高中物理 第1章 從富蘭克林到庫侖 1_3物質的又一種形態(tài)教師用書 滬科版選修1-1

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1.3　物質的又一種形態(tài) 1．(3分)在絕緣光滑水平面上，相隔一定距離有兩個帶同種電荷的小球，同時由靜止釋放，則兩小球的加速度和速度大小隨時間變化的情況是(　　) A．速度變大，加速度變大 B．速度變小，加速度變小 C．速度變大，加速度變小 D．速度變小，加速度變大 【解析】　根據庫侖定律知，同種電荷的小球由靜止釋放后，由于互相排斥，兩球間的距離增大，排斥力減小，根據牛頓第二定律知加速度減小，但兩球運動方向與排斥力同向，應做加速運動，故選項C正確，A、B、D錯誤． 【答案】　C 2．(3分)如圖131所示，A、B兩點分別固定著電荷量為＋Q和－Q的點電荷，A、B、C、D四點在同一直線上，且AC＝CD＝DB.現將一帶正電的電荷從C點沿直線移到D點，則庫侖力對試探電荷(　　) 圖131 A．一直做正功 B．一直做負功 C．先做正功再做負功 D．先做負功再做正功 【解析】　由于A帶正電，B帶負電，電荷從C運動到D的過程中受力始終向右，所以庫侖力一直對電荷做正功，故A正確． 【答案】　A 3．(4分)(多選)要使真空中的兩個點電荷間的庫侖力增大到原來的4倍，下列方法可行的是(　　) A．每個點電荷的帶電荷量都增大到原來的2倍，點電荷間的距離不變 B．保持點電荷的帶電荷量不變，使兩個點電荷間的距離增大到原來的2倍 C．使一個點電荷的帶電荷量加1倍，另一個點電荷帶電荷量保持不變，同時使兩點電荷間的距離減小為原來的 D．保持點電荷的帶電荷量不變，將兩點電荷間的距離減小為原來的 【解析】　據庫侖定律F＝k知FA＝＝4F，A項正確；FB＝＝，B項錯誤；FC＝＝8F；C項錯誤．FD＝＝4F，D項正確． 【答案】　AD 課 標 導 思 1.認識電荷間的相互作用是通過電場發(fā)生的，電場具有力的性質． 2．理解電場強度的概念，會用電場強度描述電場的強弱和方向，并會利用E＝F/q進行有關計算．(重點) 3．認識電場線，會用電場線來定性描述電場的強弱和方向．(難點) 4．理解勻強電場. 一、什么是電場 1．電場的產生：電荷周圍存在著一種物質，叫做電場．電荷之間是通過電場發(fā)生相互作用的． 2．性質：電場的基本性質是對放入場中的電荷有力的作用． 3．電場力：電場對電荷的作用力叫做電場力． 4．物質性：電場和磁場一樣，都是物質的一種形態(tài)． 二、電場的形象化描述 1．電場線：在電場中畫出一條條曲線，并規(guī)定電場線從正電荷出發(fā)，終止于負電荷；電場線上某點的切線方向表示正電荷在該點的受力方向；電場線的疏密程度表示電場的強弱． 2．意義：為了形象地描述電場而人為引入的． 三、電場的定量表示 1．電場強度 (1)定義：放入電場中某點的電荷所受電場力F跟它的電荷量q的比值叫做該點的電場強度，簡稱場強． (2)定義式：E＝. (3)單位：在國際單位制中其單位是N/C，也可寫成V/m. (4)方向：電場強度是矢量，人們規(guī)定電場強度的方向跟放在該點的正電荷所受電場力方向相同． 2．勻強電場 (1)定義：如果空間某個區(qū)域內電場強度的大小和方向處處相同，這個區(qū)域內的電場叫做勻強電場． (2)電場線特點：勻強電場的電場線可以用一組等間距的平行直線來表示． 根據電場強度的定義及庫侖定律推導點電荷周圍電場強度的計算公式． 提示：設距點電荷Q為r外，場強為E，在r處放一電荷q，q受到Q的電場給它的力，且F＝，所以E＝＝，即距點電荷Q為r處，電場強度E＝. 一、對電場強度的理解 電場強度是描述電場的力的性質的物理量． 1．E＝是電場強度的定義式，適用于任何情況．雖然E＝，但E與F和q都無關，電場強度是由電場本身決定的量．電場中某點的場強是確定的，其大小、方向只與建立電場的本身(或場源電荷)有關，而與放入的試探電荷無關． 2．E＝k是點電荷所形成的電場的決定式．E由場源電荷Q和試探電荷到場源電荷的距離決定，與是否放入試探電荷無關． 【特別提醒】　電場強度是矢量，當空間的電場是由幾個電荷共同產生時，某點的場強應是每個點電荷單獨存在時在該點場強的矢量和. 二、對電場線的理解 1．電場線是為了形象地描述電場而假想的，實際并不存在，因此電場線是一種理想化的模型． 2．電場線始于正電荷，止于負電荷．在正電荷形成的電場中，電場線起于正電荷，延伸到無窮遠處；在負電荷形成的電場中，電場線起于無窮遠處，止于負電荷． 3．電場線分布的疏密反映了電場的強弱．表示場強的大小．相對而言，電場線越密的區(qū)域，電場強度就越大． 4．電場線上任意一點的切線方向與該點場強方向一致． 5．電場線在電場中不相交，不中斷． 【深化探究】　電場線是電荷的運動軌跡嗎？ 提示：電場線是為了形象地描述電場而引入的假想線，規(guī)定電場線上每點的場強方向沿該點的切線方向，也就是正電荷在該點受電場力產生的加速度的方向(負電荷受力方向相反).運動軌跡是帶電粒子在電場中實際通過的軌跡，徑跡上每點的切線方向為帶電粒子在該點的速度方向.結合力學知識我們知道，物體的速度方向不一定與加速度的方向一致，因此電場線不是帶電粒子的運動軌跡.只有當電場線是直線，而帶電粒子又只受電場力作用由靜止開始或初速度沿電場線方向運動時軌跡才有可能與電場線重合. 6．幾種常見電場的電場線分布及特點． 電場 電場線圖樣 簡要描述 電場特點 正點 電荷 發(fā)散狀直線 離點電荷近處電場強度大，方向背離正點電荷 負點 電荷 會聚狀直線 離點電荷近處電場強度大，方向指向負點電荷 等量同 種電荷 相斥狀曲線 兩點電荷連線上：中點場強最小(為零)，靠近電荷變大； 兩點電荷連線的中垂線：中點場強最小(為零)，向外移動先變大后變小 等量 異種 電荷 相吸狀 曲線 兩點電荷連線上：中點場強最小，靠近電荷變大 兩點電荷連線的中垂線：中點場強最大，向外移動逐漸變小 勻強 電場 (二平行板正對，中間部分為勻強電場)平行的、等間距的、同向的直線 大小相等，方向相同 點電荷 與帶電 極板 上部為發(fā)散狀曲線 下部為相吸狀曲線 離點電荷越遠場強越小 【特別提醒】　沒有畫出電場線的地方不一定沒有電場. 一、電場強度的計算 　在真空中O點放一個點電荷Q＝＋1.010－9 C，直線MN通過O點，OM的距離r＝30 cm，M點放一個試探點電荷q＝－1.010－10 C，如圖132所示，求： 【導學號：22940007】 圖132 (1)q在M點受到的作用力． (2)M點的場強． (3)拿走q后M點的場強． (4)M、N兩點的場強哪點大？ (5)如果把Q換成－1.010－9 C的點電荷，情況又如何？ 【導析】　電場中某點的場強由電場本身決定，與該點所放電荷無關，但是可以利用E＝來量度電場中某點的場強． 【解析】　(1)q在M點受到的電場力由庫侖定律可得 F＝k＝9.0109 N ＝1.010－8 N (2)M點的場強 E＝＝ N/C＝100 N/C， 方向由M指向N. (3)拿走q后M點的場強不變，場強與試探電荷q無關． (4)由E＝k可知，離場源電荷Q越遠，E越小，由于rOMEN， (5)若把Q換成－1.010－9 C的點電荷，各處的場強大小不變，但方向與原來相反． 【答案】　見解析 E＝的應用 此題重點考查了對電場強度概念的理解，試探電荷q只是用來量度電場中某點場強大小的，電場中某點的場強由電場本身性質決定，與試探電荷無關． 1．在電場中的某一點放入電量為5.010－9 C的點電荷，它受到的電場力為3.010－4 N，那么該處的電場強度的大小等于(　　) A．1.51012 N/C B．6.0104 N/C C．1.7105 N/C D．2.010－5 N/C 【解析】　E＝＝ N/C＝6104 N/C. 【答案】　B 二、電場線的應用 　如圖133所示為靜電場的一部分電場線的分布，下列說法正確的是(　　) 圖133 A．這個電場可能是負點電荷形成的 B．C點處的場強為零，因為那里沒有電場線 C．點電荷q在A點受到的電場力比在B點受到的電場力大 D．負電荷在B點時受到的電場力的方向沿B點切線方向 【導析】　(1)由電場線的疏密程度可以判斷電場強度的大小． (2)電場強度的方向沿電場線在該點的切線方向． (3)電荷所受電場力的方向與電荷的電性有關． 【解析】　負電荷的電場線是指向負電荷的直線，故A錯誤；電場線只是形象地描述電場，沒有電場線的地方，場強不一定為零，故B錯誤；電場線的疏密表示電場的強弱，因EA>EB，F＝qE，所以FA>FB，故C正確；負電荷在B點所受電場力的方向與B點的切線方向相反，故D錯誤． 【答案】　C 對電場線的理解 分析這類題目時，要理解電場線的特點，并能應用其特點根據實際情況分析判斷． 2．法拉第首先提出用電場線形象生動地描繪電場，圖134為點電荷a、b所形成電場的電場線分布圖，以下幾種說法正確的是(　　) 圖134 A．a、b為異種電荷，a帶電荷量大于b帶電荷量 B．a、b為異種電荷，a帶電荷量小于b帶電荷量 C．a、b為同種電荷，a帶電荷量大于b帶電荷量 D．a、b為同種電荷，a帶電荷量小于b帶電荷量 【解析】　由電場線的特點可知，a、b為異種電荷，但無法判定a、b的電性；由電場線疏密程度不同，b周圍電場線比a周圍電場線密，說明b帶電荷量大于a帶電荷量． 【答案】　B 1．有關對電場強度的理解，下述正確的是(　　) A．由E＝可知，電場強度E跟放入電荷q所受的電場力成正比 B．當電場中存在試探電荷時，電荷周圍才出現電場這種特殊的物質，才存在電場強度 C．由E＝kQ/r2可知，在離點電荷很近，r接近于零時，電場強度達無窮大 D．電場強度是反映電場本身特性的物理量，與是否存在試探電荷無關 【解析】　電場對處于其中的電荷有電場力的作用是電場的基本性質，我們?yōu)榱朔从畴妶鼍哂羞@一力的性質，引入了物理量電場強度E，E反映了電荷周圍存在的特殊物質——電場本身的特性，試探電荷的引入僅僅是用來檢驗這一特性，因此與試探電荷是否存在無關，物理學中的點電荷是一種理想化的模型，對實際的帶電體在滿足它本身的線度遠小于問題中所涉及的空間距離時，都可看成是點電荷，但當r→0時，則不能把電荷看成是點電荷了，即E＝kQ/r2，在r→0時已不適用，由上述可知只有D選項正確． 【答案】　D 2．在電場中某一點放一試探電荷q，它受到的靜電力為F，則該點的電場強度為E＝，那么下列說法正確的是(　　) A．若移去試探電荷，該點電場強度為0 B．若該點放一電荷量為2q的試探電荷，則該點的電場強度為2E C．若該點放一電荷量為2q的試探電荷，則該點的電場強度為 D．若該點放一電荷量為2q的試探電荷，則該點的電場強度為E 【解析】　電場強度是根據試探電荷受力情況用比值的方法定義的，公式E＝中，雖然有試探電荷的電荷量q，但更換試探電荷時，F與q的比值不變，電場強度由電場本身決定． 【答案】　D 3．A、B為帶電荷量分別為＋Q和－Q的兩個等量異種點電荷，c、d為A、B連線上的兩點，且Ac＝Bd，如圖135所示，關于c、d兩點間電場強度的情況是(　　) 圖135 A．由c到d電場強度由大變小 B．由c到d電場強度由小變大 C．由c到d電場強度不變 D．由c到d電場強度先變小后變大 【解析】　c、d兩點處于A、B兩異種點電荷所形成的疊加場，各點場強可由EA＋EB表示，但計算起來較為繁雜，可借助電場線來描繪．如圖所示，從電場線分布看，從c→d過程中電場線密→疏→密，因此電場強度先變小后變大． 【答案】　D 4．如圖136所示的各電場中，A、B兩點電場強度相等的是(　　) 圖136 【解析】　電場強度相等是指大小相等，方向相同．A選項中A、B兩點場強大小相等，方向不同；B選項中A、B兩點場強大小不相等，但方向相同；C選項中兩平行金屬板間電場是勻強電場，故大小、方向相同；D選項中，A、B兩點場強的大小不同，方向相同． 【答案】　C 5．為了確定電場中P點場強大小，用細絲線懸掛一個帶負電的小球去探測，當球在P點靜止后，測出懸線與豎直方向夾角為37，如圖137所示，已知P點場強方向是水平方向，小球重力為4.010－3 N，帶電荷量為0.01 C，則P點場強大小是多少？ 【導學號：22940008】 圖137 【解析】　對小球受力分析如圖所示，根據平衡條件可知： F電＝mgtan 37＝4.010－3 N＝3.010－3 N E＝＝＝0.3 N/C. 【答案】　0.3 N/C 學業(yè)達標測評(三) (建議用時：45分鐘) 1．(多選)下列關于電場和電場強度的說法正確的是(　　) A．電荷間的相互作用是通過電場產生的，電場最基本的特征是對處在它里面的電荷有力的作用 B．電場是人為設想出來的，其實并不存在 C．某點的場強越大，則同一電荷在該點所受到的電場力越大 D．某點的場強方向為試探電荷在該點受到的電場力的方向 【解析】　電場是電荷周圍客觀存在的一種特殊物質，電荷間的相互作用是通過電場產生的，不是假想的，故A正確，B錯誤；由E＝得F＝Eq，當q一定時，E越大，F越大，所以C正確；場強方向規(guī)定為正電荷在該點受到的電場力方向，與負電荷受電場力的方向相反，D錯誤． 【答案】　AC 2．(多選)點電荷A的電荷量為Q，在其電場中的P點放置另一電荷量為q的點電荷B，下列關于P點場強的判斷正確的是(　　) A．若將A的電荷量加倍，則P點的場強加倍 B．若將B的電荷量加倍，則P點的場強加倍 C．若改變A的電性，則P點的場強反向 D．若改變B的電性，則P點的場強反向 【解析】　由E＝可知P點的場強跟場源電荷A的電荷量Q成正比，而與試探電荷B的電荷量q無關，故A對，B錯，P點場強的方向由場源電荷A的電性決定，跟試探電荷B的電性無關，故C對，D錯． 【答案】　AC 3．在電場中某一點，當放入正電荷時受到的電場力方向向右．當放入負電荷時受到的電場力方向向左，下列說法正確的是(　　) A．當放入正電荷時，該點的場強方向向右；當放入負電荷時，該點的場強方向向左 B．只有在該點放入電荷時，該點才有場強 C．該點的場強方向一定向右 D．關于該點的場強，以上說法均不正確 【解析】　電場是一種客觀存在的物質，一旦電場確定，則電場中任何一點的電場強度的大小和方向就被確定，與放入電場中電荷所帶的電性、電荷量的多少和是否在該點放入電荷無關．電場中任何一點電場強度的方向規(guī)定為正電荷在該點受力的方向，與負電荷受力的方向相反．綜上所述，正確選項為C. 【答案】　C 4．試探電荷在電場中某點受到的電場力為F，這點的電場強度為E，在下圖中能正確反映q、E、F三者關系的是(　　) 【解析】　電場中某點的電場強度E與試探電荷的電量及試探電荷所受電場力大小無關，故A、B均錯誤；由F＝Eq可知C錯誤，D正確． 【答案】　D 5.如圖138所示，AB是某點電荷電場中的一條電場線．在電場線上P處自由釋放一個負檢驗電荷時，它沿直線向B點運動．對此現象，下列判斷正確的是(不計電荷重力)(　　) 圖138 A．電荷向B做勻速運動 B．電荷向B做加速度越來越小的運動 C．電荷向B做加速度越來越大的運動 D．電荷向B做加速運動，加速度的變化情況不能確定 【解析】　由于負電荷從P點靜止釋放，它沿直線運動到B點，說明負電荷受力方向自P指向B，則場強方向自A指向B.由于正電荷、負電荷、異種電荷以及平行且?guī)М惙N電荷的金屬板等都能產生一段直線電場線，所以只能確定負電荷的受力方向向左(自P指向A)，不能確定受力變化情況，也就不能確定加速度變化情況，故選項D正確． 【答案】　D 6．下列關于電場線的論述，正確的是(　　) A．電場線方向就是正試探電荷的運動方向 B．電場線是直線的地方是勻強電場 C．只要初速度為零，正電荷必將在電場中沿電場線方向運動 D．畫有電場線的地方有電場，未畫電場線的地方不一定無電場 【解析】　電場線上某點的切線方向表示該點場強方向，也就是正試探電荷在該點受到的電場力方向，而電荷的運動方向決定于電荷的初速度和受力情況，故選項A錯誤． 電場線是直線的地方，表明該直線所在處各點的場強方向相同，與電場線疏密情況無必然關系，如點電荷電場中電場線為直線，但電場中各點電場線疏密情況不同，故選項B錯誤． 當電荷初速度為零且只受電場力作用時，若電場線為一直線，則電荷將沿電場線做直線運動．若電場線為一曲線，則電荷將做曲線運動且電荷的運動軌跡一定與電場線不同．因為若電荷運動軌跡與電場線重合，則電荷在每一點的速度方向與所受電場力方向必在一直線上，此時電荷不滿足曲線運動的條件．故選項C錯誤． 在用電場線表示電場的分布情況時，不可能在每點都畫上電場線，否則在整個平面上將布滿電場線而不能看清電場線的具體情況了，因此常用幾條電場線來表示某一區(qū)域的電場分布，在沒有畫電場線的地方，則由周邊的情況來判斷電場分布．選項D正確． 【答案】　D 7．如圖139甲所示，AB是一條點電荷電場中的電場線，圖乙則是放在電場線上a、b處的檢驗電荷的電荷量與所受電場力間的函數圖線，由此可以判定 (　　) 圖139 A．場源是正電荷，位置在A側 B．場源是正電荷，位置在B側 C．場源是負電荷，位置在A側 D．場源是負電荷，位置在B側 【解析】　在Fq圖像中，圖像的傾斜程度表示場強E，則Ea>Eb.因此，a處電場線比b處電場線密集，所以場源應是負電荷，位置在B側． 【答案】　D 8．在一個點電荷的電場中，離該點電荷距離為r0的地方放電荷量為q的檢驗電荷，所受電場力為F，則離該點電荷距離為r處的場強的大小為(　　) A.　　　　　　　　　　 B. C. D. 【解析】　由E＝k及E＝，可得Q＝，故點電荷電場中另一點的場強E′＝k＝＝.所以選項B正確． 【答案】　B 9．電荷量為Q1＝3.010－10 C的負電荷，在電場中某點受到的電場力F＝6.310－7 N，方向豎直向上，則該點的場強大小為________N/C，場強方向為________；如果將負電荷Q1改換為Q2＝6.010－10 C的正電荷，那么正電荷受到的電場力大小為________N；如果該點不放電荷，該點場強大小為________N/C. 【解析】　根據電場強度公式，E＝＝＝2.1103 N/C，方向豎直向下，該點場強的大小和方向不隨該點電荷的改變而變化．電荷Q2在該點所受電場力為F＝Q2E＝6.010－10 C2.1103 N/C＝1.2610－6 N. 【答案】　2.1103　豎直向下 1．2610－6　2.1103 接地放電 地球是良好的導體，由于它特別大，所以能夠接受大量電荷而不明顯地改變地球的電勢，這就如同從海洋中抽水或向海洋中放水，并不能明顯改變海平面的高度一樣．如果用導線將帶電導體與地球相連，電荷將從帶電體流向地球，直到導體帶電特別少，可以認為它不再帶電．生產中和生活實際中往往要避免電荷的積累，這時接地是一項有效措施．