，三個小球均處于靜止狀態(tài)。下列說法正確的是(　　) A．a、b、c小球帶同種電荷 B．a、b小球帶異種電荷，b、c小球帶同種電荷 C．a、b小球電荷量之比為 D．a、b小球電荷量之比為 解析：選D　對c小球受力分析可得，a、b小球必須帶同種電荷c小球才能平衡。對b小球受力分析可得，b、c小球帶異種電荷b小球才能平衡，故A、B兩項錯誤。對c小球受力分析，將力正交分解后可得：ksin 60＝ksin 30，又rac∶rbc＝1∶，解得：qa∶qb＝∶9。故C項錯誤，D項正確。 4．[三個自由電荷的平衡問題] 如圖所示，已知兩個點電荷Q1、Q2的電荷量分別為＋1 C和＋4 C，在水平面上能自由移動，它們之間的距離d＝3 m，現(xiàn)引入點電荷Q3，試求：當Q3滿足什么條件，并把它放在何處時才能使整個系統(tǒng)處于平衡？ 解析：由于Q1、Q2電性相同，合電場強度為零處必在兩點電荷連線中間某處，Q3帶負電。 再根據(jù)＝，得＝ ＝， 即點電荷Q3離電荷量較小的電荷Q1較近， 又因r1＋r2＝d，d＝3 m，所以Q3到Q1距離r1＝1 m。 根據(jù)＝得：Q3＝ C。 答案：Q3為負電荷，電荷量為 C，且放在Q1Q2中間離Q1為1 m處 [名師微點] 1．應用庫侖定律的三條提醒 (1)作用力的方向判斷根據(jù)：同性相斥，異性相吸，作用力的方向沿兩電荷連線方向。 (2)兩個點電荷間相互作用的庫侖力滿足牛頓第三定律，大小相等、方向相反。 (3)庫侖力存在極大值，在兩帶電體的間距及電荷量之和一定的條件下，當q1＝q2時，F(xiàn)最大。 2．三個自由點電荷的平衡問題 考點二　電場線的理解與應用[基礎自修類] [題點全練] 1．[根據(jù)電場線判斷電荷的特點] 兩點電荷Q1、Q2產生的電場的電場線如圖所示。根據(jù)電場線的分布情況，下列判斷正確的是(　　) A．Q1的電荷量小于Q2的電荷量 B．Q1的電荷量大于Q2的電荷量 C．Q1、Q2一定均為正電荷 D．Q1、Q2一定均為負電荷 解析：選A　由電場線的分布情況可知，Q1的電荷量小于Q2的電荷量，A項正確，B項錯誤。因為電場線沒有標出方向，不能斷定電荷的正負，故C、D項錯誤。 2．[根據(jù)電場線和等勢面判斷電場的性質] 如圖所示，實線表示某靜電場的電場線，虛線表示該電場的等勢面。下列判斷正確的是(　　) A．1、2兩點的場強相等 B．1、3兩點的場強相等 C．1、2兩點的電勢相等 D．2、3兩點的電勢相等 解析：選D　根據(jù)電場線越密集，電場強度越大，有E1＞E2＝E3，故A、B錯誤。沿著電場線方向，電勢逐漸降低，同一等勢面電勢相等，故φ1＞φ2＝φ3，C錯誤，D正確。 3．[根據(jù)電場線和運動軌跡分析帶電粒子的運動] (2018天津高考)如圖所示，實線表示某電場的電場線(方向未標出)，虛線是一帶負電的粒子只在電場力作用下的運動軌跡，設M點和N點的電勢分別為φM、φN，粒子在M和N時加速度大小分別為aM、aN，速度大小分別為vM、vN，電勢能分別為EpM、EpN。下列判斷正確的是(　　) A．vM＜vN，aM＜aN　　　　　　 B．vM＜vN，φM＜φN C．φM＜φN，EpM＜EpN D．aM＜aN，EpM＜EpN 解析：選D　電場線密的地方場強大，粒子受到的電場力大，所以aMφN，故B、C錯誤。又由Ep＝qφ和能量守恒知，帶負電的粒子在電勢越低的位置，具有的電勢能越大，而動能越小，即EpMvN，故A錯誤，D正確。 4．[根據(jù)電場線和運動軌跡比較兩個帶電粒子的運動] (多選)如圖所示，實線為不知方向的三條電場線，從電場中M點以相同速度垂直于電場線方向飛出a、b兩個帶電粒子，僅在電場力作用下的運動軌跡如圖中虛線所示，則(　　) A．a一定帶正電，b一定帶負電 B．a的速度將減小，b的速度將增加 C．a的加速度將減小，b的加速度將增大 D．兩個粒子的動能均增加 解析：選CD　根據(jù)兩粒子的偏轉方向，可知兩粒子帶異性電荷，但無法確定其具體電性，故A錯誤；由粒子受力方向與速度方向的關系，可判斷電場力對兩粒子均做正功，兩粒子的速度、動能均增大，故B錯誤，D正確；從兩粒子的運動軌跡判斷，a粒子經過的電場的電場線逐漸變得稀疏，b粒子經過的電場的電場線逐漸變密，說明a的加速度減小，b的加速度增大，故C正確。 [名師微點] 1．兩種等量點電荷的電場分析 等量異種點電荷 等量同種點電荷 電場線分布圖 電荷連線上的電場強度 沿連線先變小后變大 O點最小，但不為零 O點為零 中垂線上的電場強度 O點最大，向外逐漸減小 O點最小，向外先變大后變小 關于O點對稱位置的電場強度 A與A′、B與B′、C與C′ 等大同向 等大反向 2．電場線的妙用 判斷電場強度的大小 電場線密處電場強度大，電場線疏處電場強度小，進而可判斷電荷受電場力大小和加速度的大小 判斷電場力的方向 正電荷的受力方向和電場線在該點切線方向相同，負電荷的受力方向和電場線在該點切線方向相反 判斷電勢的高低與電勢降低的快慢 沿電場線的方向電勢降低最快，且電場線密的地方比疏的地方降低更快 判斷等勢面的疏密 電場線越密的地方，等差等勢面越密集；電場線越疏的地方，等差等勢面越稀疏 3．分析電場中運動軌跡問題的方法 (1)“運動與力兩線法”——畫出運動軌跡在初始位置的切線(“速度線”)與在初始位置電場線的切線(“力線”)方向，從二者的夾角情況來分析曲線運動的情況。 (2)“三不知時要假設”——電荷的正負、場強的方向或等勢面電勢的高低、電荷運動的方向，是題意中相互制約的三個方面。若已知其中的任一個，可順次向下分析判定各待求量；若三個都不知，則要用“假設法”分別討論各種情況。 考點三　電場強度的疊加與計算[方法模型類] 1．電場強度的三個公式的比較 2．電場強度的計算與疊加 在一般情況下可由上述三個公式計算電場強度，但在求解帶電圓環(huán)、帶電平面等一些特殊帶電體產生的電場強度時，上述公式無法直接應用。這時，如果轉換思維角度，靈活運用疊加法、對稱法、補償法、微元法、等效法等巧妙方法，可以化難為易。 方法(一)　疊加法 [例1]　(多選)離子陷阱是一種利用電場或磁場將離子俘獲并囚禁在一定范圍內的裝置。如圖所示為最常見的“四極離子陷阱”的俯視示意圖，四根平行細桿與直流電壓和疊加的射頻電壓相連，相當于四個電極，相對的電極帶等量同種電荷，相鄰的電極帶等量異種電荷。在垂直于四根桿的平面內四根桿的連線是一個正方形abcd，A、C是a、c連線上的兩點，B、D是b、d連線上的兩點，A、C、B、D到正方形中心O的距離相等。下列判斷正確的是(　　) A．D點的電場強度為零 B．A、B、C、D四點電場強度相等 C．A點電勢比B點電勢高 D．O點的電場強度為零 [解析]　根據(jù)電場的疊加原理，a、c兩個電極帶等量正電荷，其中點O的合場強為零，b、d兩個電極帶等量負電荷，其中點O的合場強為零，則O點的合場強為零，D正確；同理，D點的場強水平向右，A錯誤；A、B、C、D四點的場強大小相等，方向不同，B錯誤；由電場特點知，A點電場方向由A指向O，B點電場方向由O指向B，故φA>φO，φO>φB，則φA>φB，C正確。 [答案]　CD [題型技法]　多個點電荷在空間某處產生的電場強度為各電荷在該處所產生的電場強度的矢量和，疊加時考慮對稱性可以簡化計算，如例題將四個電極分為ac、bd兩兩進行合成分析。 方法(二)　對稱法 [例2]　如圖所示，一圓環(huán)上均勻分布著電荷，在垂直于圓盤且過圓心c的軸線上有a、b、d三個點，a和b、b和c、c和d間的距離均為R，在a點處有一電荷量為q(q>0)的固定點電荷，已知b點處的場強為零，則d點處場強為(　　) A．k　水平向左　　　　　 B．k　水平向右 C．k　水平向左 D．k　水平向右 [解析]　電荷量為q的點電荷在b點處產生的電場強度為E＝k，而b點處的場強為零，則圓盤在此處產生電場強度也為E＝k。由對稱性可知圓盤在d點處產生電場強度大小仍為E＝k。而電荷量為q的點電荷在d點處產生的電場強度大小為E′＝k＝k，由于兩者在d點處產生電場強度方向相同，所以d點處合場強大小為E＋E′＝k，方向水平向右，故選項D正確，A、B、C錯誤。 [答案]　D [題型技法]　利用空間上對稱分布的電荷形成的電場具有對稱性的特點，使復雜電場的疊加計算問題大為簡化。 方法(三)　補償法 [例3]　均勻帶電的球殼在球外空間產生的電場等效于電荷集中于球心處產生的電場。如圖所示，在半球面AB上均勻分布正電荷，總電荷量為q，球面半徑為R，CD為通過半球面頂點與球心O的軸線，在軸線上有M、N兩點，OM＝ON＝2R。已知M點的場強大小為E，則N點的場強大小為(　　) A.－E B. C.－E D.＋E [解析]　左半球面AB上的正電荷產生的電場等效為帶正電荷量為2q的整個球面的電場和帶電荷量為－q的右半球面的電場的合電場，則E＝k－E′，E′為帶電荷量為－q的右半球面在M點產生的場強大小。帶電荷量為－q的右半球面在M點的場強大小與帶正電荷量為q的左半球面AB在 N點的場強大小相等，則EN＝E′＝k－E＝－E，A正確。 [答案]　A [題型技法]　將有缺口的帶電圓環(huán)補全為圓環(huán)，或將半球面補全為球面，然后再應用對稱的特點進行分析，有時還要用到微元思想。 方法(四)　微元法 [例4]　如圖所示，均勻帶電圓環(huán)所帶電荷量為Q，半徑為R，圓心為O，P為垂直于圓環(huán)平面中心軸上的一點，OP＝L，試求P點的場強。 [解析]　設想將圓環(huán)看成由n個小段組成，當n相當大時，每一小段都可以看成點電荷，其所帶電荷量Q′＝，由點電荷場強公式可求得每一小段帶電體在P處產生的場強為E＝＝。由對稱性知，各小段帶電體在P處場強E的垂直于中心軸的分量Ey相互抵消，而其軸向分量Ex之和即為帶電圓環(huán)在P處的場強EP， EP＝nEx＝nkcos θ＝k。 [答案]　k [題型技法]　將帶電體分成許多電荷元，每個電荷元看成點電荷，先根據(jù)庫侖定律求出每個電荷元的場強，再結合對稱性和場強疊加原理求出合場強。 “融會貫通”歸納好——電場中的力電綜合問題 [典例]　如圖所示，上下平行放置的兩帶電金屬板，相距為3l，板間有豎直向下的勻強電場E。距上板l處有一帶電荷量為＋q的小球B，在B上方有帶電荷量為－6q的小球A，他們質量均為m，用長度為l的絕緣輕桿相連。已知E＝。讓兩小球從靜止釋放，小球可以通過上板的小孔進入電場中(重力加速度為g)。求： (1)B球剛進入電場時的速度v1大??； (2)A球剛進入電場時的速度v2大??； (3)B球是否能碰到下金屬板？如能，求剛碰到時的速度v3大小。如不能，請通過計算說明理由。 [解析]　(1)B球進入電場前，兩小球不受電場力作用，只受重力作用，做自由落體運動。 v12＝2gl，解得v1＝。 (2)A球進入小孔前，只有B球受電場力， F＝qE＝mg，方向豎直向下 系統(tǒng)受力分析如圖甲所示 由牛頓第二定律可得： F＋2mg＝2ma1 解得a1＝ 系統(tǒng)做勻加速直線運動 v22＝v12＋2a1l 代入數(shù)據(jù)解得v2＝。 (3)當A、B球全部進入電場后，系統(tǒng)受力如圖乙所示 6qE－qE－2mg＝2ma3 解得a3＝ 設系統(tǒng)速度為零時沒到達下金屬板 設停下來時通過的距離為H H＝，代入數(shù)據(jù)得：H＝<2l， 故B球不能碰到下金屬板。 [答案]　(1)　(2)　(3)不能，理由見解析 [反思領悟]　 帶電體在電場中力電綜合問題的分析思路 [針對訓練] 1．如圖所示，光滑絕緣水平面上兩個相同的帶電小圓環(huán)A、B，電荷量均為q，質量均為m，用一根光滑絕緣輕繩穿過兩個圓環(huán)，并系于結點O。在O處施加一水平恒力F使A、B一起加速運動，輕繩恰好構成一個邊長為l的等邊三角形，下列說法正確的是(　　) A．小環(huán)A的加速度大小為 B．小環(huán)A的加速度大小為 C．恒力F的大小為 D．恒力F的大小為 解析：選B　設輕繩的拉力為T，則對A：T＋Tcos 60＝k；Tcos 30＝maA，聯(lián)立解得：aA＝，選項B正確，A錯誤；恒力F的大小為F＝2Tcos 30＝T＝，選項C、D錯誤。 2.(2017北京高考)如圖所示，長l＝1 m 的輕質細繩上端固定，下端連接一個可視為質點的帶電小球，小球靜止在水平向右的勻強電場中，繩與豎直方向的夾角θ＝37。已知小球所帶電荷量q＝1.010－6 C，勻強電場的場強E＝3.0103 N/C，取重力加速度g＝10 m/s2，sin 37＝0.6，cos 37＝0.8。求： (1)小球所受電場力F的大??； (2)小球的質量m； (3)將電場撤去，小球回到最低點時速度v的大小。 解析：(1)F＝qE＝3.010－3 N。 (2)由＝tan 37，得m＝4.010－4 kg。 (3)由mgl(1－cos 37)＝mv2， 得v＝＝2.0 m/s。 答案：(1)3.010－3 N　(2)4.010－4 kg　(3)2.0 m/s