高中物理公式大全(全集)十二、电场.pdf
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1、十二、电场 1、两种电荷电荷守恒 电荷:具有吸引轻微小物体的性质的物体就说它带了电,这种带电的物体叫做电荷。 自然界只存在两种电荷,即正电荷和负电荷,用毛皮摩擦过的硬橡胶所带的电荷为负 二、 画龙点睛 概念 一、知识网络 电荷,用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷为正电荷。 电荷间的相互作用:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。 电荷量 电荷的多少,叫做电荷量。 单位:库仑,简称库,符号是C。 1C1A s。 使物体带电的方法及其实质 摩擦起电 用摩擦的方法可以使物体带电。用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电,用毛皮摩擦过的硬橡胶 棒带负电。 摩擦起电的实质:不是创造了电荷,而是使自由电子从一个物体转移到另一
2、个物体。 静电感应 将电荷移近不带电的导体,可以使导体带电,这种现象叫做静电感应。 利用静电感应使物体带电,叫做感应起电。 静电感应的实质:不是创造了电荷,而是使电荷从物体的一部分转移到另一部分。 2、元电荷 (1)元电荷 电子 (或质子 )的电荷量e,叫做元电荷。 e1.6010 19C,带电体的电荷量 qNe (2)比荷 电荷量 Q(q)与质量 m 之比,叫电荷的比荷。 3、电场 (1)概念 存在于电荷周围,能传递电荷间相互作用力的一种特殊物质形态,称为电场。 (2)电场的基本性质 对放入其中的电荷有力的作用,这种力称为电场力; 电场能使放入电场中的导体产生静电感应现象。 4、电场强度 (
3、1)试探电荷 试探电荷:为了研究电场的存在与分布规律而引入的电荷,叫做试探电荷。 试探电荷必须满足的条件 a电量充分小 b体积充分小 (2)电场强度 定义: 放入电场中某点的电荷所受的电场力F 跟它的电荷量q 的比值,叫做该点的 电场强度,简称场强。 公式 E F q (量度式 ) 场强的大小和方向 a大小:等于单位电荷量的电荷受到的电场力的大小; b方向:电场中某点的场强的方向跟正电荷在该点所受的电场力的方向相同。 场强的单位 在国际单位制中,场强的单位是伏每米,符号V/m ,1N/C 1V/m。 电场强度的物理意义 电场强度是表示电场的强弱和方向的物理量,反映了电场本身的力的性质,由电场本
4、身决定, 与试探电荷无关。 5、电场线 (1)电场线 如果在电场中画出一些曲线,使曲线上每一点的切线方向都跟该点的场强方向一致,这 样的曲线就叫做电场线。 (2)电场线的实验模拟 电场线是为形象描述电场而引入的假想的线,不是电场里实际存在的线。 (3)几种典型的电场线分布 点电荷的电场线等量异种点电荷的电场线 等量同种点电荷的电场线点电荷与带电平板的电场线分布 带等量异种电荷的平行金属板间的电场线 (4)电场线的物理意义 电场线中某点的切线方向表示该点的场强方向; 电场线的疏密程度表示场强的相对大小。 (5)电场线的特点 电场线上某点的切线方向表示该点的场强方向,电场线的疏密程度表示场强的相对
5、大 小; 电场线不是真实存在的,是形象地描述电场的假想的线; 电场线是不封闭的曲线,它起始于带正电的场电荷或无穷远处,终止于负电荷或无穷 远处,电场线不会在没有电荷的地方中断; 静电场中任意两条电场线都不相交; 静电场中任意两条电场线也不相切; 仅在电场力作用下,电场线一般不是电荷的运动轨迹。 电场线和等势面一定正交,并且由电势高的等势面指向电势低的等势面 沿电场线的方向,正电荷的电势能逐渐减小,负电荷的电势能逐渐增大 沿电场线的方向电势逐渐降低,电场线的方向是电势降落陡度最大的方向 若取无限远处为电势的零点,那么在正电荷形成的电场中,各点的电势都是正值,而 且距正电荷越近电势越高;在负电荷形
6、成的电场中,各点的电势都是负值,而且距电荷越近 电势越低 电场线的应用 6、匀强电场 (1)匀强电场 在电场的某一区域,如果场强的大小和方向都相同,这个区域的电场叫做匀强电场。 (2)匀强电场电场线分布的特点 匀强电场的电场线是等间距的平行直线。 例题:如图所示,是某电场区域的电场线分布,A、B 是电场中 的两点,问: A、B 两点,哪点的场强大; 画出 A 点的场强方向; 画出负电荷在B 点的受力方向。 解析:电场的强弱可通过电场线的疏密来确定,从图中可看出, B 点处在电场线较A 密的地方,故B 点的场强大于A 点的场强,即 EB EA。 过 A 点作曲线的切线,切线方向即是该点的场强方向
7、。 过 B 点作曲线的切线,负电荷在该点的受力方向与该点的场强方向相反。 7、静电平衡状态 (1)静电平衡 当导体中的电荷静止不动,从而场强分布不随时间变化时,导体就达到了静电平衡。 (2)静电平衡状态 导体中(包括表面)没有电荷的定向移动的状态,叫做静电平衡状态。 (3)静电平衡的条件 处于静电平衡状态的导体,内部的场强处处为零。 (4)静电平衡导体的性质 处于静电平衡状态的导体,表面上任何一点的场强方向都跟该点的表面垂直; 处于静电平衡状态的导体,电荷只能分布在导体的外表面上。 处于静电平衡状态的导体是一个等势体,其表面为一个等势面。 处于静电平衡状态的导体,内部场强处处为零,电荷仅分布在
8、导体的外表面上。因内部 场强处处为零,则在导体内部任两点间移动电荷都不做功,因而任两点间的电势差都为零, 导体是个等势体,导体表面是个等势面。 A B A B EA FB 静电平衡下的地球及与之相连的导体是等势体。所以实际中常取地球或与之相连的导体 的电势为零。 8、静电屏蔽 (1)静电屏蔽 导体壳 (金属网罩 )能保护它所包围的区域,使这个区域不受外电场的影响,这种现象叫 做静电屏蔽。 (2)静电屏蔽的应用 电子仪器外套金属网罩,通讯电缆外包一层铅皮等。 9、电势差 (1)电场力做功的特点 电场力做功也与路径无关,仅跟移送电荷的电荷量、电荷 在电场中移动的初末位置有关。 例:在匀强电场E 中
9、,电荷从A 移动到 B,可沿不同的路径, 图中有三种典型的路径。设 A、B 两点沿电场方向的距离为s,用无 限分割的方法, 可以证明,经任意路径移动,电场力做的功都相同。 WABEqs 对非匀强电场,也可证明电场力做功与路径无关。 (2)电势差 电势差 电荷 q 在电场中由一点A 移动到另一点B 时,电场上所做的功WAB与电荷量q 的比值 WAB q ,叫做 A、B 两点间的电势差。 公式 UAB WAB q (量度式 ) 或者WABqUAB 物理意义 电势差反映了电场本身两点的能的性质。 电场中 A、B 两点间的电势差UAB,在数值上等于单位正电荷由A 点移到 B 点时电场 力所做的功WAB
10、。 单位: 在国际单位制中,电势差的单位是伏特 ,简称 伏,符号是V。 1V1 J/C。 电势差是标量 电势差是标量,两点间电势差可以是正值也可以是负值。 UAB UBA 电势差的绝对值也叫电压。 应用 WAB qUAB时的两种思路: 可将 q、UAB,连同正负号一同代入; 将 q、UAB的绝对值代入, 功的正负依据电场力的方向和位移(或运动) 方向来判断。 应用 UAB WAB q 求 UAB时,将 WAB、q 的正负号一同代入。 A B D C A B 例题 1:在如图所示的电场中,把点电荷 q 210 11C,由 A 点移 到 B 点,电场力做功WAB 410 11J。A、B 两点间的电
11、势差 UBA等于 多少? B、 A 两点间的电势差UBA等于多少? 解析: 由电势差的定义式可知 UAB WAB q 410 11 210 11V2V UBA WBA q 410 11 210 11 V 2V 例题 2:如图所示的电场中,A、B 两点间的电势差UAB20V ,电荷q 210 9C 由 A 点移到 B 点,电场力所做的功是多少? 解析:方法一、电场力所做的功 WABUABq20(210 9)J 4.0108J。 方法二、 电场力所做功 WABUABq20210 9J4108J。 因 F电方向从 B 到 A,s方向由 A 到 B,故电场力做负功。 10、电势 (1)电势 电场中某点
12、的电势,等于单位正电荷由该点移到参考点(零电势点) 时电场力所做的功。 UABAB UBABA 例题: 在图中所示的电场中,取C 点为零电势点,1C 的正电荷分别由A、B、D 三点 移动到 C 点时,电场力所做的功分别是15J、5J、 3J,这三点的电势就分别是 A 15V, B5V,D 3V 。 有了电势的概念,即可用两点的电势的差值来表示两点间的电势差。 UABAB UBABA A、B 两点间的电势差UAB AB 15V5V10V,D、A 两点间的电势差UDA DA 3V 15V 18V。 (2)电势的数值是相对的 电场中某点的电势与零电势点的选取有关, 电场中某点的电势的数值是相对的。
13、(3)电势是标量 电势是标量, 电势的正、 负表示该点的电势比零电势高还 是低。 (4)物理意义 电势是描述电场中一点的能的性质的物理量。 (5)沿电场线的方向,电势越来越低 电场中电势的高低可以根据电场线的方向来判断。 如何判断电势高低呢? 分析: 只要两点间的电势差的情况了解了,电势高低即可清楚,故可取一电荷在电场中 A B 移动讨论电场力做功。 在电场中移动电荷时,有下面的四种典型情况: 沿着电场线移动正电荷,电场力做正功; 逆着电场线移动正电荷,电场力做负功; 沿着 电场线移动负电荷,电场力做负功;逆着电场线移动负电荷,电场力做正功。 沿着电场线的方向将单位正电荷由A 点移动B 点,电
14、场力做 正功: UABAB0 AB 结论: 沿电场线方向,电势逐渐降低。 沿电场线的方向,电势越来越低。 11、电势能 (1)电势能 电荷在电场中具有的能,称之为电势能。 (2)电场力做功与电势能变化的关系 电场力做正功时电势能减少 电场力做负功时电势能增加 电场力做功与电势能变化的关系 电势能的变化与电场力做的功的数值相等。电势能的增减可从物理意义上分析得出。 电场力做多少正功,电势能就减少多少。电场力做多少负功,电势能就增加多少。 WAB 电势能的变化与电场力做的功的数值相等。电势能的增减可从物理意义上分析得出。 顺着电场线方向移动正电荷或逆着电场线方向移动负电荷时,电场力做正, 电势能减
15、少; 逆着电场线移动正电荷或顺着电场线移动负电荷,电场力做负功,电势能增加。 (3)电势能的数值 电荷在电场中某点的电势能,在数值上等于把电荷从该点移动到电势能为零处电场力所 做的功。 例 1:在如图所示的电场中,已知A、B 两点间的电势差UAB 10V。 (1)电荷 q 410 9 C 由 A 点移动到B 点,电场力所做的功 是多少?电势能是增加还是减少? (2)电荷 q 210 9 C 由 A 点移动到 B 点,电场力所做的功 是多少?电势能是增加还是减少: 解析: 从图中电场线的方向知道, AB, UABAB0,题中给出的 UAB为 负值。 (1)电荷 q 410 9 C 由 A 点移动
16、到 B 点,电场力所做的功为 WABqUAB 410 9 (10)J 4108J。 正电荷由A 点移动到B 点,电场力的方向与位移的方向相反,电场力做负功,即克服 电场力做功。这时其它形式的能转化为电势能,电势能增加。 (2)电荷 q 210 9 C 由 A 点移动到 B 点,电场力所做的功为 WABqUAB 210 9(10)J2108J。 负电荷由A 点移动到B 点,电场力的方向与位移的方向相同,电场力做正功,这时电 F v F v F v F v F v A B A B 势能转化为其它形式的能,电势能减少。 总结: 在应用公式WABqUAB进行计算时,式中的各个量可以取绝对值,功的正负则
17、 根据电场力的方向和位移的方向来判断。这时,公式可写成 WqU。 不论电场如何分布,电场力是恒力还是变力,都可用WqU 来计算电功。 例 2:将电荷量为610 6C 的负电荷从电场中的 A 点移到 B 点,电荷克服电场力做了3 10 5 J的功,再从B 移到 C,电场力做了1.210 5J的功,求 A、C 间的电势差UAC? 电荷从 A 移到 B,再从 B 移到 C 的过程中电势能共改变了多少? 解: UAC WAC q W ABWBC q 3V WACWABWBC 310 5 1.210 5 1.8105J 可见电势能增加了1.810 5 J。 关于能量的转化和守恒定律在电场中的应用 如果只
18、有电场力对带电粒子做功 电场力对带电粒子所做的正功,等于其电势能减少量,也等于其动能的增加量;带电粒 子反抗电场力所做的功(电场力对带电粒子做负功),等于其电势能的增加量,也等于其动能 的减少量 总之, 带电粒子在电场里运动的过程中,如果只有电场力对带电粒子做功,那么带电粒 子的动能和电势能互相转化,而且动能和电势能的总和保持不变 如果电场和重力都对带电微粒做功,此外其他力不做功那么, 带电微粒的电势能和 机械能互相转化,而且带电微粒的电势能和机械能的总和保持不变 12、等势面 电场中电势相同的各点构成的面,叫等势面。 等势面不仅可形象描述电势,而且每相邻两等势面间距也可形象表示它们间的电势差
19、。 13、几种典型电场的等势面 (1)点电荷电场中的等势面,是以电荷为球心的一簇球面; 下图是点电荷电场中的等势面及与等高线对比的示意图。 (2)等量异种点电荷电场中的等势面,是两簇对称曲面; 下图是等量异种点电荷电场中的等势面及与等高线对比的示意图。 (3)等量同种点电荷电场中的等势面,也是两簇对称曲面; 下图是等量同种点电荷电场中的等势面及与等高线对比的示意图。 (4)匀强电场中的等势面,是垂直于电场线的一簇平面。 14、等势面的特点 (1)同一等势面上各点的电势相等,在同一等势面上移动电荷时电场力不做功。电荷从一 个等势面上的任一点移到另一个等势面上的任一点,电势能的变化量相同,电场力做
20、的功相 同。 (2)等势面一定和电场线垂直,且电场线总是由电势较高的等势面指向电势较低的等势面。 (3)在相邻等势面间电势差值相同的情况下,等势面密处场强大,等势面疏处场强小。 (4)不同电势的等势面在空间不能相交,同一电势的等势面一般也不相交。 例题:下列说法中正确的是( ) A某匀强电场若用相邻的两个等势面的电场差均相等的等势面来表示,则这些等势面 一定是间隔相等的一系列平面 B凡是场强不为零的匀强电场,一定能够用一些间隔相等、同一方向的平行电场线来 描述 C某非匀强电场,它的电场线图可能由间隔不等的同一方向的一些平行直线组成 D如果在某电场中各点的电场线都是方向相同、相互平行的直线,那么
21、这个电场一定 是匀强电场答: ABD 15、电容器 (1)电容器 : 任何两个彼此绝缘又相隔很近的导体,组成一个电容器。 (2)电容器的充放电 充电: 电容器两板分别接在电池两端,两板带上等量异种电荷的过程叫做充电。 在充电过程中,电路中有短暂的充电电流。 充电后,切断与电源的联系,两个极板上都保存有电荷, 两极板间有电场存在。充电过程中由电源获得的电能储 存在电场中,称为电场能 。 充电: 电源能量电场能。 放电: 充了电的电容器的两极板用导线相连,使两极板上正、 负电荷中和的过程叫做放电。 在放电过程中,从灵敏电流计可以观察到有短暂的放电电流。 放电后,两极板间不存在电场,电场能转化为其它
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- 高中物理 公式 大全 全集 十二 电场
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