电场学生版.docx
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电场学生版
考试内容范围及要求
高考命题解读
内容
要求
说明
1.考查方式
本章内容在高考中单独命题较多，有选择题也有计算题．选择题主要考查对基本概念和物理模型的理解，如电场的分布特点、电势、电势能的理解；计算题主要考查带电粒子在电场中的运动，常与牛顿运动定律、功能关系、能量守恒综合考查．
2．命题趋势
常与实际生活、科学研究联系密切出题，通过新的情景或新的素材如喷墨打印机、静电除尘、示波管、加速器等进行命题考查.
22.静电现象
Ⅰ
1.电场强度的计算最多考虑两个电场的叠加
2．计算限于带电粒子进入电场时速度平行或垂直于场强的情况
23.电荷 电荷守恒定律
Ⅰ
24.点电荷 库仑定律
Ⅰ
25.静电场 电场线 电势能 电势 等势面
Ⅰ
26.电场强度 点电荷的场强 电势差
Ⅱ
27.匀强电场中电势差和电场强度的关系
Ⅰ
28.带电粒子在匀强电场中的运动
Ⅱ
29.电容 电容器
Ⅰ
第1讲 库仑定律 电场力的性质
一、库仑定律 电荷守恒定律
1．点电荷
有一定的电荷量，忽略形状和大小的一种理想化模型．
2．电荷守恒定律
（1）起电方式：
摩擦起电、接触起电、感应起电．
（2）带电实质：
物体带电的实质是得失电子．
（3）内容：
电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变．
3．库仑定律
（1）内容：
真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上．
（2）表达式：
F＝k
，式中k＝9.0×109N·m2/C2，叫做静电力常量．
（3）适用条件：
①真空中；②点电荷．
深度思考
计算两个带电小球之间的库仑力时，公式中的r一定是指两个球心之间的距离吗？
为什么？
答案 不一定．当两个小球之间的距离相对于两球的直径较小时，两球不能看做点电荷，这时公式中的r大于（带同种电荷）或小于（带异种电荷）两个球心之间的距离．
二、电场、电场强度
1．电场
（1）定义：
存在于电荷周围，能传递电荷间相互作用的一种特殊物质．
（2）基本性质：
对放入其中的电荷有力的作用．
2．电场强度
（1）定义：
放入电场中某点的电荷受到的电场力F与它的电荷量q的比值．
（2）定义式：
E＝
，q为试探电荷．
（3）矢量性：
规定正电荷在电场中某点所受电场力的方向为该点电场强度的方向．
3．场强公式的比较
三个公式
4．电场的叠加
（1）电场叠加：
多个电荷在空间某处产生的电场强度为各电荷单独在该处所产生的电场强度的矢量和．
（2）运算法则：
平行四边形定则．
5．等量同种和异种点电荷的电场强度的比较
比较项目
等量异种点电荷
等量同种点电荷
电场线分布图
连线中点O处的场强
连线上O点场强最小，指向负电荷一方
为零
连线上的场强大小（从左到右）
沿连线先变小，再变大
沿连线先变小，再变大
沿中垂线由O点向外场强大小
O点最大，向外逐渐减小
O点最小，向外先变大后变小
三、电场线
1．定义
为了形象地描述电场中各点场强的强弱及方向，在电场中画出一些曲线，曲线上每一点的切线方向都跟该点的场强方向一致，曲线的疏密表示电场的强弱．
2．电场线的三个特点
（1）电场线从正电荷或无限远处出发，终止于无限远或负电荷处；
（2）电场线在电场中不相交；
（3）在同一幅图中，电场强度较大的地方电场线较密，电场强度较小的地方电场线较疏．
1．（2016·浙江理综·15）如图1所示，两个不带电的导体A和B，用一对绝缘柱支持使它们彼此接触．把一带正电荷的物体C置于A附近，贴在A、B下部的金属箔都张开（ ）
图1
A．此时A带正电，B带负电
B．此时A电势低，B电势高
C．移去C，贴在A、B下部的金属箔都闭合
D．先把A和B分开，然后移去C，贴在A、B下部的金属箔都闭合
2．（教科版选修3－1P15第1题）把检验电荷放入电场中的不同点a、b、c、d，测得的检验电荷所受电场力F与其电荷量q之间的函数关系图象如图2所示，则a、b、c、d四点场强大小的关系为（ ）
图2
A．Ea>Eb>Ec>Ed
B．Ea>Eb>Ed>Ec
C．Ed>Ea>Eb>Ec
D．Ec>Ea>Eb>Ed
3．（人教版选修3－1P5演示实验改编）在探究两电荷间相互作用力的大小与哪些因素有关的实验中，一同学猜想可能与两电荷的间距和电荷量有关．他选用带正电的小球A和B，A球放在可移动的绝缘座上，B球用绝缘丝线悬挂于玻璃棒C点，如图3所示．
图3
实验时，先保持两球电荷量不变，使A球从远处逐渐向B球靠近，观察到两球距离越小，B球悬线的偏角越大；再保持两球距离不变，改变小球所带的电荷量，观察到电荷量越大，B球悬线的偏角越大．
实验表明：
两电荷之间的相互作用力，随其距离的______而增大，随其所带电荷量的________而增大．
此同学在探究中应用的科学方法是________（选填“累积法”“等效替代法”“控制变量法”或“演绎法”）．
4.（人教版选修3－1P15第6题）用一条绝缘轻绳悬挂一个带电小球，小球质量为1.0×10－2kg，所带电荷量为＋2.0×10－8C．现加一水平方向的匀强电场，平衡时绝缘绳与铅垂线成30°夹角（如图4）．求这个匀强电场的电场强度．
图4
5．（人教版选修3－1P15第7题）如图5所示，真空中有两个点电荷Q1＝＋4.0×10－8C和Q2＝－1.0×10－8C，分别固定在x坐标轴的x＝0和x＝6cm的位置上．
图5
（1）x坐标轴上哪个位置的电场强度为零？
（2）x坐标轴上哪些地方的电场强度方向是沿x轴正方向的？
命题点一 库仑定律的理解及应用
1．库仑定律适用于真空中静止点电荷间的相互作用．
2．对于两个均匀带电绝缘球体，可将其视为电荷集中在球心的点电荷，r为球心间的距离．
3．对于两个带电金属球，要考虑表面电荷的重新分布，如图6所示．
图6
（1）同种电荷：
F＜k
；
（2）异种电荷：
F＞k
.
4．不能根据公式错误地认为r→0时，库仑力F→∞，因为当r→0时，两个带电体已不能看做点电荷了．
例1
（多选）（2016·浙江理综·19）如图7所示，把A、B两个相同的导电小球分别用长为0.10m的绝缘细线悬挂于OA和OB两点．用丝绸摩擦过的玻璃棒与A球接触，棒移开后将悬点OB移到OA点固定．两球接触后分开，平衡时距离为0.12m．已测得每个小球质量是8.0×10－4kg，带电小球可视为点电荷，重力加速度g＝10m/s2，静电力常量k＝9.0×109N·m2/C2，则（ ）
图7
A．两球所带电荷量相等
B．A球所受的静电力为1.0×10－2N
C．B球所带的电荷量为4
×10－8C
D．A、B两球连线中点处的电场强度为0
两个完全相同的带电金属球接触时电荷的分配规律
1．如果接触前两金属球带同种电荷，电荷量分别为q1和q2，两球接触时，总电荷量平均分配，两球的电荷量都等于
.
2．如果接触前两金属球带异种电荷，电荷量分别为q1和q2，且q1＞q2，接触时，先中和再将剩余的电荷量（q1－q2）平均分配，两球的电荷量都等于
.
1．（多选）两个半径相同的金属小球（视为点电荷），带电荷量之比为1∶7，相距为r，两者相互接触后再放回原来的位置上，则相互作用力可能为原来的（ ）
A.
B.
C.
D.
2．根据科学研究表明，地球是一个巨大的带电体，而且表面带有大量的负电荷．如果在距离地球表面高度为地球半径一半的位置由静止释放一个带负电的尘埃，恰好能悬浮在空中，若将其放在距离地球表面高度与地球半径相等的位置时，则此带电尘埃将（ ）
A．向地球表面下落
B．远离地球向太空运动
C．仍处于悬浮状态
D．无法判断
命题点二 电场强度的理解及叠加
1．求解电场强度的常规方法
电场强度是静电学中极其重要的概念，也是高考考点分布的重点区域之一．求电场强度常见的有定义式法、点电荷电场强度公式法、匀强电场公式法、矢量叠加法．
2．求解电场强度的非常规思维方法
（1）等效法：
在保证效果相同的前提下，将复杂的电场情景变换为简单的或熟悉的电场情景．
例如：
一个点电荷＋q与一个无限大薄金属板形成的电场，等效为两个异种点电荷形成的电场，如图8甲、乙所示．
图8
（2）对称法：
利用空间上对称分布的电荷形成的电场具有对称性的特点，使复杂电场的叠加计算问题大为简化．
例如：
如图9，均匀带电的
球壳在O点产生的场强，等效为弧BC产生的场强，弧BC产生的场强方向，又等效为弧的中点M在O点产生的场强方向．
图9
（3）填补法：
将有缺口的带电圆环补全为圆环，或将半球面补全为球面，从而化难为易、事半功倍．
（4）微元法：
将带电体分成许多元电荷，每个元电荷看成点电荷，先根据库仑定律求出每个元电荷的场强，再结合对称性和场强叠加原理求出合场强．
例2
直角坐标系xOy中，M、N两点位于x轴上，G、H两点坐标如图10.M、N两点各固定一负点电荷，一电荷量为Q的正点电荷置于O点时，G点处的电场强度恰好为零．静电力常量用k表示．若将该正点电荷移到G点，则H点处场强的大小和方向分别为（ ）
图10
A.
，沿y轴正向B.
，沿y轴负向
C.
，沿y轴正向D.
，沿y轴负向
例3
如图11所示，xOy平面是无穷大导体的表面，该导体充满z＜0的空间，z＞0的空间为真空．将电荷量为q的点电荷置于z轴上z＝h处，则在xOy平面上会产生感应电荷．空间任意一点处的电场皆是由点电荷q和导体表面上的感应电荷共同激发的．已知静电平衡时导体内部场强处处为零，则在z轴上z＝
处的场强大小为（k为静电力常量）（ ）
图11
A．k
B．k
C．k
D．k
电场强度叠加问题的求解思路
电场强度是矢量，叠加时应遵从平行四边形定则，分析电场的叠加问题的一般步骤是：
（1）确定分析计算场强的空间位置；
（2）分析该处有几个分电场，先计算出各个分电场在该点的电场强度的大小和方向；
（3）依次利用平行四边形定则求出矢量和．
3．已知均匀带电球体在球的外部产生的电场与一个位于球心的、电荷量相等的点电荷产生的电场相同．如图12所示，半径为R的球体上均匀分布着电荷量为Q的电荷，在过球心O的直线上有A、B两个点，O和B、B和A间的距离均为R.现以OB为直径在球内挖一球形空腔，若静电力常量为k，球的体积公式为V＝
πr3，则A点处场强的大小为（ ）
图12
A.
B.
C.
D.
4.如图13所示，一半径为R的圆盘上均匀分布着电荷量为Q的电荷，在垂直于圆盘且过圆心c的轴线上有a、b、d三个点，a和b、b和c、c和d间的距离均为R，在a点有一电荷量为q（q＞0）的固定点电荷．已知b点处的场强为零，则d点处场强的大小为（k为静电力常量）（ ）
图13
A．k
B．k
C．k
D．k
命题点三 电场中的平衡和加速问题
1．电场力方向
正电荷受力方向与场强方向相同，负电荷受力方向与场强方向相反．
2．恰当选取研究对象，用“整体法”或“隔离法”进行分析．
3．基本思路
（1）平衡问题利用平衡条件列式求解．
（2）非平衡问题利用牛顿第二定律求解．
4．库仑力作用下电荷的平衡问题与力学中物体的平衡问题相同，可以将力进行合成与分解．
5．列平衡方程，注意电荷间的库仑力与电荷间的距离有关．
例4
（多选）（2015·浙江理综·20）如图14所示，用两根长度相同的绝缘细线把一个质量为0.1kg的小球A悬挂到水平板的M、N两点，A上带有Q＝3.0×10－6C的正电荷．两线夹角为120°，两线上的拉力大小分别为F1和F2.A的正下方0.3m处放有一带等量异种电荷的小球B，B与绝缘支架的总质量为0.2kg（重力加速度g取10m/s2；静电力常量k＝9.0×109N·m2/C2，A、B球可视为点电荷），则（ ）
图14
A．支架对地面的压力大小为2.0N
B．两线上的拉力大小F1＝F2＝1.9N
C．将B水平右移，使M、A、B在同一直线上，此时两线上的拉力大小F1＝1.225N，F2＝1.0N
D．将B移到无穷远处，两线上的拉力大小F1＝F2＝0.866N
例5
如图15所示，光滑绝缘的正方形水平桌面边长为d＝0.48m，离地高度h＝1.25m．桌面上存在一水平向左的匀强电场（除此之外其余位置均无电场），电场强度E＝1×104N/C.在水平桌面上某一位置P处有一质量m＝0.01kg，电荷量q＝1×10－6C的带正电小球以初速度v0＝1m/s向右运动．空气阻力忽略不计，重力加速度g＝10m/s2.求：
图15
（1）小球在桌面上运动时加速度的大小和方向？
（2）P处距右端桌面多远时，小球从开始运动到最终落地的水平距离最大？
并求出该最大水平距离？
5.如图16，在光滑绝缘水平面上，三个带电小球a、b和c分别位于边长为l的正三角形的三个顶点上；a、b带正电，电荷量均为q，c带负电．整个系统置于方向水平的匀强电场中．已知静电力常量为k.若三个小球均处于静止状态，则匀强电场场强的大小为（ ）
图16
A.
B.
C.
D.
6.如图17所示，水平面有方向向右的匀强电场，将质量相等的两个带异种电荷小球a、b（可视为点电荷），且电荷量大小分别为qa＝3q，qb＝q，由静止释放，二者之间距为r，位置关系如图，发现两个小球始终处于相对静止状态．则下列说法正确的是（ ）
图17
A．a一定带正电，且电场强度大小为E＝
B．a一定带负电，且电场强度大小为E＝
C．a一定带正电，且电场强度大小为E＝
D．a一定带负电，且电场强度大小为E＝
7．如图18所示，ABCD为竖直放在场强为E＝104V/m的水平匀强电场中的绝缘光滑轨道，其中轨道的BCD部分是半径为R的半圆环，轨道的水平部分与半圆环相切，A为水平轨道的一点，而且AB＝R＝0.2m．把一质量m＝100g、带电量q＝＋10－4C的小球，放在水平轨道的A点，由静止开始被释放后，在轨道的内侧运动．求：
（g＝10m/s2）
图18
（1）它到达C点时的速度是多大？
（2）它到达C点时对轨道的压力是多大？
一、整体法与隔离法
整体法是指对整个系统进行研究的方法，即从部分与整体的联系中揭示整个系统的运动规律，使部分与整体辩证地统一起来，从而解决问题的科学思维方法．当我们研究整体的运动规律，而不涉及系统内部之间的相互作用时，可采用整体法从而使问题得到简捷巧妙的解答．
所谓隔离法是指把所研究的对象（包括物体或物体的一部分），从系统中隔离开来，进行分析研究的方法．当我们要研究系统中的某个物体与其他物体（或物体中的某一部分与其他部分）的相互作用，寻求待求量与已知量的关系时，宜采用隔离法，将此物体（或物体中的某一部分）隔离出来，单独进行分析研究．
典例1
如图所示，甲、乙两带电小球的质量均为m，所带电荷量分别为＋q和－q，两球间用绝缘细线2连接，甲球用绝缘细线1悬挂在天花板上，在两球所在空间有沿水平方向向左的匀强电场，场强为E，且有qE＝mg，平衡时细线都被拉直．则平衡时的可能位置是哪个图（ ）
二、对称法
对称性普遍存在于各种物理现象和物理过程之中，用对称法构建模型，就是在物理问题具有对称性的特点或经过变换具有对称性的特点时，把实际的、复杂的物理现象和物理过程简单化，构建出新的模型，从而分析求解的方法．
典例2
（多选）如图19所示，A、B为两个等量的正点电荷，O为其连线的中点，MON为其连线的中垂线，在中垂线上靠近O点的O′点放一带电荷量为＋q的小球（可视为点电荷，不计重力），将此小球由静止释放，下列说法正确的是（ ）
图19
A．将小球由O′点从静止释放后，向无穷远处运动的过程中，加速度一定越来越大，速度也一定越来越大
B．将小球由O′点从静止释放后，向无穷远处运动的过程中，加速度先变大后变小，速度越来越大
C．从O′点到无穷远处，电势逐渐降低
D．从O′点到无穷远处，小球的电势能逐渐减小
题组1 库仑定律的理解及应用
1．保护知识产权，抵制盗版是我们每个公民的责任与义务．盗版书籍影响我们的学习效率，甚至给我们的学习带来隐患．小华有一次不小心购买了盗版的物理参考书，做练习时，他发现有一个关键数字看不清，拿来问老师，如果你是老师，你认为可能是下列数字中的（ ）
A．6.2×10－19CB．6.4×10－19C
C．6.6×10－19CD．6.8×10－19C
2.（多选）如图1所示，A、B为相互接触的用绝缘支架支撑的金属导体，起初它们不带电，在它们的下部贴有金属箔片，C是带正电的小球，下列说法正确的是（ ）
图1
A．把C移近导体A时，A、B上的金属箔片都张开
B．把C移近导体A，先把A、B分开，然后移去C，A、B上的金属箔片仍张开
C．先把C移走，再把A、B分开，A、B上的金属箔片仍张开
D．先把A、B分开，再把C移走，然后重新让A、B接触，A上的金属箔片张开，B上的金属箔片闭合
3．三个相同的金属小球1、2、3分别置于绝缘支架上，各球之间的距离远大于小球的直径．球1的带电荷量为q，球2的带电荷量为nq，球3不带电且离球1和球2很远，此时球1、2之间作用力的大小为F.现使球3先与球2接触，再与球1接触，然后将球3移至远处，此进1、2之间作用力的大小仍为F，方向不变．因此可知（ ）
A．n＝3B．n＝4
C．n＝5D．n＝6
4．真空中有两个完全相同的金属小球，A球带qA＝6.4×10－16C的正电荷，B球带qB＝－3.2×10－16C的负电荷，均可视为点电荷，求：
（1）当它们相距为0.5m时，A、B间的库仑力为多大？
（2）若将两球接触后再分别放回原处，A、B间的库仑力又为多大？
（以上结果均保留三位有效数字）
题组2 电场强度的理解及叠加
5．（多选）在电场中的某点A放一电荷量为＋q的试探电荷，它所受到的电场力大小为F，方向水平向右，则A点的场强大小EA＝
，方向水平向右．下列说法正确的是（ ）
A．在A点放置一个电荷量为－q的试探电荷，A点的场强方向变为水平向左
B．在A点放置一个电荷量为＋2q的试探电荷，则A点的场强变为2EA
C．在A点放置一个电荷量为－q的试探电荷，它所受的电场力方向水平向左
D．在A点放置一个电荷量＋2q的试探电荷，所受电场力为2F
6．带有等量异种电荷的一对平行金属板，如果两极板间距不是足够近或者两极板面积不是足够大，即使在两极板之间，它的电场线也不是彼此平行的直线，而是如图2所示的曲线，关于这种电场，下列说法正确的是（ ）
图2
A．这种电场的电场线虽然是曲线，但是电场线的分布却是左右对称的，很有规律性，它们之间的电场，除边缘部分外，可以看做匀强电场
B．电场内部A点的电场强度小于B点的电场强度
C．电场内部A点的电场强度等于B点的电场强度
D．若将一正电荷从电场中的A点由静止释放，它将沿着电场线方向运动到负极板
7.（多选）一绝缘细线Oa下端系一质量为m的带正电的小球a，在正下方有一光滑的绝缘水平细杆，一带负电的小球b穿过杆在其左侧较远处，小球a由于受到水平绝缘细线的拉力而静止，如图3所示，现保持悬线与竖直方向的夹角为θ，并在较远处由静止释放小球b，让其从远处沿杆向右移动到a点的正下方，在此过程中（ ）
图3
A．悬线Oa的拉力逐渐增大，水平细线的拉力逐渐减小
B．b球的加速度先增大后减小，速度始终增大
C．b球所受的库仑力一直增大
D．b球所受的库仑力先减小后增大
8．（多选）如图4所示，质量分别为mA和mB的两小球带有同种电荷，电荷量分别为qA和qB，用绝缘细线悬挂在天花板上．平衡时，两小球恰处于同一水平位置，细线与竖直方向间夹角分别为θ1与θ2（θ1＞θ2）．两小球突然失去各自所带电荷后开始摆动，最大速度分别为vA和vB，最大动能分别为EkA和EkB，则（ ）
图4
A．mA一定小于mBB．qA一定大于qB
C．vA一定大于vBD．EkA一定大于EkB
9．（多选）如图5所示，水平地面上固定一个光滑绝缘斜面，斜面与水平面的夹角为θ.一根轻质绝缘细线的一端固定在斜面顶端，另一端系有一个带电小球A，细线与斜面平行．小球A的质量为m、电量为q.小球A的右侧固定放置带等量同种电荷的小球B，两球心的高度相同、间距为d.静电力常量为k，重力加速度为g，两带电小球可视为点电荷．小球A静止在斜面上，则（ ）
图5
A．小球A与B之间库仑力的大小为
B．当
＝
时，细线上的拉力为0
C．当
＝
时，细线上的拉力为0
D．当
＝
时，斜面对小球A的支持力为0
10．如图6所示，质量为m的小球A穿在光滑绝缘细杆上，杆的倾角为α，小球A带正电，电荷量为q.在杆上B点处固定一个电荷量为Q的正电荷．将A由距B竖直高度为H处无初速度释放，小球A下滑过程中电荷量不变．不计A与细杆间的摩擦，整个装置处在真空中，已知静电力常量k和重力加速度g.求：
图6
（1）A球刚释放时的加速度是多大；
（2）当A球的动能最大时，A球与B点间的距离．
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