易錯(cuò)點(diǎn)18-電容器-帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(原卷版)

易錯(cuò)點(diǎn)18電容器帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)例題1.（2022·重慶·高考真題）如圖為某同學(xué)采用平行板電容器測(cè)量材料豎直方向尺度隨溫度變化的裝置示意圖，電容器上極板固定，下極板可隨材料尺度的變化上下移動(dòng)，兩極板間電壓不變。若材料溫度降低時(shí)，極板上所帶電荷量變少，則（）A．材料豎直方向尺度減小 B．極板間電場(chǎng)強(qiáng)度不變C．極板間電場(chǎng)強(qiáng)度變大 D．電容器電容變大例題2.（多選）（2022·全國(guó)·高考真題）地面上方某區(qū)域存在方向水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)，將一帶正電荷的小球自電場(chǎng)中Р點(diǎn)水平向左射出。小球所受的重力和電場(chǎng)力的大小相等，重力勢(shì)能和電勢(shì)能的零點(diǎn)均取在Р點(diǎn)。則射出后，（）A．小球的動(dòng)能最小時(shí)，其電勢(shì)能最大B．小球的動(dòng)能等于初始動(dòng)能時(shí)，其電勢(shì)能最大C．小球速度的水平分量和豎直分量大小相等時(shí)，其動(dòng)能最大D．從射出時(shí)刻到小球速度的水平分量為零時(shí)，重力做的功等于小球電勢(shì)能的增加量一、平行板電容器動(dòng)態(tài)問(wèn)題的分析方法抓住不變量，分析變化量，緊抓三個(gè)公式：C＝eq\f(Q,U)、E＝eq\f(U,d)和C＝eq\f(εrS,4πkd)二、平行板電容器的兩類典型問(wèn)題(1)開(kāi)關(guān)S保持閉合，兩極板間的電勢(shì)差U恒定，Q＝CU＝eq\f(εrSU,4πkd)∝eq\f(εrS,d)，E＝eq\f(U,d)∝eq\f(1,d).(2)充電后斷開(kāi)S，電荷量Q恒定，U＝eq\f(Q,C)＝eq\f(4πkdQ,εrS)∝eq\f(d,εrS)，E＝eq\f(U,d)＝eq\f(4πkQ,εrS)∝eq\f(1,εrS).三、帶電粒子在電場(chǎng)中的加速分析帶電粒子的加速問(wèn)題有兩種思路：1．利用牛頓第二定律結(jié)合勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式分析．適用于電場(chǎng)是勻強(qiáng)電場(chǎng)且涉及運(yùn)動(dòng)時(shí)間等描述運(yùn)動(dòng)過(guò)程的物理量，公式有qE＝ma，v＝v0＋at等．2．利用靜電力做功結(jié)合動(dòng)能定理分析．適用于問(wèn)題涉及位移、速率等動(dòng)能定理公式中的物理量或非勻強(qiáng)電場(chǎng)情景時(shí)，公式有qEd＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(02)(勻強(qiáng)電場(chǎng))或qU＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(02)(任何電場(chǎng))等．四、帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)1．運(yùn)動(dòng)分析及規(guī)律應(yīng)用粒子在板間做類平拋運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)分解的知識(shí)進(jìn)行分析處理．(1)在v0方向：做勻速直線運(yùn)動(dòng)；(2)在電場(chǎng)力方向：做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)．2．過(guò)程分析如圖所示，設(shè)粒子不與平行板相撞初速度方向：粒子通過(guò)電場(chǎng)的時(shí)間t＝eq\f(l,v0)電場(chǎng)力方向：加速度a＝eq\f(qE,m)＝eq\f(qU,md)離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)垂直于板方向的分速度vy＝at＝eq\f(qUl,mdv0)速度與初速度方向夾角的正切值tanθ＝eq\f(vy,v0)＝eq\f(qUl,mdv\o\al(02))離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)沿電場(chǎng)力方向的偏移量y＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(qUl2,2mdv\o\al(02)).3．兩個(gè)重要推論(1)粒子從偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中射出時(shí)，其速度方向的反向延長(zhǎng)線與初速度方向的延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)，此點(diǎn)為粒子沿初速度方向位移的中點(diǎn)．(2)位移方向與初速度方向間夾角α的正切值為速度偏轉(zhuǎn)角θ正切值的eq\f(1,2)，即tanα＝eq\f(1,2)tanθ.4．分析粒子的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題也可以利用動(dòng)能定理，即qEy＝ΔEk，其中y為粒子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中沿電場(chǎng)力方向的偏移量．易混點(diǎn)：1．電容器的充電過(guò)程，電源提供的能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場(chǎng)能；電容器的放電過(guò)程，電容器的電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能．2．電容器的充、放電過(guò)程中，電路中有充電、放電電流，電路穩(wěn)定時(shí)，電路中沒(méi)有電流．3．C＝eq\f(Q,U)是電容的定義式，由此也可得出：C＝eq\f(ΔQ,ΔU).4．電容器的電容決定于電容器本身，與電容器的電荷量Q以及電勢(shì)差U均無(wú)關(guān)．5．C＝eq\f(Q,U)與C＝eq\f(εrS,4πkd)的比較(1)C＝eq\f(Q,U)是電容的定義式，對(duì)某一電容器來(lái)說(shuō)，Q∝U但C＝eq\f(Q,U)不變，反映電容器容納電荷本領(lǐng)的大??；(2)C＝eq\f(εrS,4πkd)是平行板電容器電容的決定式，C∝εr，C∝S，C∝eq\f(1,d)，反映了影響電容大小的因素．6．電容器串聯(lián)二極管的問(wèn)題，注意如果正向充電時(shí)，電壓不變，電容減小，電荷量無(wú)法減小。7.電容器兩極板電荷量不變時(shí)，只改變極板間的距離時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度不變。8.不同的帶電粒子從靜止開(kāi)始經(jīng)過(guò)同一電場(chǎng)加速后再?gòu)耐黄D(zhuǎn)電場(chǎng)射出時(shí)，偏移量和偏轉(zhuǎn)角總是相同的．9.粒子經(jīng)電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后射出，速度的反向延長(zhǎng)線與初速度延長(zhǎng)線的交點(diǎn)O為粒子水平位移的中點(diǎn)，即O到偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)邊緣的距離為偏轉(zhuǎn)極板長(zhǎng)度的一半．10.當(dāng)討論帶電粒子的末速度v時(shí)也可以從能量的角度進(jìn)行求解：qUy＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mv02，其中Uy＝eq\f(U,d)y，指初、末位置間的電勢(shì)差．11.物體僅在重力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是最常見(jiàn)、最基本的運(yùn)動(dòng)，但是對(duì)于處在勻強(qiáng)電場(chǎng)和重力場(chǎng)中物體的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題就會(huì)變得復(fù)雜一些．此時(shí)可以將重力場(chǎng)與電場(chǎng)合二為一，用一個(gè)全新的“復(fù)合場(chǎng)”來(lái)代替，可形象稱之為“等效重力場(chǎng)”．12.若帶電粒子只在靜電力作用下運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能和電勢(shì)能之和保持不變．13.若帶電粒子只在重力和靜電力作用下運(yùn)動(dòng)，其機(jī)械能和電勢(shì)能之和保持不變．1.（2022·北京·高考真題）利用如圖所示電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象，其中E為電源，R為定值電阻，C為電容器，A為電流表，V為電壓表。下列說(shuō)法正確的是（）A．充電過(guò)程中，電流表的示數(shù)逐漸增大后趨于穩(wěn)定B．充電過(guò)程中，電壓表的示數(shù)迅速增大后趨于穩(wěn)定C．放電過(guò)程中，電流表的示數(shù)均勻減小至零D．放電過(guò)程中，電壓表的示數(shù)均勻減小至零2.（2022·浙江·高考真題）如圖所示，帶等量異種電荷的兩正對(duì)平行金屬板M、N間存在勻強(qiáng)電場(chǎng)，板長(zhǎng)為L(zhǎng)（不考慮邊界效應(yīng)）。t=0時(shí)刻，M板中點(diǎn)處的粒子源發(fā)射兩個(gè)速度大小為v0的相同粒子，垂直M板向右的粒子，到達(dá)N板時(shí)速度大小為；平行M板向下的粒子，剛好從N板下端射出。不計(jì)重力和粒子間的相互作用，則（）A．M板電勢(shì)高于N板電勢(shì)B．兩個(gè)粒子的電勢(shì)能都增加C．粒子在兩板間的加速度D．粒子從N板下端射出的時(shí)間3.（多選）（2021·全國(guó)·高考真題）四個(gè)帶電粒子的電荷量和質(zhì)量分別、、、它們先后以相同的速度從坐標(biāo)原點(diǎn)沿x軸正方向射入一勻強(qiáng)電場(chǎng)中，電場(chǎng)方向與y軸平行，不計(jì)重力，下列描繪這四個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的圖像中，可能正確的是（）A． B．C． D．1.（2022·湖北·高考真題）密立根油滴實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，兩塊水平放置的金屬板分別與電源的正負(fù)極相接，板間產(chǎn)生勻強(qiáng)電場(chǎng)。用一個(gè)噴霧器把密度相同的許多油滴從上板中間的小孔噴入電場(chǎng)，油滴從噴口噴出時(shí)由于摩擦而帶電。金屬板間電勢(shì)差為U時(shí)，電荷量為q、半徑為r的球狀油滴在板間保持靜止。若僅將金屬板間電勢(shì)差調(diào)整為2U，則在板間能保持靜止的球狀油滴所帶電荷量和半徑可以為（）A．q，r B．2q，r C．2q，2r D．4q，2r2.（2021·重慶·高考真題）電容式加速傳感器常用于觸發(fā)汽車(chē)安全氣囊，簡(jiǎn)化圖如圖所示，極板M、N組成的電容器為平行板電容器，M固定，N可左右移動(dòng)，通過(guò)測(cè)量電容器極板間的電壓的變化來(lái)確定汽車(chē)的加速度。當(dāng)汽車(chē)遇緊急情況剎車(chē)時(shí)，極板M、N間的距離減小，若極板上的電荷量不變，則電容器（

）A．電容變小 B．極板間的電壓變大C．極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度變小 D．極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度不變3.（2022·浙江·模擬預(yù)測(cè)）據(jù)報(bào)道，我國(guó)每年心源性猝死案例高達(dá)55萬(wàn)，而心臟驟停最有效的搶救方式是盡早通過(guò)AED自動(dòng)除顫?rùn)C(jī)給予及時(shí)治療。某型號(hào)AED模擬治療儀器的電容器電容是15μF，充電至9kV電壓，如果電容器在2ms時(shí)間內(nèi)完成放電，則下列說(shuō)法正確的是（

）A．電容器放電過(guò)程的平均電流強(qiáng)度為67.5AB．電容器的擊穿電壓為9kVC．電容器充電后的電量為135CD．電容器充滿電的電容是15μF，當(dāng)放電完成后，電容為04.（2022·北京·清華附中模擬預(yù)測(cè)）如圖所示，一平行板電容器充電后與電源斷開(kāi)，負(fù)極板接地，兩板間的P點(diǎn)固定一個(gè)帶正電的檢驗(yàn)電荷。用C表示電容器的電容，E表示兩板間的電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，φ表示P點(diǎn)的電勢(shì)，W表示正電荷在P點(diǎn)的電勢(shì)能。若正極板保持不動(dòng)，將負(fù)極板緩慢向左平移一小段距離，上述各物理量與負(fù)極板移動(dòng)距離x的關(guān)系圖像中正確的是（）A． B．C． D．5．（2020·浙江·高考真題）如圖所示，一質(zhì)量為m、電荷量為（）的粒子以速度從連線上的P點(diǎn)水平向右射入大小為E、方向豎直向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)中。已知與水平方向成45°角，粒子的重力可以忽略，則粒子到達(dá)連線上的某點(diǎn)時(shí)（）A．所用時(shí)間為B．速度大小為C．與P點(diǎn)的距離為D．速度方向與豎直方向的夾角為30°6．（2020·浙江·高考真題）如圖所示，電子以某一初速度沿兩塊平行板的中線方向射入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中，已知極板長(zhǎng)度l，間距d，電子質(zhì)量m，電荷量e。若電子恰好從極板邊緣射出電場(chǎng)，由以上條件可以求出的是（

）A．偏轉(zhuǎn)電壓 B．偏轉(zhuǎn)的角度 C．射出電場(chǎng)速度 D．電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間7．（2022·湖北·模擬預(yù)測(cè)）如圖，在真空中一條豎直方向的電場(chǎng)線上有兩點(diǎn)M和N。一帶正電的小球在M點(diǎn)由靜止釋放后沿電場(chǎng)線向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)N點(diǎn)時(shí)速度恰好為零。則（）A．N點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度方向向下 B．M點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大于N點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度C．小球在N點(diǎn)所受到的合力一定為零 D．小球在M點(diǎn)的電勢(shì)能小于在N點(diǎn)的電勢(shì)能8．（多選）（2022·遼寧·二模）如圖甲所示，在空間中建立xOy坐標(biāo)系，α射線管由平行金屬板A、B和平行于金屬板的細(xì)管C組成，放置在第II象限，細(xì)管C到兩金屬板距離相等，細(xì)管C開(kāi)口在y軸上。放射源P在A板左端，可以沿特定方向發(fā)射某一初速度的α粒子。若金屬板長(zhǎng)為L(zhǎng)、間距為d，當(dāng)A、B板間加上某一電壓時(shí)，α粒子剛好能以速度從細(xì)管C水平射出，進(jìn)入位于第I象限的靜電分析器中。靜電分析器中存在著輻向電場(chǎng)，α粒子在該電場(chǎng)中恰好做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，該電場(chǎng)的電場(chǎng)線沿半徑方向指向圓心O，α粒子運(yùn)動(dòng)軌跡處的場(chǎng)強(qiáng)大小為。時(shí)刻α粒子垂直x軸進(jìn)入第IV象限的交變電場(chǎng)中，交變電場(chǎng)隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖乙所示，規(guī)定沿x軸正方向?yàn)殡妶?chǎng)的正方向。已知α粒子的電荷量為2e（e為元電荷）、質(zhì)量為m，重力不計(jì)。以下說(shuō)法中正確的是（）A．α粒子從放射源P運(yùn)動(dòng)到C的過(guò)程中動(dòng)能的變化量為B．α粒子從放射源P發(fā)射時(shí)的速度大小為C．α粒子在靜電分析器中運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑為D．當(dāng)時(shí)，α粒子的坐標(biāo)為9．（多選）（2022·陜西·西安中學(xué)模擬預(yù)測(cè)）如圖甲所示，長(zhǎng)為8d、間距為d的平行金屬板水平放置，O點(diǎn)有一粒子源，能持續(xù)水平向右發(fā)射初速度為v0、電荷量為q（）、質(zhì)量為m的粒子，在兩板間存在如圖乙所示的交變電場(chǎng)，取豎直向下為正方向，不計(jì)粒子重力，以下判斷正確的是（）A．粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最短時(shí)間為B．射出粒子的最大動(dòng)能為C．時(shí)刻進(jìn)入的粒子，從O′點(diǎn)射出D．時(shí)刻進(jìn)入的粒子，從O′點(diǎn)射出10．（多選）（2022·天津·模擬預(yù)測(cè)）如圖甲所示，真空中水平放置兩塊長(zhǎng)度為2d的平行金屬板P、Q，兩板間距為d，兩板間加上如圖乙所示最大值為U0的周期性變化的電壓，在兩板左側(cè)緊靠P板處有一粒子源A，自t=0時(shí)刻開(kāi)始連續(xù)釋放初速度大小為v0，方向平行于金屬板的相同帶電粒子，t=0時(shí)刻釋放的粒子恰好從Q板右側(cè)邊緣離開(kāi)電場(chǎng)，已知電場(chǎng)變化周期，粒子質(zhì)量為m，不計(jì)粒子重力及相互間的作用力，則（）A．在t=0時(shí)刻進(jìn)入的粒子離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)速度大小仍為v0B．粒子的電荷量為C．在時(shí)刻進(jìn)入的粒子離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)電勢(shì)能減少了D．在時(shí)刻進(jìn)入的粒子剛好從P板右側(cè)邊緣離開(kāi)電場(chǎng)11．（多選）（2021·湖南·高考真題）如圖，圓心為的圓處于勻強(qiáng)電場(chǎng)中，電場(chǎng)方向與圓平面平行，和為該圓直徑。將電荷量為的粒子從點(diǎn)移動(dòng)到點(diǎn)，電場(chǎng)力做功為；若將該粒子從點(diǎn)移動(dòng)到點(diǎn)，電場(chǎng)力做功為。下列說(shuō)法正確的是（）A．該勻強(qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)方向與平行B．將該粒子從點(diǎn)移動(dòng)到點(diǎn)，電場(chǎng)力做功為C．點(diǎn)電勢(shì)低于點(diǎn)電勢(shì)D．若只受電場(chǎng)力，從點(diǎn)射入圓形電場(chǎng)區(qū)域的所有帶電粒子都做曲線運(yùn)動(dòng)12．（多選）（2022·寧夏·銀川一中模擬預(yù)測(cè)）某空間區(qū)域有豎直方向的電場(chǎng)（圖中只畫(huà)出了一條電場(chǎng)線），一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電的小球，在電場(chǎng)中從A點(diǎn)由靜止開(kāi)始沿電場(chǎng)線豎直向下運(yùn)動(dòng)，不計(jì)一切阻力，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中小球的機(jī)械能E與小球位移x的關(guān)系圖像如圖所示，由此可以判斷（）A．沿小球運(yùn)動(dòng)方向的電場(chǎng)強(qiáng)度不斷減小，一直減小為零B．小球所處的電場(chǎng)為勻強(qiáng)電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)方向向下C．小球可能先做加速運(yùn)動(dòng)，后做勻速運(yùn)動(dòng)D．小球一定做加速運(yùn)動(dòng)，且加速度不斷增大，最后不變13．（2022·北京·高考真題）如圖所示，真空中平行金屬板M、N之間距離為d，兩板所加的電壓為U。一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電粒子從M板由靜止釋放。不計(jì)帶電粒子的重力。（1）求帶電粒子所受的靜電力的大小F；（2）求帶電粒子到達(dá)N板時(shí)的速度大小v；（3）若在帶電粒子運(yùn)動(dòng)距離時(shí)撤去所加電壓，求該粒子從M板運(yùn)動(dòng)到N板經(jīng)歷的時(shí)間t。14．（2022·江蘇·高考真題）某裝置用電場(chǎng)控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)，工作原理如圖所示，矩形區(qū)域內(nèi)存在多層緊鄰的勻強(qiáng)電場(chǎng)，每層的高度均為d，電場(chǎng)強(qiáng)度大小均為E，方向沿豎直方向交替變化，邊長(zhǎng)為，邊長(zhǎng)為，質(zhì)量為m、電荷量為的粒子流從裝置左端中點(diǎn)射入電場(chǎng)，粒子初動(dòng)能為，入射角為，在紙面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，不計(jì)重力及粒子間的相互作用力。（1）當(dāng)時(shí)，若粒子能從邊射出，求該粒子通過(guò)電場(chǎng)的時(shí)間t；（2）當(dāng)時(shí)，若粒子從邊射出電場(chǎng)時(shí)與軸線的距離小于d，求入射角的范圍；（3）當(dāng)，粒子在為范圍內(nèi)均勻射入電場(chǎng)，求從邊出射的粒子與入射粒子的數(shù)量之比。15．（2022·廣東·高考真題）密立根通過(guò)觀測(cè)油滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律證明了電荷的量子性，因此獲得了1923年的諾貝爾獎(jiǎng)。圖是密立根油滴實(shí)驗(yàn)的原理示意圖，兩個(gè)水平放置、相距為d的足夠大金屬極板，上極板中央有一小孔。通過(guò)小孔噴入一些小油滴，由于碰撞或摩擦，部分油滴帶上了電荷。有兩個(gè)質(zhì)量均為、位于同一豎直線上的球形小油滴A和B，在時(shí)間t內(nèi)都勻速下落了距離。此時(shí)給兩極板加上電壓U（上極板接正極），A繼續(xù)以原速度下落，B經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后向上勻速運(yùn)動(dòng)。B在勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間t內(nèi)上升了距離，隨后與A合并，形成一個(gè)球形新油滴，繼續(xù)在兩極板間運(yùn)動(dòng)直至勻速。已知球形油滴受到的空氣阻力大小為，其中k為比例系數(shù)，m為油滴質(zhì)量，v為油滴運(yùn)動(dòng)速率，不計(jì)空氣浮力，重力加速度為g。求：（1）比例系數(shù)k；（2）油滴A、B的帶電量和電性；B上升距離電勢(shì)能的變化量；（3）新油滴勻速運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向。16．（2020·全國(guó)·高考真題）在一柱形區(qū)域內(nèi)有勻強(qiáng)電場(chǎng)，柱的橫截面積是以O(shè)為圓心，半徑為R的圓，AB為圓的直徑，如圖所示。質(zhì)量為m，電荷量為q（q>0）的帶電粒子在紙面內(nèi)自A點(diǎn)先后以不同的速度進(jìn)入電場(chǎng)，速度方向與電場(chǎng)的方向垂直。已知?jiǎng)傔M(jìn)入電場(chǎng)時(shí)速度為零的粒子，自圓周上的C點(diǎn)以速率v0穿出電場(chǎng)，AC與AB的夾角θ=60°。運(yùn)動(dòng)中粒子僅受電場(chǎng)力作用。（1）求電場(chǎng)強(qiáng)度的大??；（2）為使粒子穿過(guò)電場(chǎng)后的動(dòng)能增量最大，該粒子進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度應(yīng)為多大？（3）為使粒子穿過(guò)電場(chǎng)前后動(dòng)量變化量的大小為mv0，該粒子進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度應(yīng)為多大？17．（2022·山東·