
1.電場(chǎng)的基本性質(zhì)
(1)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的三個(gè)公式的理解
①E= eq \f(F,q)是電場(chǎng)強(qiáng)度的定義式,適用于任何電場(chǎng)。電場(chǎng)中某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是確定的,其大小和方向與試探電荷q無關(guān)。
②E=k eq \f(Q,r2)是真空中點(diǎn)電荷所形成的電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)的決定式,只適用于點(diǎn)電荷的電場(chǎng)。某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E由場(chǎng)源電荷Q和該點(diǎn)到場(chǎng)源電荷的距離r決定。
③E= eq \f(U,d)是場(chǎng)強(qiáng)與電勢(shì)差的關(guān)系式,只適用于勻強(qiáng)電場(chǎng)。注意:式中d為兩點(diǎn)間沿電場(chǎng)方向的距離。
(2)電場(chǎng)能的性質(zhì)
①電勢(shì)與電勢(shì)能:φ= eq \f(Ep,q)。
②電勢(shì)差與電場(chǎng)力做功:UAB= eq \f(WAB,q)=φA-φB。
③電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能的變化:W=-ΔEp。
(3)等勢(shì)面與電場(chǎng)線的關(guān)系
①電場(chǎng)線總是與等勢(shì)面垂直,且從電勢(shì)高的等勢(shì)面指向電勢(shì)低的等勢(shì)面。
②電場(chǎng)線越密的地方,等差等勢(shì)面也越密。
③沿等勢(shì)面移動(dòng)電荷,電場(chǎng)力不做功;沿電場(chǎng)線移動(dòng)電荷,電場(chǎng)力一定做功。
2.平行板電容器問題的三個(gè)公式、兩種情形
(1)三個(gè)公式:①C= eq \f(εrS,4πkd);②C= eq \f(Q,U);③E= eq \f(U,d)。
(2)兩種情形:與直流電源相連時(shí),兩極板間電壓不變;充電后斷開電源時(shí),兩極板所帶電荷量不變。
3.帶電粒子在電場(chǎng)中常見的運(yùn)動(dòng)類型
(1)直線運(yùn)動(dòng):通常利用動(dòng)能定理qU= eq \f(1,2)mv2- eq \f(1,2)mv eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(0))來求解;對(duì)于勻強(qiáng)電場(chǎng),電場(chǎng)力做功也可以用W=qEd來求解。
(2)偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng):一般研究帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問題。對(duì)于類平拋運(yùn)動(dòng)可直接利用類平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律以及推論;較復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)常用運(yùn)動(dòng)的合成與分解的方法來處理。
4.磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用
(1)通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的安培力
①方向:根據(jù)左手定則判斷。
②大?。篎=BIL。
a.B、I與F三者兩兩垂直;
b.L是有效長(zhǎng)度,即垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的長(zhǎng)度。
(2)熟悉“兩個(gè)等效模型”
①變曲為直:如圖甲所示通電導(dǎo)線,在計(jì)算安培力的大小和判斷方向時(shí)均可等效為ac直線電流。
②化電為磁:環(huán)形電流可等效為小磁針,通電螺線管可等效為條形磁體,如圖乙所示。
5.磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的作用
(1)帶電粒子在磁場(chǎng)中的受力情況
①磁場(chǎng)只對(duì)運(yùn)動(dòng)的電荷有力的作用,對(duì)靜止的電荷無力的作用。磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力叫洛倫茲力。
②洛倫茲力的大小和方向:其大小為F=qvB sin θ,注意:θ為v與B的夾角。F的方向由左手定則判定,四指的指向應(yīng)為正電荷運(yùn)動(dòng)的方向或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向。
(2)洛倫茲力做功的特點(diǎn)
由于洛倫茲力始終和速度方向垂直,所以洛倫茲力不做功。
6.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中常見的運(yùn)動(dòng)類型
(1)勻速直線運(yùn)動(dòng):當(dāng)v∥B時(shí),帶電粒子以速度v做勻速直線運(yùn)動(dòng)。
(2)勻速圓周運(yùn)動(dòng):當(dāng)v⊥B時(shí),帶電粒子在垂直于磁感線的平面內(nèi)以入射速度大小做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
【高考考向1 電場(chǎng)的基本性質(zhì)】
命題角度1 電場(chǎng)的疊加
例1:(2022·江蘇揚(yáng)州·模擬預(yù)測(cè))某同學(xué)認(rèn)為在兩個(gè)帶電導(dǎo)體之間可以存在如圖所示的靜電場(chǎng),它的電場(chǎng)線相互平行,間距不等。關(guān)于此“靜電場(chǎng)”,下列說法正確的是( )。
A.一定存在,且是勻強(qiáng)電場(chǎng)
B.一定存在,將兩個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)疊加可實(shí)現(xiàn)
C.一定不存在,因?yàn)榈葎?shì)面上各處場(chǎng)強(qiáng)必須大小相等
D.一定不存在,因?yàn)樵诖遂o電場(chǎng)中將試探電荷沿不同路徑從a點(diǎn)移動(dòng)b點(diǎn),電場(chǎng)力做功不同
【答案】D
【詳解】A.電場(chǎng)線相互平行,說明電場(chǎng)中各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)方向相等,而電場(chǎng)線間距不等說明電場(chǎng)中各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小不是處處相等,不是勻強(qiáng)電場(chǎng),故A錯(cuò)誤;
B.將兩個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)疊加,獲得的電場(chǎng)仍為勻強(qiáng)電場(chǎng),故B錯(cuò)誤;
C.如果存在這樣的電場(chǎng),根據(jù)等勢(shì)面的特點(diǎn),它的等勢(shì)面ac、bd應(yīng)該如圖甲所示,
a、d兩點(diǎn)的電勢(shì)差Uad應(yīng)該等于c、b兩點(diǎn)的電勢(shì)差Ucb,即
Uad=Ucb
從圖中可以看出,a、d兩點(diǎn)的距離等于c、b兩點(diǎn)的距離,ad處的場(chǎng)強(qiáng)大于cb處的場(chǎng)強(qiáng)。根據(jù)
U=Ed
可得
Uad>Ucb
所以這樣的電場(chǎng)不可能存在,但等勢(shì)面上各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)不一定大小相等,故C錯(cuò)誤;
D.如圖乙所示
粒子沿兩個(gè)不同的路徑,從 SKIPIF 1 < 0 和從 SKIPIF 1 < 0 ,電場(chǎng)力做功不相同,即電場(chǎng)力做功與路徑有關(guān),違背了靜電場(chǎng)的基本性質(zhì),所以這樣的電場(chǎng)不可能存在,故D正確。
故選D。
1.電場(chǎng)的疊加
(1)電場(chǎng)強(qiáng)度是矢量,電場(chǎng)中某點(diǎn)的合場(chǎng)強(qiáng)為各個(gè)場(chǎng)源電荷在該點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和。
(2)電勢(shì)是標(biāo)量,電場(chǎng)中某點(diǎn)的總電勢(shì)為各個(gè)場(chǎng)源電荷在該點(diǎn)電勢(shì)的代數(shù)和。
2.對(duì)稱法求電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)
1. (2022·全國·高考真題)安裝適當(dāng)?shù)能浖螅弥悄苁謾C(jī)中的磁傳感器可以測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B。如圖,在手機(jī)上建立直角坐標(biāo)系,手機(jī)顯示屏所在平面為xOy面。某同學(xué)在某地對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行了四次測(cè)量,每次測(cè)量時(shí)y軸指向不同方向而z軸正向保持豎直向上。根據(jù)表中測(cè)量結(jié)果可推知( )
A.測(cè)量地點(diǎn)位于南半球
B.當(dāng)?shù)氐牡卮艌?chǎng)大小約為50μT
C.第2次測(cè)量時(shí)y軸正向指向南方
D.第3次測(cè)量時(shí)y軸正向指向東方
【答案】BC
【詳解】A.如圖所示
地球可視為一個(gè)磁偶極,磁南極大致指向地理北極附近,磁北極大致指向地理南極附近。通過這兩個(gè)磁極的假想直線(磁軸)與地球的自轉(zhuǎn)軸大約成11.3度的傾斜。由表中z軸數(shù)據(jù)可看出z軸的磁場(chǎng)豎直向下,則測(cè)量地點(diǎn)應(yīng)位于北半球,A錯(cuò)誤;
B.磁感應(yīng)強(qiáng)度為矢量,故由表格可看出此處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大致為
SKIPIF 1 < 0
計(jì)算得
B ≈ 50μT
B正確;
CD.由選項(xiàng)A可知測(cè)量地在北半球,而北半球地磁場(chǎng)指向北方斜向下,則第2次測(cè)量,測(cè)量 SKIPIF 1 < 0 ,故y軸指向南方,第3次測(cè)量 SKIPIF 1 < 0 ,故x軸指向北方而y軸則指向西方,C正確、D錯(cuò)誤。
故選BC。
命題角度2 根據(jù)電場(chǎng)中的“點(diǎn)、線、面、跡”判斷相關(guān)物理量的變化
例2:(2022·四川省資中縣球溪高級(jí)中學(xué)模擬預(yù)測(cè))避雷針是用來保護(hù)建筑物、高大樹木等避免雷擊的裝置。當(dāng)雷云放電接近地面時(shí)它使地面電場(chǎng)發(fā)生畸變,在避雷針的頂端形成局部電場(chǎng)集中的空間。圖示為某次避雷針周圍的等勢(shì)面分布情況,電場(chǎng)中有M、N、P三點(diǎn)。下列說法正確的是( )
A.P點(diǎn)的電勢(shì)比N點(diǎn)的高
B.避雷針附近的電場(chǎng)是勻強(qiáng)電場(chǎng)
C.正電荷從M點(diǎn)移動(dòng)到N點(diǎn),電場(chǎng)力做正功
D.電子在P點(diǎn)的電勢(shì)能大于其在M點(diǎn)的電勢(shì)能
【答案】D
【詳解】A.由圖中虛線為等勢(shì)面知P點(diǎn)的電勢(shì)為6kV,N點(diǎn)的電勢(shì)為8kV,則N點(diǎn)電勢(shì)高,A錯(cuò)誤;
B.勻強(qiáng)電場(chǎng)的等勢(shì)線應(yīng)是一簇等間距的平行線,由圖可知避雷針附近的電場(chǎng)顯然不是勻強(qiáng)電場(chǎng),B錯(cuò)誤;
C.M、N兩點(diǎn)在同一等勢(shì)面上,電勢(shì)相等,正電荷從M點(diǎn)移動(dòng)到N點(diǎn),電場(chǎng)力做功為零,C錯(cuò)誤;
D.由 SKIPIF 1 < 0 ,電子在P點(diǎn)的電勢(shì)能為
SKIPIF 1 < 0
電子在M點(diǎn)的電勢(shì)能為
SKIPIF 1 < 0
故
SKIPIF 1 < 0
即電子在P點(diǎn)的電勢(shì)能大于其在M點(diǎn)的電勢(shì)能,D正確。
故選D。
根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡判斷帶電粒子在電場(chǎng)中相關(guān)物理量的變化
(1)確定受力方向的依據(jù)
①曲線運(yùn)動(dòng)的受力特征:帶電粒子受力總指向曲線的凹側(cè);
②電場(chǎng)力方向與場(chǎng)強(qiáng)方向的關(guān)系:正電荷的受力方向與場(chǎng)強(qiáng)方向相同,負(fù)電荷則相反;
③場(chǎng)強(qiáng)方向與電場(chǎng)線或等勢(shì)面的關(guān)系:電場(chǎng)線的切線方向或等勢(shì)面的法線方向?yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)度的方向。
(2)比較加速度大小的依據(jù):電場(chǎng)線或等差等勢(shì)面越密?E越大?F=qE越大?a= eq \f(qE,m)越大。
(3)判斷加速或減速的依據(jù):電場(chǎng)力與速度方向的夾角為銳角,電場(chǎng)力做正功,速度增大;電場(chǎng)力與速度方向的夾角為鈍角,電場(chǎng)力做負(fù)功,速度減小。
2-1.(2022·北京大興精華學(xué)校三模)如圖(a),在一塊很大的接地金屬平板的上方固定一負(fù)電荷。由于靜電感應(yīng),在金屬平板上表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷,金屬板上方電場(chǎng)的等勢(shì)面如圖(b)中虛線所示,相鄰等勢(shì)面間的電勢(shì)差都相等。若將一正試探電荷先后放于M和N處,該試探電荷受到的電場(chǎng)力大小分別為 SKIPIF 1 < 0 和 SKIPIF 1 < 0 ,相應(yīng)的電勢(shì)分別為 SKIPIF 1 < 0 和 SKIPIF 1 < 0 ,則( )
A. SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 B. SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
C. SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 D. SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
【答案】A
【詳解】根據(jù)等勢(shì)面的疏密程度可知
SKIPIF 1 < 0
根據(jù)
SKIPIF 1 < 0
可得
SKIPIF 1 < 0
因金屬平板的上方固定的是負(fù)電荷,則電場(chǎng)線方向是由金屬板指向負(fù)電荷,沿著電場(chǎng)線方向電勢(shì)降低,則有
SKIPIF 1 < 0
故選A。
2-2. (2022·遼寧·模擬預(yù)測(cè))真空中有一豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng),其場(chǎng)強(qiáng)大小為E,電場(chǎng)中的A、B兩點(diǎn)固定著兩個(gè)電荷量均為Q的正點(diǎn)電荷,A、B兩點(diǎn)的連線水平,O為其連線的中點(diǎn), SKIPIF 1 < 0 是兩點(diǎn)電荷連線垂直平分線上的兩點(diǎn),且 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 兩點(diǎn)在兩點(diǎn)電荷的連線上,四邊形 SKIPIF 1 < 0 恰好形成一個(gè)菱形,則下列說法中正確的是( )
A. SKIPIF 1 < 0 兩點(diǎn)的電勢(shì)不同,a點(diǎn)的電勢(shì)低于b點(diǎn)的電勢(shì)
B.若帶正電的試探電荷(忽略重力)在d點(diǎn)可處于靜止?fàn)顟B(tài),那么僅改變電性,試探電荷仍能靜止在d點(diǎn)
C.將質(zhì)子從O點(diǎn)沿豎直方向移到c點(diǎn)的過程中,電場(chǎng)力一直變大
D.電子在O點(diǎn)時(shí)的電勢(shì)能大于其在b點(diǎn)時(shí)的電勢(shì)能
【答案】BD
【詳解】A.根據(jù)等量正點(diǎn)電荷的電場(chǎng)特點(diǎn)可知,在點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)中 SKIPIF 1 < 0 兩點(diǎn)等電勢(shì),而在勻強(qiáng)電場(chǎng)中 SKIPIF 1 < 0 在同一等勢(shì)面上,故 SKIPIF 1 < 0 兩點(diǎn)電勢(shì)相同,A錯(cuò)誤;
C.勻強(qiáng)電場(chǎng)中各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)相同,但兩正點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)沿 SKIPIF 1 < 0 方向場(chǎng)強(qiáng)可能先變大后變小,C錯(cuò)誤;
D.根據(jù)等量正點(diǎn)電荷的電場(chǎng)特點(diǎn)可知,在點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)中b點(diǎn)電勢(shì)高于O點(diǎn)電勢(shì),而在勻強(qiáng)電場(chǎng)中 SKIPIF 1 < 0 在同一等勢(shì)面上,故電子在b點(diǎn)電勢(shì)能低于在O點(diǎn)電勢(shì)能,D正確;
B.若帶正電的試探電荷(忽略重力)在d點(diǎn)可處于靜止?fàn)顟B(tài),那么d點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)一定為零,則僅改變?cè)囂诫姾傻碾娦裕淙钥梢造o止,B正確;
故選BD。
命題角度3 E= eq \f(U,d)的應(yīng)用
例3. (2022·安徽·合肥一中模擬預(yù)測(cè))勻強(qiáng)電場(chǎng)中有一與電場(chǎng)方向平行的扇形AOB區(qū)域,如圖所示,圓心角θ=120°,半徑R=1m,其中C、D、F將圓弧AB四等分。已知 SKIPIF 1 < 0 以下說法錯(cuò)誤的是( )
A. SKIPIF 1 < 0
B. SKIPIF 1 < 0
C.電場(chǎng)方向沿A、O連線方向
D.場(chǎng)強(qiáng)大小為3V/m
【答案】D
【詳解】AB.如圖所示,連結(jié)AB、OC、OD、OF,令OC、OD、OF與AB交點(diǎn)分別為I、H、G。易知
SKIPIF 1 < 0
且
SKIPIF 1 < 0
所以
SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
在△IGO中,有
SKIPIF 1 < 0
所以△IGO為等邊三角形,則
SKIPIF 1 < 0
所以I、G將AB三等分,根據(jù)勻強(qiáng)電場(chǎng)中電勢(shì)均勻變化可知
SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
所以O(shè)F為一條等勢(shì)線,則
SKIPIF 1 < 0
根據(jù)幾何關(guān)系可知
SKIPIF 1 < 0
所以
SKIPIF 1 < 0
則△DHI全等于△HIO,即
SKIPIF 1 < 0
則DI連線垂直于AO,且平行于FO,說明DI是一條等勢(shì)線,所以
SKIPIF 1 < 0
故AB正確;
C.電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于等勢(shì)線OF和DI,根據(jù)沿電場(chǎng)強(qiáng)度方向電勢(shì)降低可知電場(chǎng)方向沿A、O連線方向,故C正確;
D.根據(jù)勻強(qiáng)電場(chǎng)中場(chǎng)強(qiáng)與電勢(shì)差的關(guān)系可得
SKIPIF 1 < 0
故D錯(cuò)誤。
本題選錯(cuò)誤的,故選D。
勻強(qiáng)電場(chǎng)中由公式U=Ed得出的“一式、二結(jié)論”
(1)“一式”:E= eq \f(U,d)= eq \f(W電,qd),其中d是兩點(diǎn)間沿電場(chǎng)線方向上的距離。
(2)“二結(jié)論”
結(jié)論1:勻強(qiáng)電場(chǎng)中的任一線段AB的中點(diǎn)C的電勢(shì)φC= eq \f(φA+φB,2),如圖甲所示。
結(jié)論2:勻強(qiáng)電場(chǎng)中若兩線段AB∥CD,且AB=CD,則UAB=UCD(或φA-φB=φC-φD),如圖乙所示。
3. (2022·天津·模擬預(yù)測(cè))如圖所示,勻強(qiáng)電場(chǎng)中有A、B、C三點(diǎn),已知A、B兩點(diǎn)間的距離為 SKIPIF 1 < 0 ,A,C兩點(diǎn)間的距離為 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,勻強(qiáng)電場(chǎng)方向平行于A、B、C三點(diǎn)所確定的平面?,F(xiàn)把電荷量 SKIPIF 1 < 0 的帶正電的點(diǎn)電荷由A點(diǎn)移到B點(diǎn),該過程中電場(chǎng)力做功 SKIPIF 1 < 0 ,當(dāng)將該點(diǎn)電荷由A點(diǎn)移到C點(diǎn),電場(chǎng)力做功 SKIPIF 1 < 0 ,若取A點(diǎn)的電勢(shì)為零,則( )( SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 )
A.該點(diǎn)電荷在B點(diǎn)的電勢(shì)能為 SKIPIF 1 < 0
B.A、B兩點(diǎn)的電勢(shì)差為5V
C.C點(diǎn)的電勢(shì)為20V
D.勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為 SKIPIF 1 < 0
【答案】BD
【詳解】A.點(diǎn)電荷從A點(diǎn)移到B點(diǎn)的過程中,電場(chǎng)力做正功,電勢(shì)能減小,因在A點(diǎn)的電勢(shì)為零,可知該點(diǎn)電荷在B點(diǎn)的電勢(shì)能為 SKIPIF 1 < 0 ,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;
B.由
SKIPIF 1 < 0
可得A、B間的電勢(shì)差
SKIPIF 1 < 0
選項(xiàng)B正確;
C.因?yàn)?br> SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
可得C點(diǎn)的電勢(shì)
SKIPIF 1 < 0
選項(xiàng)C錯(cuò)誤;
D.設(shè)D是A、C連線上的點(diǎn),若
SKIPIF 1 < 0
則B、D連線就是勻強(qiáng)電場(chǎng)中的一個(gè)等勢(shì)線,由于
SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
可得
SKIPIF 1 < 0
故電場(chǎng)強(qiáng)度的方向由A指向C,電場(chǎng)強(qiáng)度的大小
SKIPIF 1 < 0
選項(xiàng)D正確。
故選BD。
命題角度4 與平行板電容器相關(guān)的電場(chǎng)問題
例4. (2022·江西南昌·模擬預(yù)測(cè))隨著生活水平的提高,電子秤已經(jīng)成為日常生活中不可或缺的一部分,電子秤的種類也有很多,如圖所示是用平行板電容器制成的廚房用電子秤及其電路簡(jiǎn)圖。稱重時(shí),把物體放到電子秤面板上,壓力作用會(huì)導(dǎo)致平行板上層膜片電極下移。則放上物體( )
A.穩(wěn)定后電容器的帶電量變小
B.穩(wěn)定后電容器的電容增大
C.膜片電極下移過程中G表中有從b流向a的電流
D.穩(wěn)定后極板間電場(chǎng)強(qiáng)度不變
【答案】BC
【詳解】AB.平行板上層膜片電極下移,則d減小。由平行板電容器電容的表達(dá)式
SKIPIF 1 < 0
可知d減小,C增大。而電容器兩端的電壓不變,由
SKIPIF 1 < 0
可知帶電量增大,A錯(cuò)誤,B正確;
C.平行板電容器帶電量增大,則繼續(xù)充電,由電路簡(jiǎn)圖可知G表中有從b流向a的電流,C正確;
D.由
SKIPIF 1 < 0
可知d減小,U不變,E增大,D錯(cuò)誤。
故選BC。
1.分析電容器問題的兩個(gè)常用條件
(1)電容器與電路(或電源)相連,則兩端電壓取決于電路(或電源),穩(wěn)定時(shí)相當(dāng)于斷路,兩端電壓總等于與之并聯(lián)的支路電壓。
(2)充電后電容器與電路斷開,電容器所帶電荷量不變,此時(shí)若只改變兩板間距離,則板間電場(chǎng)強(qiáng)度大小不變。
2.電容器動(dòng)態(tài)分析的解題思路
(1)確定不變量,分析是電壓不變還是所帶電荷量不變。
(2)根據(jù)C= eq \f(εrS,4πkd),分析平行板電容器電容的變化情況,如例4中“右移極板”,則d發(fā)生變化。
(3)根據(jù)C= eq \f(Q,U)分析電容器所帶電荷量或兩極板間電壓的變化情況。
(4)根據(jù)E= eq \f(U,d)或E= eq \f(4πkQ,εrS)分析電容器極板間電場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況。
(5)根據(jù)Q的變化情況,分析電容器充電還是放電,分析電路中電流的方向。
4-1. (2022·湖北武漢·模擬預(yù)測(cè))特斯拉線圈是一種制造人工閃電的裝置,該裝置的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖所示。金屬頂端和大地構(gòu)成一個(gè)特殊的電容器。頂端放電后,“電荷補(bǔ)充線圈”給頂端補(bǔ)充電荷,因而能持續(xù)放電。設(shè)頂端與大地間電壓為U,頂端帶電荷量為Q,下列說法正確的是( )
A.充電過程中,該電容器的電容不變B.放電過程中,該電容器的電容增大
C.若Q不變,頂端離地面越近,則U越小D.若Q不變,頂端離地面越近,則U越大
【答案】AC
【詳解】AB.電容器的電容由電容器本身性質(zhì)決定,充放電不改變其電容,故A正確,B錯(cuò)誤;
CD.根據(jù)
SKIPIF 1 < 0
可知若Q不變,頂端離地面越近,即d越小,則C越大,所以U越小,故C正確,D錯(cuò)誤。
故選AC。
4-2. (2022·江西宜春·模擬預(yù)測(cè))如圖所示,D是一只理想二極管,水平放置的平行板電容器的A、B兩極板間有一帶電液滴,在P點(diǎn)處于靜止?fàn)顟B(tài)。以Q表示電容器儲(chǔ)存的電荷量,U表示兩極板間的電壓,φ表示P點(diǎn)的電勢(shì),B極板接地。若保持極板B不動(dòng),第一次將極板A稍向下平移,第二次將極板A稍向上平移(移動(dòng)后極板A的位置還在P點(diǎn)上方),則下列說法正確的是( )
A.兩次移動(dòng)后Q相同
B.兩次移動(dòng)后點(diǎn)電荷都保持靜止
C.第一次移動(dòng)后U變小,第二次移動(dòng)后U變大
D.第一次移動(dòng)后φ增大,第二次移動(dòng)后φ不變
【答案】D
【詳解】AC.第一次極板A稍向下平移,平移極板間距d減小,由電容器決定式
SKIPIF 1 < 0
可知電容C增大,電源可通過二極管對(duì)電容器充電,Q增大,電壓U不變。
第二次極板A稍向上平移,極板間距d增大,由 SKIPIF 1 < 0 知電容C減小,若電容器兩端電壓U不變,電容器所帶電量Q將減小,由于二極管具有單向?qū)щ娦?,電容器的電荷不能回到電源,所以電容器的電量Q不變。由于電容C減小,由電容的定義式 SKIPIF 1 < 0 知,U變大。
AC錯(cuò)誤;
BD.由 SKIPIF 1 < 0 和 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 可得
SKIPIF 1 < 0
可知第一次A稍向下平移,因?yàn)閮蓸O板間距d減小,U不變,故場(chǎng)強(qiáng)增大,電荷向上移動(dòng)。因?yàn)闃O板B接地,電勢(shì)為零,P點(diǎn)到極板B的電勢(shì)差增大,P點(diǎn)電勢(shì)φ增大。
第二次將極板A稍向上平移,Q、S都不變,故場(chǎng)強(qiáng)不變,電荷保持靜止。因?yàn)闃O板B接地,電勢(shì)為零,P點(diǎn)到極板B的距離不變,則P點(diǎn)到極板B的電勢(shì)差不變,故P點(diǎn)φ不變。
故D正確,B錯(cuò)誤。
故選D。
【高考考向2 磁場(chǎng)的基本性質(zhì)】
命題角度1磁場(chǎng)的疊加
例5. (2022·上海徐匯·三模)如圖,小磁針放置在水平面內(nèi)的O點(diǎn),四個(gè)距O點(diǎn)相同距離的螺線管A、B、C、D,其中心軸均通過O點(diǎn),且與坐標(biāo)軸的夾角均為 SKIPIF 1 < 0 。設(shè)小磁針的N極從y軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為 SKIPIF 1 < 0 ,在四個(gè)螺線管沒有通電的情況下 SKIPIF 1 < 0 。若四個(gè)螺線管中分別通有 SKIPIF 1 < 0 的電流,方向如圖所示,則 SKIPIF 1 < 0 為( )
A. SKIPIF 1 < 0 B. SKIPIF 1 < 0 C. SKIPIF 1 < 0 D. SKIPIF 1 < 0
【答案】D
【詳解】根據(jù)右手定則可判斷通電螺線管電流在O點(diǎn)形成的磁場(chǎng)方向,如圖所示。通電螺旋管在O點(diǎn)形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小與通電電流大小成正比關(guān)系,根據(jù)矢量運(yùn)算法則,可知在O點(diǎn)形成的合磁場(chǎng)方向沿y軸負(fù)方向,故小磁針的N極指向y軸負(fù)方向。
小磁針的N極從y軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為 SKIPIF 1 < 0 ,D正確,ABC錯(cuò)誤。
故選D。
(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量運(yùn)算法則同力、電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量運(yùn)算法則相同,仍然適用平行四邊形定則或三角形定則。
(2)處理電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加問題,要先據(jù)安培定則確定磁感線形狀,磁感線在某點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向。
5. (2022·湖南·高考真題)如圖(a),直導(dǎo)線MN被兩等長(zhǎng)且平行的絕緣輕繩懸掛于水平軸OO′上,其所在區(qū)域存在方向垂直指向OO′的磁場(chǎng),與OO′距離相等位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等且不隨時(shí)間變化,其截面圖如圖(b)所示。導(dǎo)線通以電流I,靜止后,懸線偏離豎直方向的夾角為θ。下列說法正確的是( )
A.當(dāng)導(dǎo)線靜止在圖(a)右側(cè)位置時(shí),導(dǎo)線中電流方向由N指向M
B.電流I增大,靜止后,導(dǎo)線對(duì)懸線的拉力不變
C.tanθ與電流I成正比
D.sinθ與電流I成正比
【答案】D
【詳解】A.當(dāng)導(dǎo)線靜止在圖(a)右側(cè)位置時(shí),對(duì)導(dǎo)線做受力分析有
可知要讓安培力為圖示方向,則導(dǎo)線中電流方向應(yīng)由M指向N,A錯(cuò)誤;
BCD.由于與OO′距離相等位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等且不隨時(shí)間變化,有
SKIPIF 1 < 0 ,F(xiàn)T= mgcsθ
則可看出sinθ與電流I成正比,當(dāng)I增大時(shí)θ增大,則csθ減小,靜止后,導(dǎo)線對(duì)懸線的拉力FT減小,BC錯(cuò)誤、D正確。
故選D。
命題角度2 磁場(chǎng)對(duì)電流的作用
例6. (2022·浙江·高考真題)如圖所示,將一通電螺線管豎直放置,螺線管內(nèi)部形成方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=kt的勻強(qiáng)磁場(chǎng),在內(nèi)部用絕緣輕繩懸掛一與螺線管共軸的金屬薄圓管,其電阻率為 SKIPIF 1 < 0 、高度為h、半徑為r、厚度為d(d?r),則( )
A.從上向下看,圓管中的感應(yīng)電流為逆時(shí)針方向
B.圓管的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為 SKIPIF 1 < 0
C.圓管的熱功率大小為 SKIPIF 1 < 0
D.輕繩對(duì)圓管的拉力隨時(shí)間減小
【答案】C
【詳解】A.穿過圓管的磁通量向上逐漸增加,則根據(jù)楞次定律可知,從上向下看,圓管中的感應(yīng)電流為順時(shí)針方向,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;
B.圓管的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為
SKIPIF 1 < 0
選項(xiàng)B錯(cuò)誤;
C.圓管的電阻
SKIPIF 1 < 0
圓管的熱功率大小為
SKIPIF 1 < 0
選項(xiàng)C正確;
D.根據(jù)左手定則可知,圓管中各段所受的受安培力方向指向圓管的軸線,則輕繩對(duì)圓管的拉力的合力始終等于圓管的重力,不隨時(shí)間變化,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
故選C。
磁場(chǎng)中通電導(dǎo)體類問題的解題步驟
(1)選定研究對(duì)象進(jìn)行受力分析,受力分析時(shí)考慮安培力。
(2)作受力分析圖,標(biāo)出輔助方向(如磁場(chǎng)的方向、通電直導(dǎo)線電流的方向等),有助于分析安培力的方向。由于安培力F、電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向兩兩垂直,涉及三維空間,所以在受力分析時(shí)要善于用平面圖(側(cè)視圖、剖面圖或俯視圖等)表示出三維的空間關(guān)系。
(3)根據(jù)平衡條件、牛頓第二定律或功能關(guān)系列式求解。
6-1. (2022·江蘇·高考真題)如圖所示,兩根固定的通電長(zhǎng)直導(dǎo)線a、b相互垂直,a平行于紙面,電流方向向右,b垂直于紙面,電流方向向里,則導(dǎo)線a所受安培力方向( )
A.平行于紙面向上
B.平行于紙面向下
C.左半部分垂直紙面向外,右半部分垂直紙面向里
D.左半部分垂直紙面向里,右半部分垂直紙面向外
【答案】C
【詳解】根據(jù)安培定則,可判斷出導(dǎo)線a左側(cè)部分的空間磁場(chǎng)方向斜向右上,右側(cè)部分的磁場(chǎng)方向斜向下方,根據(jù)左手定則可判斷出左半部分垂直紙面向外,右半部分垂直紙面向里。
故選C。
命題角度3 磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的作用
例7. (2022·廣東·高考真題)如圖所示,一個(gè)立方體空間被對(duì)角平面 SKIPIF 1 < 0 劃分成兩個(gè)區(qū)域,兩區(qū)域分布有磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相反且與z軸平行的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。一質(zhì)子以某一速度從立方體左側(cè)垂直 SKIPIF 1 < 0 平面進(jìn)入磁場(chǎng),并穿過兩個(gè)磁場(chǎng)區(qū)域。下列關(guān)于質(zhì)子運(yùn)動(dòng)軌跡在不同坐標(biāo)平面的投影中,可能正確的是( )
A.B.
C.D.
【答案】A
【詳解】AB.由題意知當(dāng)質(zhì)子射出后先在MN左側(cè)運(yùn)動(dòng),剛射出時(shí)根據(jù)左手定則可知在MN受到y(tǒng)軸正方向的洛倫茲力,即在MN左側(cè)會(huì)向y軸正方向偏移,做勻速圓周運(yùn)動(dòng),y軸坐標(biāo)增大;在MN右側(cè)根據(jù)左手定則可知洛倫茲力反向,質(zhì)子在y軸正方向上做減速運(yùn)動(dòng),故A正確,B錯(cuò)誤;
CD.根據(jù)左手定則可知質(zhì)子在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中都只受到平行于xOy平面的洛倫茲力作用,在z軸方向上沒有運(yùn)動(dòng),z軸坐標(biāo)不變,故CD錯(cuò)誤。
故選A。
1.帶電粒子在有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)軌跡圓心和半徑的確定
帶電粒子在有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的軌跡圓心和半徑的確定是解題的第一步,也很容易出錯(cuò),特別是四分之一坐標(biāo)軸磁場(chǎng)、矩形磁場(chǎng)、三角形磁場(chǎng)和圓形磁場(chǎng),要注意軌跡圓心不一定在坐標(biāo)軸或磁場(chǎng)直線邊界上。要準(zhǔn)確確定軌跡圓心,需要抓住以下兩點(diǎn):①軌跡半徑垂直于速度方向;②軌跡圓心在弦的垂直平分線上。軌跡圓心確定了,就可以由幾何知識(shí)確定軌跡半徑。
2.臨界問題
(1)解決帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的臨界問題,關(guān)鍵在于運(yùn)用動(dòng)態(tài)思維,尋找臨界點(diǎn),確定臨界狀態(tài),根據(jù)粒子的速度方向找出半徑方向,同時(shí)由磁場(chǎng)邊界和題設(shè)條件畫好軌跡,定好圓心,建立幾何關(guān)系。常用方法如下:
①動(dòng)態(tài)放縮法:定點(diǎn)粒子源發(fā)射速度大小不同、方向相同、比荷和電性都相同的粒子,速度越大半徑越大,圓心在垂直初速度方向的直線上。
②旋轉(zhuǎn)平移法:定點(diǎn)粒子源發(fā)射速度大小v相等、方向不同、比荷 eq \f(q,m)和電性都相同的粒子,運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心在以入射點(diǎn)為圓心、半徑為R= eq \f(mv,qB)的圓周上,其中B為勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
(2)粒子射出或不射出磁場(chǎng)的臨界狀態(tài)是粒子運(yùn)動(dòng)軌跡與磁場(chǎng)邊界相切。
7-1. (2022·湖北·高考真題)在如圖所示的平面內(nèi),分界線SP將寬度為L(zhǎng)的矩形區(qū)域分成兩部分,一部分充滿方向垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng),另一部分充滿方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B,SP與磁場(chǎng)左右邊界垂直。離子源從S處射入速度大小不同的正離子,離子入射方向與磁場(chǎng)方向垂直且與SP成30°角。已知離子比荷為k,不計(jì)重力。若離子從Р點(diǎn)射出,設(shè)出射方向與入射方向的夾角為θ,則離子的入射速度和對(duì)應(yīng)θ角的可能組合為( )
A. SKIPIF 1 < 0 kBL,0°B. SKIPIF 1 < 0 kBL,0°C.kBL,60°D.2kBL,60°
【答案】BC
【詳解】若粒子通過下部分磁場(chǎng)直接到達(dá)P點(diǎn),如圖
根據(jù)幾何關(guān)系則有
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0
可得
SKIPIF 1 < 0
根據(jù)對(duì)稱性可知出射速度與SP成30°角向上,故出射方向與入射方向的夾角為θ=60°。
當(dāng)粒子上下均經(jīng)歷一次時(shí),如圖
因?yàn)樯舷麓鸥袘?yīng)強(qiáng)度均為B,則根據(jù)對(duì)稱性有
SKIPIF 1 < 0
根據(jù)洛倫茲力提供向心力有
SKIPIF 1 < 0
可得
SKIPIF 1 < 0
此時(shí)出射方向與入射方向相同,即出射方向與入射方向的夾角為θ=0°。
通過以上分析可知當(dāng)粒子從下部分磁場(chǎng)射出時(shí),需滿足
SKIPIF 1 < 0 (n=1,2,3……)
此時(shí)出射方向與入射方向的夾角為θ=60°;
當(dāng)粒子從上部分磁場(chǎng)射出時(shí),需滿足
SKIPIF 1 < 0 (n=1,2,3……)
此時(shí)出射方向與入射方向的夾角為θ=0°。
故可知BC正確,AD錯(cuò)誤。
故選BC。
7-2. (2022·浙江·高考真題)離子速度分析器截面圖如圖所示。半徑為R的空心轉(zhuǎn)筒P,可繞過O點(diǎn)、垂直xOy平面(紙面)的中心軸逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)(角速度大小可調(diào)),其上有一小孔S。整個(gè)轉(zhuǎn)筒內(nèi)部存在方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)筒下方有一與其共軸的半圓柱面探測(cè)板Q,板Q與y軸交于A點(diǎn)。離子源M能沿著x軸射出質(zhì)量為m、電荷量為 – q(q > 0)、速度大小不同的離子,其中速度大小為v0的離子進(jìn)入轉(zhuǎn)筒,經(jīng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后恰好沿y軸負(fù)方向離開磁場(chǎng)。落在接地的筒壁或探測(cè)板上的離子被吸收且失去所帶電荷,不計(jì)離子的重力和離子間的相互作用。
(1)①求磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小;
②若速度大小為v0的離子能打在板Q的A處,求轉(zhuǎn)筒P角速度ω的大??;
(2)較長(zhǎng)時(shí)間后,轉(zhuǎn)筒P每轉(zhuǎn)一周有N個(gè)離子打在板Q的C處,OC與x軸負(fù)方向的夾角為θ,求轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間內(nèi),C處受到平均沖力F的大??;
(3)若轉(zhuǎn)筒P的角速度小于 SKIPIF 1 < 0 ,且A處探測(cè)到離子,求板Q上能探測(cè)到離子的其他θ′的值(θ′為探測(cè)點(diǎn)位置和O點(diǎn)連線與x軸負(fù)方向的夾角)。
【答案】(1)① SKIPIF 1 < 0 ,② SKIPIF 1 < 0 ,k = 0,1,2,3…;(2) SKIPIF 1 < 0 ,n = 0,1,2,…;(3) SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
【詳解】(1)①離子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)有
SKIPIF 1 < 0
則
SKIPIF 1 < 0
②離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間
SKIPIF 1 < 0
轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0 ,k = 0,1,2,3…
(2)設(shè)速度大小為v的離子在磁場(chǎng)中圓周運(yùn)動(dòng)半徑為 SKIPIF 1 < 0 ,有
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0
離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間
SKIPIF 1 < 0
轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度
ω′t′ = 2nπ + θ
轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度
SKIPIF 1 < 0 ,n = 0,1,2,…
動(dòng)量定理
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0 ,n = 0,1,2,…
(3)轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度
SKIPIF 1 < 0
其中
k = 1, SKIPIF 1 < 0 ,n = 0,2
可得
SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
測(cè)量序號(hào)
Bx/μT
By/μT
Bz/μT
1
0
21
- 45
2
0
- 20
- 46
3
21
0
- 45
4
- 21
0
- 45
這是一份新高考物理二輪復(fù)習(xí)講與練專題3.3 磁場(chǎng)的性質(zhì)(講)(2份打包,原卷版+解析版),文件包含新高考物理二輪復(fù)習(xí)講與練專題33磁場(chǎng)的性質(zhì)講原卷版doc、新高考物理二輪復(fù)習(xí)講與練專題33磁場(chǎng)的性質(zhì)講解析版doc等2份試卷配套教學(xué)資源,其中試卷共36頁, 歡迎下載使用。
這是一份高中物理-專題06 電場(chǎng)、磁場(chǎng)的基本性質(zhì)(講)(原卷+解析版),共95頁。
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