全国通用2019届高考物理二轮复习专题7电场和带电粒子在电场中的运动学案.doc

专题7 电场和带电粒子在电场中的运动考题一对电场性质的理解与应用1.电场性质电场力的性质电场能的性质(1)电场力Fk(只适用于真空中静止的点电荷)FqE(普遍适用)(2)电场强度E(定义式，普遍适用)E(只适用于匀强电场)Ek(只适用于点电荷产生的电场)(1)电场力做功WqEd(只适用于匀强电场)WABqUABEpAEpB(适用于任何电场)(2)电势、电势差、电场力做功与电势差的关系(电势定义式)UABAB(UBABA)WABqUAB(UAB)UABEd(只适用于匀强电场)Epq2.电场性质的判断思路(1)明确电场的电场线与等势面的分布规律.(2)利用电场线的疏密分布规律或场强的叠加原理判定场强的强弱.(由a判断a的变化)(3)根据电场力与电场线相切(与等势面垂直)，且指向轨迹的弯曲方向，或轨迹一定夹在力与速度方向之间，分析带电粒子在电场中的运动轨迹问题.(4)根据电场线的方向、电场线的疏密及电势能的大小分析电势的高低.(5)应用电场力做功与电势能改变之间的关系判定电势能的大小或电场力做功情况.例1在直角坐标系xOy中，M、N两点位于x轴上，G、H两点坐标如图1，M、N两点各固定一负点电荷，一电量为Q的正点电荷置于O点时，G点处的电场强度恰好为零.静电力常量用k表示.若将该正点电荷移到G点，则H点处场强的大小和方向分别为()图1A.，沿y轴正向 B.，沿y轴负向C.，沿y轴正向 D.，沿y轴负向解析G点处的电场强度恰好为零，说明负电荷在G点产生的合场强与正电荷在G点产生的场强大小相等方向相反，根据点电荷的场强公式可得，正电荷在G点的场强为，负电荷在G点的合场强也为，当正点电荷移到G点时，正电荷与H点的距离为2a，正电荷在H点产生的场强为，方向沿y轴正向，由于G和H对称，所以负电荷在G点和H点产生的场强大小相等方向相反，大小为，方向沿y轴负向，所以H点处合场强的大小为，方向沿y轴负向，所以B正确.答案B变式训练1.在光滑的绝缘水平面上，有一个正三角形abc，顶点a、b处分别固定一个正点电荷，c处固定一个负点电荷，它们的电荷量都相等，如图2所示，D点为正三角形外接圆的圆心，E、G、H分别为ab、ac、bc的中点，E、F两点关于c点对称.下列说法中正确的是()图2A.D点的场强为零，电势也为零B.E、F两点的电场强度大小相等、方向相反C.G、H两点的场强相同D.将一带正电的试探电荷由E点移动到D点的过程中，该电荷的电势能减小答案D2.(2016重庆三模)在x轴上有两个点电荷q1和q2，x轴上电势随x而变化的关系如图3所示，则()图3A.xx1处电场强度为0B.xx2处电场强度不为0C.q1、q2为不等量异种电荷，且正电荷在x0处，负电荷在x0的某处D.q1、q2为等量异种电荷，且正电荷在x0处，负电荷在x0的某处答案C解析在x图象中，电势降低最快的方向即为场强方向，则x2右侧的场强沿x轴负向，x2左侧的场强方向向右；由E知图象的斜率为场强的大小，得x1处电势为零，场强不为零；x2处场强为零，电势不为零，选项A、B均错误.两个电荷的连线上出现场强为零的点(x2处)有两种情况，一是同种电荷之间，但两侧的电势变化相同；二是异种电荷的连线之外，x1处的电势为正逐渐降低且场强向右，可知此处附近场源电荷为正，负电荷在x0的某处满足要求，选项C正确、选项D错误.3.点电荷Q1、Q2和Q3所产生的静电场的等势面与纸面的交线如图4所示，图中标在等势面上的数值分别表示该等势面的电势，a、b、c表示等势面上的点，下列说法正确的有()图4A.位于g点的点电荷不受电场力作用B.b点的场强与d点的场强大小一定相等C.把电荷量为q的正点电荷从a点移到i点，再从i点移到f点过程中，电场力做的总功大于把该点电荷从a点直接移到f点过程中电场力所做的功D.把1 C正电荷从m点移到c点过程中电场力做的功等于7 kJ答案D解析位于g点的位置电势为零，场强不为零，所以点电荷受电场力作用，故A错误；b点的场强与d点的场强是由点电荷Q1、Q2和Q3所产生的场强叠加产生的，Q2和Q3与b点和d点的距离不等，根据点电荷场强公式E得Q2和Q3在b点和d点的场强大小不等，方向不同.所以b点的场强与d点的场强大小不相等，故B错误；根据电场力做功WqU得把电荷量为q的正点电荷从a点移到i点，再从i点移到f点过程中，电场力做的总功等于把该点电荷从a点直接移到f点过程中电场力所做的功，故C错误；把1 C正电荷从m点移到c点过程中电场力做的功WqU1 C4 kV(3 kV)7 kJ，故D正确.考题二与平行板电容器有关的电场问题1.必须记住的三个公式C、C、E.2.必须明确的两个关键点(1)电路处于接通状态时，电容器两极板间电压不变.(2)电路处于断开状态时，电容器两极板间的带电荷量不变.3.平行板电容器问题的分析思路(1)明确平行板电容器中的哪些物理量是不变的，哪些物理量是变化的以及怎样变化.(2)应用平行板电容器的决定式C分析电容器的电容的变化.(3)应用电容的定义式C分析电容器带电量和两板间电压的变化情况.(4)根据控制变量法对电容的变化进行综合分析，得出结论.例2(2016天津理综4)如图5所示，平行板电容器带有等量异种电荷，与静电计相连，静电计金属外壳和电容器下极板都接地，在两极板间有一固定在P点的点电荷，以E表示两板间的电场强度，Ep表示点电荷在P点的电势能，表示静电计指针的偏角.若保持下极板不动，将上极板向下移动一小段距离至图中虚线位置，则()图5A.增大，E增大 B.增大，Ep不变C.减小，Ep增大 D.减小，E不变解析若保持下极板不动，将上极板向下移动一小段距离，根据C可知，C变大；根据QCU可知，在Q一定的情况下，两极板间的电势差减小，则静电计指针偏角减小；根据E，QCU，C联立可得E，可知E不变；P点离下极板的距离不变，E不变，则P点与下极板的电势差不变，P点的电势不变，故Ep不变；由以上分析可知，选项D正确.答案D变式训练4.如图6所示，平行板电容器与电动势为E的直流电源(内阻不计)连接，下极板接地，静电计所带电荷量很少，可被忽略.一带负电油滴被固定于电容器中的P点.现将平行板电容器的下极板竖直向下移动一小段距离，则()图6A.静电计指针张角变小B.平行板电容器的电容将变大C.带电油滴的电势能将增大D.若先将电容器上极板与电源正极的导线断开，再将下极板向下移动一小段距离，则带电油滴所受电场力不变答案D解析现将平行板电容器的下极板竖直向下移动一小段距离，导致极板间距离增大，静电计测量的是电容器两端的电势差，因为电容器始终与电源相连，则电势差不变，所以静电计指针张角不变，故A错误.根据C，知，d增大，则电容减小，故B错误.电势差不变，d增大，则电场强度减小，P点与上极板的电势差减小，则P点的电势增大，因为该电荷为负电荷，则电势能减小.故C错误.若先将电容器上极板与电源正极的导线断开，则电荷量不变，d改变，根据E，知电场强度不变，则油滴所受电场力不变，故D正确.5.如图7所示，两个水平放置的平行板电容器，A板用导线与M板相连，B板和N板都接地.让A板带电后，在两个电容器间分别有P、Q两个带电油滴都处于静止状态.A、B间电容为C1，电压为U1，带电量为Q1；M、N间电容为C2，电压为U2，带电量为Q2.若将B板稍向下移，下列说法正确的是()图7A.P向下动，Q向上动 B.U1减小，U2增大C.Q1减小，Q2增大 D.C1减小，C2增大答案AC解析将B板下移时，由C，知C1将减小；而MN板不动，故C2不变；故D错误；假设Q不变，则AB板间的电压U1将增大，大于MN间的电压，AB板将向MN板充电，故Q1减小，Q2增大，故C正确；充电完成，稳定后，MN及AB间的电压均增大，故对Q分析可知，Q受到的电场力增大，故Q将上移，对AB分析可知，E1，故电场强度减小，故P受到的电场力减小，故P将向下运动，故A正确.6.如图8所示，平行板电容器两极板水平放置，电容为C，开始时开关闭合，电容器与一直流电源相连，极板间电压为U，两极板间距为d，电容器储存的能量ECU2.一电荷量为q的带电油滴，以初动能Ek0从平行板电容器的两个极板中央水平射入(极板足够长)，带电油滴恰能沿图中所示水平虚线匀速通过电容器，则()图8A.保持开关闭合，仅将上极板下移，带电油滴仍能沿水平线运动B.保持开关闭合，仅将上极板下移，带电油滴将撞击上极板，撞击上极板时的动能为Ek0C.断开开关，仅将上极板上移，带电油滴将撞击下极板，撞击下极板时的动能为Ek0D.断开开关，仅将上极板上移，若不考虑电容器极板的重力势能变化，外力对极板做功至少为CU2答案BD解析保持开关闭合，开始时带电油滴沿直线匀速通过电容器，则：mg保持开关闭合，仅将上极板下移，则向上的电场力大于重力，故带电油滴向上运动，故选项A错误；到达上极板时动能为Ek，则根据动能定理：dEkEk0，以上两个方程式联立可以得到到达上极板的动能为：EkEk0，故选项B正确；断开开关，电量不变，当两极板间距离发生变化的时候，场强不变，即电场力不变，故粒子仍沿直线运动，故选项C错误；断开开关，仅将上极板上移，则两板之间距离为d，则C，C，则整理可以得到：CC，根据C和C，整理可以得到：UU，则上移之后电容器储存的能量为：ECU2CU2，所以增加的能量为：EEECU2CU2CU2，故外力对极板做功至少为CU2，故选项D正确.考题三带电粒子在电场中的运动1.带电粒子在电场中的运动问题的解题思路首先分析粒子的运动规律，区分是在电场中的直线运动问题还是曲线运动问题.2.带电粒子在电场中的加速(1)匀强电场中，v0与E平行时，优先用功能关系求解，若不行，则用牛顿第二定律和运动学公式.(2)非匀强电场中，只能用功能关系求解.3.带电粒子在匀强电场中的偏转(v0垂直于E的方向)，如图9所示图9处理方法：应用运动的合成与分解.(1)沿初速度方向做匀速直线运动，运动时间t.(2)沿电场方向做初速度为零的匀加速直线运动，加速度a.(3)离开电场时的偏移量yat2.(4)速度偏向角tan tan ；位移偏向角tan tan .例3如图10所示，一质量为m、电荷量为q的带正电荷小球(可视为质点)从y轴上的A点以初速度v0(未知)水平抛出，两长为L的平行金属板M、N倾斜放置且与水平方向间的夹角为37，带电小球恰好能垂直M板从其中心小孔B进入两板间(sin 370.6，cos 370.8)图10(1)试求带电小球在y轴上的抛出点A的坐标以及小球抛出的初速度v0；(2)若该平行金属板M、N间有如图所示的匀强电场，且匀强电场的电场强度大小与小球质量之间的关系满足E，试计算两平行板M、N之间的垂直距离d至少为多少时才能保证小球不打在N板上.思维规范流程步骤1：小球由AB做平抛运动，分方向列方程小球垂直M板在B进入电场，在B点：分解速度A点的纵坐标：列几何关系，得结论(1)AB水平方向：cos v0t竖直方向：hgt2在B点：tan yhsin 解得yL，v0 所以A的坐标为(0，L)步骤2：在B点，速度合成法求vB进入电场后的受力情况.对小球列牛顿第二定律表达式：分方向列方程：得结论vB qEmgcos 所以小球做类平抛运动mgsin ma所以agsin dvBtat2dL每式各1分变式训练7.(2016四川理综9)中国科学院2015年10月宣布中国将在2020年开始建造世界上最大的粒子加速器.加速器是人类揭示物质本源的关键设备，在放射治疗、食品安全、材料科学等方面有广泛应用.如图11所示，某直线加速器由沿轴线分布的一系列金属圆管(漂移管)组成，相邻漂移管分别接在高频脉冲电源的两极.质子从K点沿轴线进入加速器并依次向右穿过各漂移管，在漂移管内做匀速直线运动，在漂移管间被电场加速，加速电压视为不变.设质子进入漂移管B时速度为8106 m/s，进入漂移管E时速度为1107 m/s，电源频率为1107 Hz，漂移管间缝隙很小，质子在每个管内运动的时间视为电源周期的，质子的荷质比取1108 C/kg.求：图11(1)漂移管B的长度；(2)相邻漂移管间的加速电压.答案(1)0.4 m(2)6104 V解析(1)设质子进入漂移管B的速度为vB，电源频率、周期分别为f、T，漂移管B的长度为L，则TLvB联立式并代入数据得L0.4 m(2)设质子进入漂移管E的速度为vE，相邻漂移管间的加速电压为U，电场力对质子所做的功为W，质子从漂移管B运动到漂移管E电场力做功W，质子的电荷量为q、质量为m，则WqUW3WWmvmv联立式并代入数据得U6104 V.专题规范练1.(2016上海11)国际单位制中，不是电场强度的单位是()A. B.C. D.答案C解析由公式E可知，电场强度单位为，由公式E可知，也是电场强度单位，由qEqvB可得EvB，故也是电场强度单位，由公式U可知，是电势差单位，故应选C.2.(2016浙江理综15)如图1所示，两个不带电的导体A和B，用一对绝缘柱支持使它们彼此接触.把一带正电荷的物体C置于A附近，贴在A、B下部的金属箔都张开()图1A.此时A带正电，B带负电B.此时A电势低，B电势高C.移去C，贴在A、B下部的金属箔都闭合D.先把A和B分开，然后移去C，贴在A、B下部的金属箔都闭合答案C解析由静电感应可知，A左端带负电，B右端带正电，A、B的电势相等，选项A、B错误；若移去C，则两端的感应电荷消失，则贴在A、B下部的金属箔都闭合，选项C正确；先把A和B分开，然后移去C，则A、B带的电荷仍然存在，故贴在A、B下部的金属箔仍张开，选项D错误.3.(2016全国丙卷15)关于静电场的等势面，下列说法正确的是()A.两个电势不同的等势面可能相交B.电场线与等势面处处相互垂直C.同一等势面上各点电场强度一定相等D.将一负的试探电荷从电势较高的等势面移至电势较低的等势面，电场力做正功答案B解析若两个不同的等势面相交，则在交点处存在两个不同电势数值，与事实不符，A错；电场线一定与等势面垂直，B对；同一等势面上的电势相同，但电场强度不一定相同，C错；将一负电荷从电势较高的等势面移至电势较低的等势面，电场力做负功，故D错.4.(多选)(2016海南单科10)如图2，一带正电的点电荷固定于O点，两虚线圆均以O为圆心，两实线分别为带电粒子M和N先后在电场中运动的轨迹，a、b、c、d、e为轨迹和虚线圆的交点.不计重力.下列说法正确的是()图2A.M带负电荷，N带正电荷B.M在b点的动能小于它在a点的动能C.N在d点的电势能等于它在e点的电势能D.N在从c点运动到d点的过程中克服电场力做功答案ABC解析由题图可知，M粒子的轨迹向左弯曲，则带电粒子所受的电场力方向向左，可知M带电粒子受到了引力作用，故M带负电荷，而N粒子的轨迹向下弯曲，则带电粒子所受的电场力方向向下，说明N粒子受到斥力作用，故N粒子带正电荷，选项A正确；由于虚线是等势面，故M粒子从a到b电场力对其做负功，动能减小，选项B正确；对于N粒子，由于d和e在同一等势面上，故从d到e电场力不做功，电势能不变，选项C正确；由于N粒子带正电，故从c点运动到d点的过程中，电场力做正功，选项D错误.5.如图3所示，在匀强电场中有一个半径为R1 m的圆，电场方向与圆的平面平行，O、P两点电势差为10 V，一个电子在该匀强电场中在仅受电场力作用下运动，且在P、Q两点上速度方向与圆的切线一致，速度大小均为1 m/s，则()图3A.电子从P到Q的运动过程中，动能先增大后减小B.电子可能做圆周运动C.该匀强电场的电场强度E10 V/mD.O点与圆周上电势最低的点电势差为10 V答案D解析带电粒子仅受电场力作用，由于粒子在P、Q两点动能相等，则电势能也相等，因为电场为匀强电场，所以两点的连线PQ即为等势面，根据等势面与电场线垂直特性，从而画出电场线CO.由曲线运动条件可知，正电粒子所受的电场力沿着CO方向，因此粒子从P到Q做曲线运动，速度方向与电场力方向夹角先大于90后小于90，电场力对于运动来说先是阻力后是动力，所以动能先减小后增大，故A、B错误；匀强电场的电场强度E式中的d是沿着电场强度方向的距离，因而由几何关系可知，UPOER，所以E10 V/m，C错误，圆周上电势最低的点与O点的电势差为UER10 V，故D正确.6.如图4所示，一平行板电容器充电后与电源断开，负极板接地，正极板与静电计相连，两板间有一个正检验电荷固定在P点.若正极板保持不动，将负极板缓慢向左平移一小段距离x0的过程中，静电计带电量的变化可忽略，以C表示电容器的电容、表示极板单位面积所带电荷量(也称面电荷密度)、U表示P点与负极板间的电势差，W表示正检验电荷的电势能.各物理量与负极板移动距离x的关系图象中正确的是()图4答案A解析当负极板左移时，d增大，由C可知，C与x图象的关系如图A所示，故A正确；表示极板单位面积所带电荷量，而电容器极板电量不变，则面电荷密度也不变，故B错误；因负极板接地，设P点原来与负极板之间的距离为x，则P点的电势E(xx0)，那么UE(xx0)，与x成线性关系，故C错误；电势能WqEq(xx0)，应该是倾斜直线，故D错误.7.(2016海南单科6)如图5，平行板电容器两极板的间距为d，极板与水平面成45角，上极板带正电.一电荷量为q(q0)的粒子在电容器中靠近下极板处.以初动能Ek0竖直向上射出.不计重力，极板尺寸足够大.若粒子能打到上极板，则两极板间电场强度的最大值为()图5A. B. C. D.答案B解析根据电荷受力可以知道，粒子在电场中做曲线运动，当电场足够大时，粒子到达上极板时速度恰好与上极板平行，如图，将粒子初速度v0分解为垂直极板的vy和平行极板的vx，根据运动的合成与分解，当分速度vy0时，则粒子的速度正好平行上极板，则根据运动学公式：v2d，由于vyv0cos 45，Ek0mv，联立整理得到E，故选项B正确.8.如图6所示为某粒子分析器的简化结构.金属板P、Q相互平行，两板通过直流电源、开关相连，其中Q板接地.一束带电粒子，从a处以一定的初速度平行于金属板P、Q射入两板之间的真空区域，经偏转后打在Q板上如图所示的位置.在其他条件不变的情况下，要使该粒子束能从Q板上b孔射出(不计粒子重力和粒子间的相互影响)，下列操作中可能实现的是()图6A.保持开关S闭合，适当上移P极板B.保持开关S闭合，适当左移P极板C.先断开开关S，再适当上移P极板D.先断开开关S，再适当左移P极板答案A解析粒子在平行板电容器之间做类平抛运动，要使该粒子束能从Q板上b孔射出，需要增大粒子平抛水平位移，竖直方向匀加速直线运动，加速度a，则由a到下极板的距离d0at2，从而可得运动时间t ，水平方向位移xv0tv0 ，保持开关S闭合，则两极板电压不变，适当上移P板，即d增大，d0不变，水平位移增大，选项A对.保持开关闭合，左移P板则电压不变，d和d0都不变，水平位移不变，选项B错.先断开开关S，适当上移P板，则电荷量不变，水平位移xv0，所以水平位移不变，选项C错.同理，先断开开关S，再适当左移P极板，正对面积变小，电容变小，电荷量不变，电压变大，d0不变，水平位移变小，选项D错.9.(2016北京理综23)如图7所示，电子由静止开始经加速电场加速后，沿平行于板面的方向射入偏转电场，并从另一侧射出.已知电子质量为m，电荷量为e，加速电场电压为U0，偏转电场可看做匀强电场，极板间电压为U，极板长度为L，板间距为d.图7(1)忽略电子所受重力，求电子射入偏转电场时初速度v0和从电场射出时沿垂直板面方向的偏转距离y；(2)分析物理量的数量级，是解决物理问题的常用方法.在解决(1)问时忽略了电子所受重力，请利用下列数据分析说明其原因.已知U2.0102 V，d4.0102 m，m9.11031 kg，e1.61019 C，g10 m/s2.(3)极板间既有静电场也有重力场.电势反映了静电场各点的能的性质，请写出电势的定义式.类比电势的定义方法，在重力场中建立“重力势”G的概念，并简要说明电势和“重力势”的共同特点.解析(1)根据动能定理，有eU0mv，电子射入偏转电场时的初速度v0 在偏转电场中，电子的运动时间tL加速度a偏转距离ya(t)2(2)只考虑电子所受重力和电场力的数量级，有重力Gmg1029 N电场力F1015 N由于FG，因此不需要考虑电子所受的重力.(3)电场中某点电势定义为电荷在该点的电势能Ep与其电荷量q的比值，即，类比静电场电势的定义，将重力场中物体在某点的重力势能EG与其质量m的比值，叫做“重力势”，即G电势和重力势G都是反映场的能的性质的物理量，仅由场自身的因素决定.答案(1)(2)见解析(3)见解析10.(2016江南十校3月模拟)如图8所示，在宽度为L的条形区域内有匀强电场，电场的方向平行于区域过界.有一个带电粒子(不计重力)从左侧边界上的A点，以初速度v0沿垂直于电场的方向射入电场，粒子从右侧边界射出时的速度大小为v0.图8(1)求粒子从右侧边界射出时，沿电场方向位移的大小；(2)若带电粒子的入射速度改为v0，求粒子从右侧边界射出时速度的大小；(3)若带电粒子的入射速度大小可以为任意值(远小于光速)，求带电粒子从右侧边界射出速度的最小值.答案(1)L(2)v0(3)v0解析(1)设经过时间t1粒子射出电场，沿电场方向位移为y，沿电场方向速度为vy1由类平抛运动知，Lv0t1，yat，vy1at1射出电场的速度分解到水平方向和竖直方向v0联立，得：a，yL.(2)粒子在水平方向做匀速运动，设经过时间t2粒子射出电场，则Lv0t2设粒子沿场强方向加速度为a，沿场强方向做匀加速直线运动vy2at2粒子射出电场的速度v 联立知vv0.(3)设粒子以vx射入电场，沿电场方向速度为vy粒子射出电场的速度为v，可得v 可知当v2时，v取最小值，即vx代入知最小速度vv0.