高考物理大一轮复习专题六电场第3讲电容器与电容带电粒子在电场中的运动课件.ppt

第3讲电容器与电容带电粒子在电场中的运动 一 电容 平行板电容器 1 常见电容器 绝缘 靠近 绝对值 1 组成 由两个彼此 又相互 的导体组成 2 带电荷量 一个极板所带电荷量的 3 电容器的充 放电 异种电荷 电场能 充电 使电容器带电的过程 充电后电容器两板带上等量的 电容器中储存 放电 使充电后的电容器失去电荷的过程 放电过程中 转化为其他形式的能 电场能 2 电容 1 定义 电容器所带的电荷量与两极板间电势差的比值 2 公式 C 106 1012 3 物理意义 电容是描述电容器容纳电荷本领大小的物理量 它的大小与电容器本身的结构有关 与U Q无关 4 单位 1法拉 F 微法 F 皮法 pF 3 平行板电容器的电容 正对面积 距离 1 影响因素 平行板电容器的电容与两极板的 成正比 与两极板的 成反比 并跟板间插入的电介质有关 2 公式 C rS4 kd 二 带电粒子在电场中的运动1 带电粒子在电场中的直线运动 1 运动状态分析 带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场 受到的电场力与运动方向在同一条直线上 做匀变速直线运动 2 用功能观点分析 电场力对带电粒子所做的功等于粒子 动能的变化 即qU 2 带电粒子的偏转分析 1 条件分析 带电粒子垂直于电场方向进入匀强电场 2 运动性质 匀变速曲线运动 3 运动状态 带电粒子受到恒定的与初速度方向垂直的电 场力作用而做类平抛运动 4 处理方法 类似于平抛运动的处理方法 如图6 3 1所 示 图6 3 1 5 运动规律 沿初速度方向做 运动 运动时间 匀速直线 沿电场力方向 做 运动 匀加速直线 基础检测 2015年海南卷 如图6 3 2所示 一充电后的平行板电容器的两极板相距l 在正极板附近有一质量为M 电荷量为q q 0 的粒子 在负极板附近有另一质量为m 电荷量为 q的粒子 在电场力的作用下 两粒子同时从静止开始运动 已知两粒子同 作用力可忽略 不计重力 则M m为 图6 3 2 A 3 2 B 2 1 C 5 2 D 3 1 答案 A 考点1平行板电容器的动态分析 重点归纳1 分析比较的思路 1 先确定是Q还是U不变 电容器保持与电源连接 U不变 电容器充电后与电源断开 Q不变 2 两类动态变化问题的比较 第一类动态变化 电容器两极板间电压不变 第二类动态变化 电容器所带电荷量不变 典例剖析例1 2014年海南卷 如图6 3 3所示 一平行板电容器的两极板与一电压恒定的电源相连 极板水平放置 极板间距为d 在下极板上叠放一厚度为l的金属板 其上部空间有一带电粒子P静止在电容器中 当把金属板从电容器中快速抽出后 粒子P开始运动 重力加速度为g 粒子运动加速度为 图6 3 3 答案 A U2 考点练透 1 多选 美国物理学家密立根通过研究平行板间悬浮不动的带电油滴 比较准确地测定了电子的电荷量 如图6 3 4所示 平行板电容器两极板M N相距d 两极板分别与电压为U的恒定电源两极连接 极板M带正电 现有一质量为m的带电油滴在极板中央处于静止状态 且此时极板带电荷量与油滴带电 荷量的比值为k 则 A 油滴带负电 B 油滴带电荷量为 mgUd C 电容器的电容为 kmgd 图6 3 4 D 将极板N向下缓慢移动一小段距离 油滴将向上运动 解析 由题意知油滴受到的电场力方向竖直向上 又上极板带正电 故油滴带负电 设油滴带电荷量为q 则极板带电 则电场强度E减小 重力将大于电场力 油滴将向下运动 只有选项A C正确 答案 AC 考点2带电粒子在电场中的直线运动分析 重点归纳 2 带电粒子在电场中运动时是否考虑重力的处理方法 1 基本粒子 如电子 质子 粒子 离子等 除有说明或有明确的暗示以外 一般都不考虑重力 但并不忽略质量 2 带电颗粒 如液滴 油滴 尘埃 小球等 除有说明或 有明确的暗示以外 一般都要考虑重力 其中r为该点到Q的距离 选无限 典例剖析例2 如图6 3 5所示 在A点固定一正电荷 电量为Q 在离A高度为H的C处由静止释放某带同种电荷的液珠 开始运动瞬间向上的加速度大小恰好等于重力加速度g 已知静电力常量为k 两电荷均可看成点电荷 不计空气阻力 求 1 液珠的比荷 2 液珠速度最大时离A点的距离h 3 若已知在点电荷Q的电场中 某点的电势 可表示成 kQr 远的电势为零 求液珠能到达的最高点B离A点的 高度rB 图6 3 5 考点练透 2 2014年安徽卷 如图6 3 6所示 充电后的平行板电容器水平放置 电容为C 极板间距离为d 上极板正中有一小孔 质量为m 电荷量为 q的小球从小孔正上方高h处由静止开始下落 穿过小孔到达下极板处速度恰为零 空气阻力忽略不计 极板间电场可视为匀强电场 重力加速度为g 求 1 小球到达小孔处的速度 图6 3 6 2 极板间电场强度大小和电容器所带电荷量 3 小球从开始下落运动到下极板处的时间 考点3带电粒子在电场中的偏转问题 重点归纳 1 粒子的偏转角问题 1 已知带电粒子情况及初速度 如图6 3 7所示 设带电粒子质量为m 带电荷量为q 以初速度v0垂直于电场线方向射入匀强偏转电场 偏转电压为 图6 3 7 结论 动能一定时tan 与q成正比 电荷量相同时tan 与动能成反比 2 已知加速电压U0 若不同的带电粒子是从静止经过同一加速电压U0加速后进入偏转电场的 则由动能定理有 结论 粒子的偏转角与粒子的q m无关 仅取决于加速电场和偏转电场 2 粒子的偏转量问题 2 若不同的带电粒子是从静止经同一加速电压U0加速后 进入偏转电场的 得y U1l24U0d 结论 粒子的偏转距离与粒子的q m无关 仅取决于加速电场和偏转电场 典例剖析例3 2014年山东卷 如图6 3 8所示 场强大小为E 方向竖直向下的匀强电场中有一矩形区域abcd 水平边ab长为s 竖直边ad长为h 质量均为m 带电量分别为 q和 q的两粒子 由a c两点先后沿ab和cd方向以速率v0进入矩形区 两粒子不同时出现在电场中 不计重力 若两粒子轨迹恰好相切 则v0等于 图6 3 8 解析 由两粒子轨迹恰好相切 根据对称性 两个粒子的轨迹相切点一定在矩形区域的中心 并且两粒子均做类平抛运 答案 B备考策略 利用类平抛运动的规律 将复杂的曲线运动分解为两个简单的直线运动 考点练透 3 如图6 3 9所示 平行金属板A B水平正对放置 分别带等量异种电荷 一带电微粒水平射入板间 在重力和电场力共 同作用下运动 轨迹如图中虚线所示 那么 图6 3 9A 若微粒带正电荷 则A板一定带正电荷B 微粒从M点运动到N点电势能一定增加C 微粒从M点运动到N点动能一定增加D 微粒从M点运动到N点机械能一定增加答案 C 方法带电粒子在交变电场中的运动 1 常见的交变电场 常见的产生交变电场的电压波形有方形波 锯齿波 正弦 波等 2 常见的试题类型 此类题型一般有三种情况 1 粒子做单向直线运动 一般用牛顿运动定律求解 2 粒子做往返运动 一般分段研究 3 粒子做偏转运动 一般根据交变电场特点分段研究 3 解答带电粒子在交变电场中运动的思维方法 1 注重全面分析 分析受力特点和运动规律 抓住粒子的运动具有周期性和在空间上具有对称性的特征 求解粒子运动过程中的速度 位移 做功或确定与物理过程相关的边界条件 2 分析时从两条思路出发 一是力和运动的关系 根据牛 顿第二定律及运动学规律分析 二是功能关系 3 注意对称性和周期性变化关系的应用 例3 如图6 3 10甲所示 真空中相距d 5cm的两块平行金属板A B与电源连接 图中未画出 其中B板接地 电势 为零 A板电势变化的规律如图乙所示 将一个质量为2 10 27 kg 电量q 1 6 10 19 C的带电粒子从紧临B板处释放 不 计重力 甲 乙 图6 3 10 求 1 在t 0时刻释放该带电粒子 释放瞬间粒子加速度 的大小 2 若A板电势变化周期T 1 0 10 5s 在t 0时将带电粒子从紧临B板处无初速度释放 粒子到达A板时速度的大小 B板处无初速度释放该带电粒子 粒子不能到达A板 审题突破 1 由图可知两板间开始时的电势差 由U Ed可求得两板间的电场强度 则可求得电场力 由牛顿第二定律可求得加速度的大小 2 因粒子受力可能发生变化 故由位移公式可求得粒子通过的距离 通过比较可知粒子恰好到A板 由运动学公式可求出速度 3 要使粒子不能到达A板 应让粒子在向A板运动中的总位移小于极板间的距离 可得出变化的频率 备考策略 因极板间加交变电场 故粒子的受力发生周期性变化 本题应通过受力情况先确定粒子的运动情况 再确定两板间电势的变化频率 周期性变化的电场在高考中也经常出现 触类旁通 如图6 3 11甲所示 在真空中足够大的绝缘水平地面上 一个质量为m 0 2kg 带电荷量为q 2 0 10 6C的小物块处于静止状态 小物块与地面间的动摩擦因数 0 1 从t 0时刻开始 空间加上一个如图乙所示的场强大小和方向呈周期性变化的电场 取水平向右为正方向 g取10m s2 求 乙 甲图6 3 11 1 23s内小物块的位移大小 2 23s内电场力对小物块所做的功 解 1 0 2s内小物块的加速度为a1 由牛顿第二定律得E1q mg ma1 2s末的速度为v2 a1t1 4m s2 4s内小物块的加速度为a2 由牛顿第二定律得E2q mg ma2 即a2 E2q mgm 2m s2 位移x2 x1 4m 4s末小物块的速度为v4 0因此小物块做周期为4s的匀加速和匀减速运动第22s末的速度为v22 4m s 第23s末的速度v23 v22 a2tt 23s 22s 1s 解得v23 2m s x 47m 2 23s内 设电场力对小物块所做的功为W 由动能定理 解得W 9 8J