人教版高中物理必修三10.1 電勢(shì)能和電勢(shì)講義講義

第10章靜電場(chǎng)中的能量1電勢(shì)能和電勢(shì)[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1．知道靜電力做功的特點(diǎn)，掌握靜電力做功與電勢(shì)能變化的關(guān)系.2.理解電勢(shì)的定義、定義式、單位，能根據(jù)電場(chǎng)線判斷電勢(shì)高低．[基礎(chǔ)梳理]一、靜電力做功的特點(diǎn)1．靜電力做功：在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，靜電力做功W＝qElcosθ.其中θ為靜電力與位移方向之間的夾角．2．特點(diǎn)：在靜電場(chǎng)中移動(dòng)電荷時(shí)，靜電力所做的功與電荷的起始位置和終止位置有關(guān)，與電荷經(jīng)過(guò)的路徑無(wú)關(guān)．二、電勢(shì)能1．電勢(shì)能：電荷在電場(chǎng)中具有的勢(shì)能，用Ep表示．2．靜電力做功與電勢(shì)能變化的關(guān)系：靜電力做的功等于電勢(shì)能的減少量．表達(dá)式：WAB＝EpA－EpB.(1)靜電力做正功，電勢(shì)能減少；(2)靜電力做負(fù)功，電勢(shì)能增加．3．電勢(shì)能的大?。弘姾稍谀滁c(diǎn)(A點(diǎn))的電勢(shì)能，等于把它從這點(diǎn)移動(dòng)到零勢(shì)能位置時(shí)靜電力做的功EpA＝WA0.4．電勢(shì)能具有相對(duì)性電勢(shì)能零點(diǎn)的規(guī)定：通常把電荷在離場(chǎng)源電荷無(wú)限遠(yuǎn)處或把電荷在大地表面的電勢(shì)能規(guī)定為零．三、電勢(shì)1．定義：電荷在電場(chǎng)中某一點(diǎn)的電勢(shì)能與它的電荷量之比．2．公式：φ＝eq\f(Ep,q).3．單位：國(guó)際單位制中，電勢(shì)的單位是伏特，符號(hào)是V,1V＝1J/C.4．電勢(shì)高低的判斷：沿著電場(chǎng)線的方向電勢(shì)逐漸降低．5．電勢(shì)的相對(duì)性：只有規(guī)定了零電勢(shì)點(diǎn)才能確定某點(diǎn)的電勢(shì)，一般選大地或離場(chǎng)源電荷無(wú)限遠(yuǎn)處的電勢(shì)為0.6．電勢(shì)是標(biāo)量，只有大小，沒(méi)有方向，但有正、負(fù)之分，同一電場(chǎng)中電勢(shì)為正表示比零電勢(shì)高，電勢(shì)為負(fù)表示比零電勢(shì)低．[能力拓展]一、靜電力做功與電勢(shì)能1．靜電力做功的特點(diǎn)(1)靜電力做的功與電荷的起始位置和終止位置有關(guān)，但與具體路徑無(wú)關(guān)，這與重力做功特點(diǎn)相似．(2)無(wú)論是勻強(qiáng)電場(chǎng)還是非勻強(qiáng)電場(chǎng)，無(wú)論是直線運(yùn)動(dòng)還是曲線運(yùn)動(dòng)，靜電力做功均與路徑無(wú)關(guān)．2．電勢(shì)能(1)電勢(shì)能Ep是由電場(chǎng)和電荷共同決定的，是電荷和電場(chǎng)所共有的，我們習(xí)慣上說(shuō)成電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)能．(2)電勢(shì)能是相對(duì)的，其大小與選定的參考點(diǎn)有關(guān)．確定電荷的電勢(shì)能，首先應(yīng)確定參考點(diǎn)，也就是零勢(shì)能點(diǎn)的位置．(3)電勢(shì)能是標(biāo)量，有正負(fù)但沒(méi)有方向．在同一電場(chǎng)中，電勢(shì)能為正值表示電勢(shì)能大于零勢(shì)能點(diǎn)的電勢(shì)能，電勢(shì)能為負(fù)值表示電勢(shì)能小于零勢(shì)能點(diǎn)的電勢(shì)能．3．靜電力做功與電勢(shì)能變化的關(guān)系(1)WAB＝EpA－EpB.靜電力做正功，電勢(shì)能減少；靜電力做負(fù)功，電勢(shì)能增加．(2)在同一電場(chǎng)中，正電荷在電勢(shì)高的地方電勢(shì)能大，而負(fù)電荷在電勢(shì)高的地方電勢(shì)能?。㈦妱?shì)1．對(duì)公式φ＝eq\f(Ep,q)的理解(1)φ取決于電場(chǎng)本身；(2)公式中的Ep、q均需代入正負(fù)號(hào)．2．電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)是相對(duì)的，它的大小和零電勢(shì)點(diǎn)的選取有關(guān)．在物理學(xué)中，常取離場(chǎng)源電荷無(wú)限遠(yuǎn)處的電勢(shì)為零，在實(shí)際應(yīng)用中常取大地的電勢(shì)為零．3．電勢(shì)雖然有正負(fù)，但電勢(shì)是標(biāo)量．在同一電場(chǎng)中，電勢(shì)為正值表示該點(diǎn)電勢(shì)高于零電勢(shì)，電勢(shì)為負(fù)值表示該點(diǎn)電勢(shì)低于零電勢(shì)，正負(fù)號(hào)不表示方向．4．電勢(shì)高低的判斷方法(1)電場(chǎng)線法：沿電場(chǎng)線方向，電勢(shì)越來(lái)越低．(2)電勢(shì)能判斷法：由φ＝eq\f(Ep,q)知，對(duì)于正電荷，電勢(shì)能越大，所在位置的電勢(shì)越高；對(duì)于負(fù)電荷，電勢(shì)能越小，所在位置的電勢(shì)越高．[隨堂演練]1．如圖是某電場(chǎng)中一條直電場(chǎng)線，在電場(chǎng)線上有A、B兩點(diǎn)，將一個(gè)正電荷由A點(diǎn)以某一初速度vA釋放，它能沿直線運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，且到達(dá)B點(diǎn)時(shí)速度恰好為零。根據(jù)上述信息可知（）A．場(chǎng)強(qiáng)大小 B．場(chǎng)強(qiáng)大小C．電勢(shì)高低 D．電勢(shì)高低2．某靜電場(chǎng)中的電場(chǎng)線方向不確定，分布如圖所示，帶電粒子在電場(chǎng)中僅受靜電力作用，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖中虛線所示，由M運(yùn)動(dòng)到N，以下說(shuō)法正確的是（）A．粒子帶正電荷B．粒子在M點(diǎn)的電勢(shì)能大于它在N點(diǎn)的電勢(shì)能C．該靜電場(chǎng)是孤立正電荷產(chǎn)生的D．粒子在M點(diǎn)的電勢(shì)高于它在N點(diǎn)的電勢(shì)3．如圖所示，A、B、C、D為圓上的四個(gè)點(diǎn)，圓的半徑為R。其中AB與CD交于圓心O且相互垂直，E、F是關(guān)于O點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的兩點(diǎn)但到O點(diǎn)的距離大于圓的半徑，E、F兩點(diǎn)的連線與AB、CD都垂直。在A、B兩點(diǎn)放置電荷量均為Q的異種點(diǎn)電荷，靜電力常量為k。則下列說(shuō)法正確的是（）A．C點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為B．D、E兩點(diǎn)電勢(shì)相等C．將一正點(diǎn)電荷由C點(diǎn)沿CE連線移到E點(diǎn)，電場(chǎng)力一直做正功D．從A點(diǎn)沿折線AOE路徑電場(chǎng)強(qiáng)度先減小后增大4．如圖所示，在某孤立點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)中有A、B兩點(diǎn)，已知A、B兩點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)方向如圖所示，下列選項(xiàng)正確的是（）A．某檢驗(yàn)電荷在A點(diǎn)受的電場(chǎng)力等于在B點(diǎn)受的電場(chǎng)力B．某檢驗(yàn)電荷在A點(diǎn)受的電場(chǎng)力小于在B點(diǎn)受的電場(chǎng)力C．某檢驗(yàn)電荷在A點(diǎn)的電勢(shì)能一定大于在B點(diǎn)的電勢(shì)能D．某檢驗(yàn)電荷在A點(diǎn)的電勢(shì)能可能小于在B點(diǎn)的電勢(shì)能5．一帶負(fù)電粒子只在電場(chǎng)力作用下沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)，其電勢(shì)能Ep隨位移x的變化關(guān)系如圖所示，則粒子在從x1向x3運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，下列說(shuō)法中正確的是（）A．在x1處粒子速度最大 B．在x2處粒子加速度最大C．在x3處電勢(shì)最高 D．在x2處電勢(shì)為零6．如圖所示，圖中實(shí)線是一簇未標(biāo)明方向的電場(chǎng)線虛線是某帶電粒子通過(guò)該電場(chǎng)區(qū)城時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，a、b是軌跡運(yùn)動(dòng)方向相反的軌跡上的兩點(diǎn)。若帶電粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只受電場(chǎng)力作用，根據(jù)此圖可以判斷（）A．帶電粒子所帶電荷的電性 B．a(chǎn)、b兩點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度方向C．帶電粒子在a點(diǎn)的速度小于在b點(diǎn)的速度 D．帶電粒子在a、b兩點(diǎn)的受力方向7．2020年12月4日；中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置首次實(shí)現(xiàn)成功發(fā)電。這種利用強(qiáng)磁場(chǎng)約束氘、氚離子產(chǎn)生聚變的過(guò)程可以產(chǎn)生巨大的能量。假設(shè)在此過(guò)程中兩正離子相互靠近時(shí)，它們間的庫(kù)侖力逐漸___________；兩個(gè)粒子組成的系統(tǒng)電勢(shì)能逐漸___________。（選填“變小”、“變大”或“不變”）8．在“用DIS描繪電場(chǎng)的等勢(shì)線”的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)電源接上接線柱在導(dǎo)電物質(zhì)上產(chǎn)生的穩(wěn)定電流分布模擬________點(diǎn)電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)（選填“一個(gè)正”、“一個(gè)負(fù)”、“兩個(gè)等量同種”或“兩個(gè)等量異種”）①給出的器材中，探測(cè)等勢(shì)點(diǎn)的儀器應(yīng)選用___________（選填“電壓傳感器”或“電流傳感器”）；②如圖在A、B連線上取某點(diǎn)a，將一與傳感器正極相連的探針固定于a點(diǎn)，另一探針在紙上移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到某點(diǎn)時(shí)傳感器的讀數(shù)為負(fù)，則這點(diǎn)電勢(shì)___________（選填“高”、“低”或“等”）于a點(diǎn)。參考答案1．D【詳解】AB.根據(jù)題給條件無(wú)法判斷A、B兩點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的大小關(guān)系，故AB錯(cuò)誤；CD.由題意可知正電荷從A到B的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電場(chǎng)力對(duì)其做負(fù)功，所以電場(chǎng)強(qiáng)度方向?yàn)橛葿指向A，根據(jù)沿電場(chǎng)線方向電勢(shì)降低可知故C錯(cuò)誤，D正確。故選D。2．B【詳解】A．電場(chǎng)線方向不確定，雖然根據(jù)軌跡可以判斷受力方向，但是不能確定粒子的電性。故A錯(cuò)誤；B．根據(jù)粒子的軌跡彎曲情況，可判斷出電場(chǎng)力與速度夾角為銳角，電場(chǎng)力做正功，電勢(shì)能減小。即粒子在M點(diǎn)的電勢(shì)能大于它在N點(diǎn)的電勢(shì)能。故B正確；C．從圖中電場(chǎng)線的分布來(lái)看，不是孤立電荷產(chǎn)生的。故C錯(cuò)誤；D．粒子的電性不明，故無(wú)法判斷其電勢(shì)的高低。故D錯(cuò)誤。故選B。3．B【詳解】A．C點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為選項(xiàng)A錯(cuò)誤；B．D、E兩點(diǎn)在同一等勢(shì)面上，則電勢(shì)相等，選項(xiàng)B正確；C．因平面CFDE是等勢(shì)面，則將一正點(diǎn)電荷由C點(diǎn)沿CE連線移到E點(diǎn)，電場(chǎng)力不做功，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；D．從A到O場(chǎng)強(qiáng)減小，從O到E場(chǎng)強(qiáng)也減小，則從A點(diǎn)沿折線AOE路徑電場(chǎng)強(qiáng)度一直減小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。故選B。4．D【詳解】?jī)蓷l電場(chǎng)線延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)，即為點(diǎn)電荷Q的位置，根據(jù)電場(chǎng)線方向可知Q帶正電，設(shè)A、B兩點(diǎn)到Q的距離分別為rA和rB，由幾何知識(shí)得到：根據(jù)點(diǎn)電荷場(chǎng)強(qiáng)公式，可得A、B兩點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系為：EA＞EB，某檢驗(yàn)電荷在A點(diǎn)受的電場(chǎng)力大于在B點(diǎn)受的電場(chǎng)力，因?yàn)锽點(diǎn)距離正點(diǎn)電荷Q遠(yuǎn)，所以φB<φA，根據(jù)可知，某檢驗(yàn)電荷在A點(diǎn)的電勢(shì)能可能小于在B點(diǎn)的電勢(shì)能，與電荷的電性有關(guān)，故D正確ABC錯(cuò)誤。故選D。5．C【詳解】A．帶負(fù)電粒子只在電場(chǎng)力作用下運(yùn)動(dòng)，所以動(dòng)能與勢(shì)能之和是恒定的。則粒子在從x1向x3運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，在x3處的電勢(shì)能最小，所以速度最大。A錯(cuò)誤；B．根據(jù)電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能的關(guān)系從而解得即圖像中的斜率表示電場(chǎng)力大小，在x2處圖像的斜率為零，所以粒子加速度為零。B錯(cuò)誤；C．負(fù)電荷在電勢(shì)低的地方電勢(shì)能大，在電勢(shì)高的地方電勢(shì)能小，在x3處的電勢(shì)能最小，所以電勢(shì)最高，C正確；D．根據(jù)公式可知在x2處電勢(shì)不為零，D錯(cuò)誤。故選C。6．D【詳解】ABD．曲線運(yùn)動(dòng)的物體，受力的方向總是指向凹側(cè)，因此粒子受電場(chǎng)力沿電場(chǎng)線向左，由于沒(méi)有標(biāo)明電場(chǎng)線方向，因此無(wú)法判定帶電粒子所帶電荷的電性，同樣也無(wú)法判定電場(chǎng)強(qiáng)度的方向，AB錯(cuò)誤，D正確；C．帶電粒子從a向b運(yùn)動(dòng)，電場(chǎng)力做負(fù)功，動(dòng)能減小，因此粒子在a點(diǎn)的速度大于在b點(diǎn)的速度，C錯(cuò)誤。故選D。7．變大變大【詳解】[1]根據(jù)庫(kù)侖定律可知，兩正離子相互靠近時(shí)，它們間距離越來(lái)越小，則它們間的庫(kù)侖力逐漸變大。[2]兩正離子相互靠近時(shí)，它們間的庫(kù)侖力做負(fù)功，根據(jù)功能關(guān)系可得，兩個(gè)粒子組成的系統(tǒng)電勢(shì)能逐漸變大。8．兩個(gè)等量異種電壓傳感器