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10.8静电场中的图像问题
课程标准
物理素养
3.1.5知道静电场中的电荷具有电势能。了解电势能、电势的含义。知道匀强电场中电势差与电场强度的关系。能分析带电粒子在电场中的运动情况,能解释相关的物理现象。
物理观念:知道电势差概念,知道电势差的正负表示两点间电势的高低关系。理解电势能的变化与静电力做功的关系。知道常见的电势能零点的规定方法。理解电势是从能的角度描述电场的物理量。会判断电场中两点电势的高低。科学思维:会分析电势的变化情况,会判断电场强度的方向。
科学探究:经历探究匀强电场中电势差与电场强度的定量关系的过程。
科学态度与责任:进一步认识到物理学的和谐统一性。体会能量观点是分析物理问题的重要方法。
v-t图像a-x图像φ-x图像E-x图像Ep-x图像Ek-x图像
课前研读课本,梳理基础知识:
一、v-t图像
根据v-t图像的速度变化、斜率变化(即加速度大小的变化),可确定电荷所受电场力的方向与电场力的大小变化情况,进而确定电场的方向、电势的高低及电势能的变化。
二、φ-x图像
1.电场强度的大小等于φ-x图线的斜率的绝对值,电场强度为零处φ-x图线存在极值,其切线的斜率为零。
2.在φ-x图像中可以直接判断各点电势的高低,并可根据电势大小关系确定电场强度的方向。
3.在φ-x图像中分析电荷移动时电势能的变化,可用WAB=qUAB分析WAB的正负,然后作出判断。
4.在φ-x图像中可以判断电场类型,如图所示,如果图线是曲线,则表示电场强度的大小是变化的,电场为非匀强电场;如果图线是倾斜的直线,则表示电场强度的大小是不变的,电场为匀强电场。
5.在φ-x图像中可知电场强度的方向,进而可以判断电荷在电场中的受力方向。
三、E-x图像
1.E-x图像反映了电场强度随位移变化的规律,E>0表示电场强度沿x轴正方向;E<0表示电场强度沿x轴负方向。
2.在E-x
图线与x轴所围图形“面积”表示电势差(如图所示),两点的电势高低根据电场方向判定。在与粒子运动相结合的题目中,可进一步确定粒子的电性、动能变化、电势能变化等情况。
四、Ep-x图像
1.反映了电势能随位移变化的规律。
2.由Ep-Ep0=Fx,得Ep=Ep0+Fx,故Ep-x图像的切线斜率表示电场力。
3.进一步判断电场强度、动能、加速度等随位移的变化情况。
【题型一】φ-x图像和E-x图像
【典型例题1】在平行于x轴的静电场中,其电势φ随x的分布如图所示,一质量m=1.0×10-6kg,带电荷量大小为q=1.0×10-9C的粒子从x轴上的(2,0)点由静止开始释放,仅在电场力作用下在x轴上往返运动。忽略粒子的重力等因素,下列说法正确的是()
A.粒子带正电
B.x轴上O点右侧电场强度是左侧电场强度的两倍
C.该粒子的最大速度为0.2m/s
D.该粒子运动的周期为0.4s
答案C
解析沿电场线方向电势降低,则根据题图可知,x轴左侧电场强度方向沿x轴负方向,x轴右侧电场强度方向沿x轴正方向,粒子仅在电场力作用下在x轴上往返运动,则粒子带负电,A错误;由U=Ed知,左侧电场强度为E1=eq\f(Δφ,d)=eq\f(20,1×10-2)V/m=2.0×103V/m,右侧电场强度为E2=eq\f(Δφ,d)=eq\f(20,2×10-2)V/m=1.0×103V/m,B错误;该粒子运动过程中电势能的最大值Epm=qφm=-1.0×10-9×20J=-2×10-8J,由能量守恒定律得当电势能最小时动能最大,最大动能为Ekm=2×10-8J=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m),解得最大速度vm=0.2m/s,C正确;设粒子在原点左右两侧运动的时间分别为t1、t2,在原点时的速度为vm,vm=eq\f(qE1,m)t1,vm=eq\f(qE2,m)t2,而周期T=2(t1+t2)=0.6s,D错误。
【典型例题2】某半导体PN结中存在电场,取电场强度E的方向为x轴正方向,其E-x关系图线如图所示,ON=OP,OA=OB。取O点的电势为零,则()
A.A、B的电势相等
B.从N到O的过程中,电势一直升高
C.电子从N移到P的过程中,电势能先增大后减小
D.电子从N移到O和从O移到P的过程中,电场力做功相等
答案D
解析根据U=Ed可知E-x图像与坐标轴围成的面积表示某两点的电势差,由于A和B之间图像与坐标轴围成的面积不为零,则A和B点的电势不相等,故A错误;电场强度E的方向为x轴正方向,从N到O电场强度方向沿x轴正方向增加,根据沿电场线方向电势降低可知,从N到O的过程中,电势一直降低,故B错误;从N到P电场线一直是沿+x方向,电子从N移到P的过程中电场力方向一直沿x轴负方
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