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    10.3 电势差与电场强度的关系 学案 高中物理新人教版必修第三册(2022年)
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    人教版 (2019)必修 第三册3 电势差与电场强度的关系学案

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    这是一份人教版 (2019)必修 第三册3 电势差与电场强度的关系学案,共9页。

    10.3  电势差与电场强度的关系

    考点1:对关系式UEdE的理解

    1.关系式表明了电场强度与电势差的关系

    大小关系

    E可知,电场强度在数值上等于沿电场方向每单位距离上降低的电势

    方向关系

    电场中电场强度的方向就是电势降低最快的方向

    物理意义

    电场强度是电势差对空间位置的变化率,反映了电势随空间变化的快慢

    2.在非匀强电场中,公式E可用来定性分析问题,由E可以得出结论:

    在等差等势面越密的地方场强就越大,如图甲所示。再如图乙所示,abc为某条电场线上的三个点,且距离abbc,由于电场线越密的地方电场强度越大,故Uab<Ubc

    【例1】 如图所示,在匀强电场中,电荷量q5.0×1010 C的正电荷由a点移到b点和由a点移到c点,电场力做功都是3.0×108 J,已知abc三点的连线组成了一个直角三角形,ab20 cma37°c90°sin 37°0.6cos 37°0.8,求:

    (1)ab两点的电势差Uab

    (2)匀强电场的场强大小和方向。

    【解析】 (1)因为正电荷从ab和从ac,电场力做功相等,所以由WqU可得UabUacbc两点在同一等势面上,根据电场线与等势面垂直,可知场强方向与ac平行,垂直指向bc

    Uab V60 V

    (2)UEd可得

    E V/m375 V/m

    场强方向平行于ac,且由a指向c

    1 在选取场强公式计算电场强度时,首先要注意公式的适用条件,然后判断题目中物理情境是否满足公式的适用条件。

    2 应用公式UABEd计算时,首先要明确所研究的电荷所处的电场必须是匀强电场,其次要明确所要研究的两点的距离应当是沿场强方向两点间的距离。如果给出电场中两点间的距离不是沿场强方向上的距离,则应通过数学知识转化为沿场强方向上的距离。

    训练角度1:应用E定性分析

    1.如图所示,abc是一条电场线上的三个点,电场线的方向由acab间的距离等于bc间的距离,用φaφbφcEaEbEc分别表示abc三点的电势和电场强度,可以判定(  )

    Aφaφbφc   BEaEbEc

    Cφaφbφbφc DEaEbEc

    【解析】A 电场线是沿直线的电场,通常有如图所示几种情况:

    题中给出的一条电场线,不一定是哪一种,故BCD错误;不论是何种情况的电场,沿着电场线方向电势总是降低的,φabc,故A正确。

    训练角度2 应用E定量计算

    2(多选)如图所示,匀强电场中某电场线上的两点AB相距0.2 m。正点电荷q1×106 CA点移到B点,静电力做功为2×106J,则(  )

    A.该电场的电场强度为10 V/m

    B.该电场的方向由A指向B

    CAB两点间的电势差为10 V

    DB点的电势比A点的高

    【解析】AB 根据电势差公式有UAB2 V,由此看出A点的电势高于B点的电势,电场方向由A指向B;根据E,得场强为10 V/m,故AB正确。

    考点2:对电场强度的进一步理解

    1.关于场强E的几个表达式

    公式

    适用范围

    说明

    E

    任何电场

    定义式,q为试探电荷的电荷量

    Ek

    真空中点电荷形成的电场

    Q为场源电荷的电荷量,E表示跟点电荷相距r处的某点的场强

    E

    匀强电场

    U为沿电场线方向上相距为d的两点间的电势差

    2.关于电场强度与电势的理解

    (1)电场强度为零的地方电势不一定为零,如等量同种点电荷连线的中点;电势为零的地方电场强度也不一定为零,如等量异种点电荷连线的中点。

    (2)电场强度相等的地方电势不一定相等,如匀强电场;电势相等的地方电场强度不一定相等,如点电荷周围的等势面。

    【例2】 如图所示,虚线方框内有一匀强电场,ABC为该电场中的三点,已知:φA12 VφB6 VφC=-6 V。试在该虚线框内作出该电场的示意图(画出几条电场线),并要求保留作图时所用的辅助线。

    【解析】 要画电场线,先找等势面(线)

    因为UAC18 VUAB6 V3,将线段AC等分成三份,即使AHHFFC,则φH6 VφF0,故BH等电势。连接BH即为等势线,由电场线与等势面(线)垂直且由高电势指向低电势,可画出电场线如图所示。

    1 在匀强电场中,沿任意一个方向,电势降低都是均匀的,故在同一直线上相同间距的两点间电势差相等,如图甲,ABBC,则UABUBC

    2 在匀强电场中,相互平行且相等的线段两点间的电势差相等。如图乙,ABCD,则UABUCD

    甲        乙

    3 确定电场方向的方法:先由等分法确定电势相等的点,画出等势面(线),然后根据电场线与等势面(线)垂直画出电场线,且电场线的方向由电势高的等势面(线)指向电势低的等势面(线)

    3.如图所示,有竖直向下的匀强电场,AB两等势面间距离为5 cm,电势差为25 V,在电场中P点固定放置电荷量为5×109 C的负点电荷,此时电场中有一点场强为零,此点在P点的(  )

    A.上方30 cm    B.下方30 cm

    C.上方25 cm D.下方25 cm

    【解析】B 匀强电场的场强E V/m500 V/m,设距PL处的合场强为零,则k9×109× V/m500 V/m,故L0.3 m,负点电荷在距PL处的电场竖直向上,该点在电场中P点的下方,B正确。

    考点一 对关系式UEdE的理解

    1.关于匀强电场中的电场强度和电势差的关系,下列说法正确的是(  )

    A.任意两点间的电势差等于场强和这两点间距离的乘积

    B.沿电场线方向上,相同距离上电势降落一定相等

    C.电势降落的方向一定是电场强度的方向

    D.电势降落最快的方向不一定是电场强度的方向

    【解析】B 公式UABEd中的d是沿电场强度的方向上两点间的距离,A错误;沿电场线方向上,相同距离上电势降落相等,B正确;在匀强电场中,沿不同方向电势均可减小,但沿电场强度方向电势降落最快,CD错误。

    2.正常情况下空气是不导电的,但是如果空气中的电场很强,空气也可以被击穿,空气被击穿时会看到电火花或闪电。若观察到某次闪电的火花长约100 m,且已知空气的击穿电场强度为3×106 V/m,那么发生此次闪电的电势差约为(  )

    A3×108 V    B3×106 V

    C3×104 V D3×105 V

    【解析】A 将空气中的电场视为匀强电场,由UEd,可得U3×108 VA正确。

    3.如图所示,三个同心圆是点电荷q周围的三个等势面,ABC是这三个等势面与一条电场线的交点,且ABBCAC两点的电势分别为φA10 VφC2 V,则B点的电势(  )

    A.等于6 V B.低于6 V

    C.高于6 V D.无法确定

    B 因点电荷所形成的电场离点电荷越远电场强度越小,故有φAφBφBφC,即φB6 VB正确。

    1. 如图所示,abc为电场中同一条水平方向电场线上的三点,cab中点。ab电势分别为φa5 Vφb3 V,下列叙述正确的是(  )

    A.该电场在c点处的电势一定为4 V

    Ba点处的场强Ea一定大于b点处的场强Eb

    C.一正电荷从c点运动到b点,电势能一定减少

    D.一正电荷运动到c点时受到的电场力由a指向c

    【解析】CD 该电场不一定是匀强电场,无法比较ab两点的电场强度大小,c点的电势也不一定为4 V,但电场方向由a→b,正电荷在c点所受电场力方向一定由a指向c,正电荷由c运动到b的过程中,电场力做正功,电势能一定减少,故CD正确,AB错误。

    5.如图所示,在水平方向的匀强电场中,一电场线上有相距6 cmAB两点,且UAB150 V,求:

    (1)电场强度的大小和方向;

    (2)电场中AC两点相距14 cmAC两点连线与电场线方向成37°夹角,则C点与A点的电势差UCA为多少?(已知sin 37°0.6cos 37°0.8)

    【解析】 (1)电场强度的大小

    E V/m2.5×103 V/m

    方向水平向右。

    (2)C点与A点的电势差

    UCA=-EdCAcos 37°=-280 V

    考点二 对电场强度的进一步理解

    6.在下列静电学公式中,FqEUd分别表示静电力、电荷量、电场强度、电势差及距离,FkEkEUEd,有关四个公式的下列说法中正确的是(  )

    A.它们都只对点电荷或点电荷的电场成立

    B①②③只对点电荷或点电荷的电场成立,对任何电场都成立

    C①②只对点电荷成立,对任何电场都成立,只对匀强电场成立

    D①②只对点电荷成立,③④对任何电场都成立

    【解析】C E是电场强度定义式,适用于任何电场;Fk适用于真空中的点电荷;Ek是点电荷电场强度决定式,只适用于点电荷;UEd适用于匀强电场,故选项C正确,ABD错误。

    7.(多选)如图所示,AB两板间电压为600 VA板带正电并接地,AB两板间距离为12 cmC点离A4 cm,下列说法正确的是(  )

    AE2 000 V/mφC200 V

    BE5 000 V/mφC=-200 V

    C.电子在C点具有的电势能为-200 eV

    D.电子在C点具有的电势能为200 eV

    【解析】BD A板接地,则其电势为零,又因为AB两板间的电压为600 V,则B板电势为-600 V,由此知C点电势为负值,则AB两板间场强E50 V/cm5 000 V/mφC=-EdC=-50×4 V=-200 V,选项A错误,B正确;电子在C点具有的电势能为200 eV,选项C错误,D正确。

    8(多选)如图所示,在电场中任取一条电场线,ab两点相距为d,则(  )

    Aa点的场强一定大于b点的场强

    Ba点的电势一定高于b点的电势

    Cab两点的电势差一定等于Ed(Ea点场强)

    Dab两点的电势差在数值上等于单位正电荷由a沿任意路径移到b点电场力所做的功

    【解析】BD 一条电场线无法确定场强的强弱,选项A错误;沿电场线电势逐渐降低,故a点的电势一定高于b点的电势,选项B正确;匀强电场中,两点间的电势差等于电场强度与间距的乘积,该电场不一定为匀强电场,选项C错误;根据电势差的定义式Uab可知,ab两点的电势差在数值上等于单位正电荷由a沿任意路径移到b点电场力所做的功,选项D正确。

    9.如图所示在某匀强电场中有MNP三点,在以它们为顶点的三角形中,M30°P90°,直角边NP的长度为4 cm。电场方向与三角形所在平面平行。已知MNP点的电势分别为3 V15 V12 V,则电场强度的大小为(  )

    A150 V/m     B75 V/m

    C225 V/m D75 V/m

    【解析】A 过P点作斜边MN的垂线交MNO点,由几何知识可知NO间的距离NO2 cmMO间的距离MO6 cm,由匀强电场的特点和几何关系得O点的电势为φO12 V,即OP两点在同一等势面上,电场强度E150 V/m,选项A正确,BCD错误。

    10.如图所示,在某电场中画出了四条电场线,CD两点是AB连线的三等分点。已知A点的电势为φA30 VB点的电势为φB0,则(  )

    AC点的电势=20 V

    BC点的电势<20 V

    CC点的电势>20 V

    DABC都不正确

    【解析】B 由题图看出,AC段电场线比CD段、DB段电场线密,则AC段电场强度最大,根据公式UEd可以知道,AC间电势差UAC大于CD间电势差UCDDB间电势差UDB。所以UAC>UABAφB)10 V,即AφC)>10 V,又φA30 V,可以知道φC<20 V。故选项B正确。

    11.如图所示的匀强电场场强为1.0×103 N/Cab平行于电场线,abcd4 cmacbd3 cm。则下述计算结果正确的是(  )

    Aab之间的电势差为40 V

    Bac之间的电势差为50 V

    C.将q=-5×103 C的点电荷沿矩形路径abdca移动一周,电场力做的功是-0.25 J

    D.将q=-5×103 C的点电荷沿abda移到d,电场力做的功是0.25 J

    【解析】A 由UABEdUab1.0×103×0.04 V40 VA正确;因为ac在同一等势面上,所以Uac0B错误;将电荷沿abdca移动一周,位移为0,故电场力做的功为0C错误;WadWabqUab(5×103)×40 J=-0.2 JD错误。

    12.如图所示,充电的平行板电容器两板间形成匀强电场,以A点为坐标原点,AB方向为位移x的正方向,能正确反映电势φ随位移x变化的图像是 (  )

    A    B    C    D

    【解析】C 沿电场线的方向电势逐渐降低,AB错误;在匀强电场中电势与场强的关系为UEd,成线性关系,C正确,D错误。

    13.如图所示的匀强电场,等势面是一簇互相平行的竖直平面,间隔均为d,各等势面电势已在图中标出。现有一质量为m的带电小球以速度v0、方向与水平方向成45°角斜向上射入电场,要使小球做直线运动,求:

    (1)小球应带何种电荷及其电荷量;

    (2)小球受到的合外力的大小;

    (3)在入射方向上小球运动的最大位移xm(电场足够大)

    【解析】 (1)作电场线如图甲所示。由题意知,小球只有受到向左的电场力,电场力和重力的合力与初速度才可能在一条直线上,如图乙所示。只有当Fv0在一条直线上才可能使小球做直线运动,所以小球带正电,小球沿v0方向做匀减速运动。

    由图乙知qEmg,相邻等势面间的电势差为U,所以E,所以q

    甲         乙

    (2)由图乙知,

    Fmg

    (3)由动能定理得-Fxm0mv

    所以xm

     

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