靜電場(chǎng)涉及的基本概念比較多,而且又抽象,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)它們的理解和應(yīng)用.
(一)明確靜電場(chǎng)的物質(zhì)特性。靜電場(chǎng)是存在于電荷周圍的一種特殊物質(zhì),是物質(zhì)的一種形態(tài),只要有電荷就有電場(chǎng)這種物質(zhì),它的存在是通過(guò)對(duì)放入電場(chǎng)中的電荷受電場(chǎng)力的作用表現(xiàn)出來(lái)的。不管電場(chǎng)中是否放入電荷,但電場(chǎng)這種物質(zhì)都是客觀存在的。
(二)明確靜電場(chǎng)的力特性。電場(chǎng)的基本特性是對(duì)放入電場(chǎng)的電荷有電場(chǎng)力的作用。電場(chǎng)具有力的性質(zhì)。為了描述這種特性引入電場(chǎng)強(qiáng)度這一概念。
關(guān)于電場(chǎng)強(qiáng)度的常用公式有三個(gè): 、 和 .可從物理意義、引入過(guò)程及適用范圍三個(gè)方面進(jìn)行比較.
是電場(chǎng)強(qiáng)度的定義式.引入檢驗(yàn)電荷q是為了研究電場(chǎng)的力的性質(zhì).實(shí)際上場(chǎng)強(qiáng)的大小跟檢驗(yàn)電荷的電量q的大小無(wú)關(guān),場(chǎng)強(qiáng)大小反映了電場(chǎng)的強(qiáng)弱,由電場(chǎng)本身的性質(zhì)決定.這個(gè)公式適用于一切電場(chǎng),包括變化磁場(chǎng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng).
是真空中的點(diǎn)電荷Q產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的決定式,即場(chǎng)強(qiáng)大小跟場(chǎng)源電荷的電量Q成正比,跟離場(chǎng)源電荷的距離r的平方成反比.它是根據(jù)定義式 和庫(kù)侖定律公式推出的.它只適用于點(diǎn)電荷在真空中所產(chǎn)生的電場(chǎng).
,其中d是A、B兩點(diǎn)沿場(chǎng)強(qiáng)方向的距離.公式反映了勻強(qiáng)電場(chǎng)中場(chǎng)強(qiáng)跟電勢(shì)差的關(guān)系.它是在勻強(qiáng)電場(chǎng)中根據(jù)求功公式和 導(dǎo)出的.所以這個(gè)公式只適用于勻強(qiáng)電場(chǎng).
【例1】:如圖所示的是在一個(gè)電場(chǎng)中的a、b、c、d四個(gè)點(diǎn)分別引入檢驗(yàn)電荷時(shí),電荷所受的電場(chǎng)力F跟引入的電荷電量之間的函數(shù)關(guān)系。下列是說(shuō)法正確的是
A、該電場(chǎng)是勻強(qiáng)電場(chǎng)
B、a、b、c、d四點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小關(guān)系是Ed>Eb>Ea>Ec
C、這四點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小關(guān)系是Eb>Ea>Ec>Ed
D、無(wú)法比較E值大小
解答:對(duì)于電揚(yáng)中給定的位置,放入的檢驗(yàn)電荷的電量不同,它受到的電場(chǎng)力不同,但是電場(chǎng)力F與檢驗(yàn)電荷的電量q的比值F/q即場(chǎng)強(qiáng)E是不變的量,因?yàn)镕=Eq,所以F跟q的關(guān)系的圖線是一條過(guò)原點(diǎn)的直線,該直線的斜率的大小即表示場(chǎng)強(qiáng)的大小,由此可得出Ed>Eb>Ea>Ec。
(三)明確靜電場(chǎng)的能的特性。
電荷放入電場(chǎng)后就具有電勢(shì)能。電場(chǎng)力做功是電勢(shì)能變化的量度:電場(chǎng)力對(duì)電荷做正功,電荷的電勢(shì)能減少;電荷克服電場(chǎng)力做功,電荷的電勢(shì)能增加;電場(chǎng)力做功的多少和電勢(shì)能的變化數(shù)值相等。引入電勢(shì):電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì),等于單位正電荷由該點(diǎn)移動(dòng)到參考點(diǎn)(零電勢(shì)點(diǎn))時(shí)電場(chǎng)力所做的功。電勢(shì)用字母φA表示 。電勢(shì)是相對(duì)的,只有選擇零電勢(shì)的位置才能確定電勢(shì)的值,通常取無(wú)限遠(yuǎn)或地球的電勢(shì)為零。電勢(shì)是標(biāo)量只有大小,沒(méi)有方向,但有正、負(fù)之分,這里正負(fù)只表示比零電勢(shì)高還是低。
電荷q在電場(chǎng)中由一點(diǎn)A移動(dòng)到另一點(diǎn)B時(shí),電場(chǎng)力所做的功WAB與電荷量的q的比值叫電勢(shì)差電勢(shì)差,UAB= 這個(gè)物理量與場(chǎng)中的試探電荷無(wú)關(guān),它是一個(gè)只屬于電場(chǎng)的量。電勢(shì)差是從能量角度表征電場(chǎng)的一個(gè)重要物理量。
電勢(shì)差也等于電場(chǎng)中兩點(diǎn)電勢(shì)之差 ,電勢(shì)差由電場(chǎng)的性質(zhì)決定,與零電勢(shì)點(diǎn)選擇無(wú)關(guān)。
【例2】如圖所示,a、b、c是一條電場(chǎng)線上的三個(gè)點(diǎn),電場(chǎng)線的方向由a到c,a、b間的距離等b、c間的距離。用Ua、Ub、Uc和Ea、Eb、Ec、分別表示a、b、c三點(diǎn)的電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度,可以斷定
(A)Ua>Ub>Uc
(B)Ea>Eb> Ec
(C)Ua-Ub=Ub-Uc
(D)Ea= Eb= Ec
分析指導(dǎo) 題目中只給出了一條電場(chǎng)線,并不知道電場(chǎng)線的疏密情況,所以不能比較各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的大小,這樣選項(xiàng)(B)和(D)不能選。
電場(chǎng)線的方向是從a到c,根據(jù)電場(chǎng)線的方向是電勢(shì)降低的方向,所以Ua>Ub>Uc,這樣選項(xiàng)(A)是正確的。在比較a與b之間、b與c之間的電勢(shì)差時(shí),雖然a、b間距離等于b、c間距離,但是場(chǎng)強(qiáng)情況不知,所以無(wú)法比較電勢(shì)差。(C)不選。只有選項(xiàng)(A)是正確的。
【例3】如圖所示,在等量異種點(diǎn)電荷的電場(chǎng)中,將一個(gè)正的試探電荷由a 點(diǎn)沿直線移到O點(diǎn),再沿直線由O點(diǎn)移到c點(diǎn)。在該過(guò)程中,檢驗(yàn)電荷所受的電勢(shì)能如何改變?
解析:根據(jù)電場(chǎng)線和等勢(shì)面的分布可知:試探電荷由a 點(diǎn)沿直線移到O點(diǎn),電場(chǎng)力先作正功,再沿直線由O點(diǎn)移到c點(diǎn)的過(guò)程中,電荷沿等勢(shì)面運(yùn)動(dòng),電場(chǎng)力不作功,電勢(shì)能不變化,故,全過(guò)程電勢(shì)能先減小后不變。
(四)正確區(qū)分與電場(chǎng)有關(guān)的一些物理量間的關(guān)系
與電場(chǎng)有關(guān)的物理量有電場(chǎng)強(qiáng)度( )、電勢(shì)( )、電勢(shì)差(UAB= )以上公式變型得到:電場(chǎng)力F=Eq、電勢(shì)能?A=qUA、電場(chǎng)力的功WAB=qUAB。不能直接用電場(chǎng)力、電勢(shì)能、電場(chǎng)力的功來(lái)描述電場(chǎng),因?yàn)檫@三個(gè)量不僅與電場(chǎng)有關(guān),還與放人電場(chǎng)中的電荷q有關(guān),而電場(chǎng)強(qiáng)度 、電勢(shì) 電勢(shì)差UAB= 僅由電場(chǎng)決定,它與放入電場(chǎng)中的電荷無(wú)關(guān),故電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)、電勢(shì)差是描述電場(chǎng)性質(zhì)的物理量.都是用比值定義的。電場(chǎng)力、電勢(shì)能、電場(chǎng)力的功不僅與電場(chǎng)有關(guān)而且還與放入電場(chǎng)中的電荷種類電量大小有關(guān)。是由電荷與電場(chǎng)系統(tǒng)共同決定的物理量。為深刻理解這些比較抽象的量之間的關(guān)系,可以與重力場(chǎng)進(jìn)行類比從而加深理解。下面列表對(duì)比如下:
重力場(chǎng)靜電場(chǎng)
相
似
點(diǎn)萬(wàn)有引力定律
重力場(chǎng)強(qiáng)度
豎直線
重力移動(dòng)物體做功與路徑無(wú)關(guān)
高度差
高度h
等高線(水平面)
重力勢(shì)能Ep = mgh
重力所做的功等于重力勢(shì)能的減少量庫(kù)侖定律
電場(chǎng)強(qiáng)度
電場(chǎng)線
電場(chǎng)力移動(dòng)電荷做功與路徑無(wú)關(guān)
電勢(shì)差
電勢(shì)U
等勢(shì)面
電勢(shì)能ε = qU
電場(chǎng)力所做的功等于電勢(shì)能的減少量
相異點(diǎn)m為正值q有正、負(fù)
電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)是從不同角度描述電場(chǎng)性質(zhì)的兩個(gè)物理量.前者是矢量,滿足矢量的疊加原理;后者是標(biāo)量,其大小與零勢(shì)面的選取有關(guān),故電勢(shì)有正、負(fù)、零之分.
(五)電場(chǎng)線和等勢(shì)面可以形象地表示出電場(chǎng)的性質(zhì),是描述電場(chǎng)的一種形象化手段。
電場(chǎng)線總是出發(fā)于正電荷而終止于負(fù)電荷,或者從正電荷出發(fā)到無(wú)窮遠(yuǎn)處,或從無(wú)窮遠(yuǎn)處到負(fù)電荷。電場(chǎng)線不中斷,不閉合,任何兩條電場(chǎng)線不相交不相切。電勢(shì)相等的面叫等勢(shì)面,要牢記以下6種常見(jiàn)的電場(chǎng)的電場(chǎng)線和等勢(shì)面:
電場(chǎng)線、等勢(shì)面的特點(diǎn)和電場(chǎng)線與等勢(shì)面間的關(guān)系:
①電場(chǎng)線的方向?yàn)樵擖c(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)方向,電場(chǎng)線的疏密表示場(chǎng)強(qiáng)的大小。
②電場(chǎng)線互不相交,等勢(shì)面也互不相交。
③電場(chǎng)線和等勢(shì)面在相交處互相垂直。
④電場(chǎng)線的方向是電勢(shì)降低的方向,而且是降低最快的方向。
⑤電場(chǎng)線密的地方等差等勢(shì)面密;等差等勢(shì)面密的地方電場(chǎng)線也密。
注意:在一般情況下,電場(chǎng)線不是電荷的運(yùn)動(dòng)軌跡。僅當(dāng)電場(chǎng)線是直線,不計(jì)電荷重力,電荷無(wú)初速或初速方向沿電場(chǎng)線方向時(shí),電荷才會(huì)沿電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)。
下面再通過(guò)幾個(gè)題目說(shuō)明對(duì)相關(guān)概念的理解:
【例4】 如圖所示,三個(gè)同心圓是同一個(gè)點(diǎn)電荷周圍的三個(gè)等勢(shì)面,已知這三個(gè)圓的半徑成等差數(shù)列。A、B、C分別是這三個(gè)等勢(shì)面上的點(diǎn),且這三點(diǎn)在同一條電場(chǎng)線上。A、C兩點(diǎn)的電勢(shì)依次為φA=10V和φC=2V,則B點(diǎn)的電勢(shì)是
A.一定等于6V B.一定低于6V
C.一定高于6V D.無(wú)法確定
解:由U=Ed,在d相同時(shí),E越大,電壓U也越大。因此UAB> UBC,選B
【例5】 如圖所示,將一個(gè)電荷量為q = +3×10-10C的點(diǎn)電荷從電場(chǎng)中的A點(diǎn)移到B點(diǎn)的過(guò)程中,克服電場(chǎng)力做功6×10-9J。已知A點(diǎn)的電勢(shì)為φA= - 4V,求B點(diǎn)的電勢(shì)。
解:先由W=qU,得AB間的電壓為20V,再由已知分析:向右移動(dòng)正電荷做負(fù)功,說(shuō)明電場(chǎng)力向左,因此電場(chǎng)線方向向左,得出B點(diǎn)電勢(shì)高。因此φB=16V。
【例6】圖中的實(shí)線是一族未標(biāo)明方向的由點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)線,虛線是某一帶電粒子通過(guò)該電場(chǎng)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)軌跡,a、b是其軌跡上的兩點(diǎn)。若帶電粒子在運(yùn)動(dòng)中只受電場(chǎng)力作用,根據(jù)此圖可作出正確判斷的是
A.帶電粒子所帶電荷的符號(hào)
B.帶電粒子在a、b兩點(diǎn)的受力方向
C.可以比較帶電粒子在a、b兩點(diǎn)的速度大小
D.可以比較帶電粒子在a、b兩點(diǎn)的電勢(shì)能的大小
解:帶電粒子的軌跡若是曲線,可以判斷帶電粒子所受的電場(chǎng)力一定指向彎曲的那一側(cè),從而可以判斷帶電粒子在a、b兩點(diǎn)的速度大小和電勢(shì)能大小。帶電粒子在運(yùn)動(dòng)中只受電場(chǎng)力作用,它的軌跡是曲線,則彎曲的一側(cè)即為受力方向,圖中的軌跡彎曲的方向是指向電場(chǎng)線密集的一側(cè),則說(shuō)明帶電粒子所受的電場(chǎng)力是指向場(chǎng)源電荷(即題中所說(shuō)的點(diǎn)電荷),故可以判斷帶電粒子在a、b兩點(diǎn)的受力方向。帶電粒子的受力方向確定后,則說(shuō)明帶電粒子離點(diǎn)電荷越遠(yuǎn),電勢(shì)能越大(它們之間為引力),可以判斷帶電粒子在a點(diǎn)的電勢(shì)能比在b點(diǎn)的電勢(shì)能小,由能量守恒,可以判斷a點(diǎn)的速度比b點(diǎn)的速度大。但由于不知道場(chǎng)源電荷的性質(zhì),故不能判斷帶電粒子所帶電荷的符號(hào)。
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