电容器与电场中的力学问题

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平行板电容器中介质的受力分析

平行板电容器中介质的受力分析引言: 对于平行板电容器的受力问题，前人大多研究理想情况下平行板电容器的受力，即通过改变电容的大小研究其受力情况。

本文的设想是把电介质放入平行板电容器中电介质在电场的作用下一定会发生变化，必然产生电偶极子，电偶极子在电场中必定会受力，一旦电偶极子受力就会发生位移变化，那么必然存在做功问题，那么就可以从能量角度去分析它的受力，进而得出的两个结果一定是相等的，本文通过例题去检验其确性。

1 介质受力公式的推导（从宏观上理论推导）介质在进入平行板电容器的过程中（假设电量Q 不变），纵向电场使介质极化所做之功转化为介质的极化能，这仍是电容器储能的一部分，根据能量守恒定律，插入介质后电容的静电能应不变，但是由电容器的能量公式W=Q*Q/2C ，当C 增大时，能量却是减少的，矛盾的出现说明我们一定忽略了某些相互作用的存在，为了避开繁琐的力分析，下面，我们将从能量的角度出发，通过数学方法导出平行板电容器中介质的受力的计算公式。

一个平行板电容器，其中部分地充入介质常数为E(p(m),r)(介质常数一般不仅是空间r 的函数，而且还是介质的质量密度p(m)的函数)并且无自由电荷的介质，假设介质沿X 方向作一个无限小位移X ，则电容器的储能变化为22111222W V V vVD EDdV dV EDdVE dV δδδδεε===-⎰⎰⎰⎰ 式(1-1)而 E 0D ρ=-∇Φ∇==则 ()2212VvV VDdv E dV D D E dV δφδδεδδδε=-∇-=-∇Φ+Φ∇-⎡⎤⎣⎦⎰⎰⎰⎰ =2212SvVVDd s dV E dV E dV δδρδεδε-Φ+Φ--⎰⎰⎰⎰ 式(1-2) 其中在无穷大界面的值为零，而介质中已设自由电荷密度为零。

对于介质给定的一个无限小位移0X ，相对于空间的一个固定体积来说，必有：0()m m X vSvdV d s X dV δρρρ=-=-∇•⎰⎰⎰ 式(1-3)则 ()()00,x x m mm m m m ρρεδρρεδερδρ•∇∂∂-=∂∂=•∇=而()dV E X X E V dV X E V M MM M M M V w ⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∇•-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂•∇=•∇∂∂=ρερρρερρεδ200222121 dV E X dV E X s d X E M M V M v m V M M ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∇=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∇•-•⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎰⎰⎰ρερρερρρε202002212121 式(1-4)A 电量Q 恒定当介质位移0X 时，电场对介质作的功等于电容器储能的减少，即2222211()()22m M M M M M M M M M v V F E dV E E E E dVεεεεερρρρρρρρρρ⎡⎤∂∂∂∂∂=∇=∇+∇-∇-∇⎢⎥∂∂∂∂∂⎣⎦⎰⎰B 电压U 恒定电源所作之功一部分转化为电容器的储能，另一部分对介质做功转化为机械能，即有W XF Udq δ-=•-⎰00X F dq U v•-⎰=dV E E X MM V)(21220ρερ∂∂∇•⎰⎰=dC U 2dV E X X F ε∇-•=•-⎰20021举例说明：例1 如图所示图1.1一个平行板电容器，带电量为Q ，宽为b ，长为L ，两级板间的距离为 d ，其中部分地冲入电介质常数为ε 的均匀电介质，求介质所受的力。

电容器,偏转粒子在电场中偏转讲解

答案 C
解析显隐
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规律方法
解电容器问题的常用技巧
(1)在电荷量保持不变的情况下,电场强度与板间的距离无关.
(2)对平行板电容器的有关物理量 Q、E、U、C 进行讨论时，关键在于弄清哪些是变量，哪些是不变量，在变量中哪些是自变量，哪些是因变量，抓住 C＝
4επrkSd、Q＝CU 和 E＝Ud 进行判定即可.
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3．平行板电容器 (1)影响因素：平行板电容器的电容与正对面积成正比，与介质的介电常数成正比，与两板间的距离成反比．
(2)决定式：C＝4επrkSd，k为静电力常量．
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带电粒子在匀强电场中的运动 (考纲要求 Ⅱ )
1.带电粒子在电场中的加速带电粒子沿与电场线平行的方向进入电场，带电粒子将做加(减)速运动．有两种分析方法： (1)用动力学观点分析：a＝qmE，E＝Ud ，v2－v02＝2ad. (2)用功能观点分析：粒子只受电场力作用，电场力做的功等于物体动能的变化，qU＝12mv2－12mv20.
P点有一带电粒子，该粒子从静止开始下落，经过小孔进入电
容器，并在下极板处(未与极板接触)返回．若将下极板向上平
移d/3 ，则从P点开始下落的相同粒子将( )．
A．打到下极板上
B．在下极板处返回
C．在距上极板d/2处返回 D．在距上极板2d/5处返回
1.表明平行板电容器两端电压不变.
审题
2. 电荷的整个下落过程中受几个力作用？各力做功情况怎样？用哪个物理
请完成对应本典例的“跟踪短训”
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热点3 带电粒子在匀强电场中的偏转问题

(江苏专用)2020版高考物理总复习第六章静电场第3讲电容器带电粒子在电场中的运动教案(选修3_1)

第3讲电容器带电粒子在电场中的运动知识排查电容器电容器的电压、电荷量和电容的关系1.电容器(1)组成：由两个彼此绝缘又相互靠近的导体组成。

(2)带电荷量：一个极板所带电荷量的绝对值。

(3)电容器的充、放电充电：使电容器带电的过程，充电后电容器两板带上等量的异种电荷，电容器中储存电场能。

放电：使充电后的电容器失去电荷的过程，放电过程中电场能转化为其他形式的能。

2.电容(1)定义：电容器所带的电荷量Q 与电容器两极板间的电势差U 的比值。

(2)定义式：C ＝Q U。

(3)物理意义：表示电容器容纳电荷本领大小的物理量。

(4)单位：法拉(F) 1 F ＝106μF ＝1012pF 3.平行板电容器的电容(1)影响因素：平行板电容器的电容与极板的正对面积成正比，与电介质的相对介电常数成正比，与极板间距离成反比。

(2)决定式：C ＝εr S 4πkd，k 为静电力常量。

带电粒子在匀强电场中的运动1.带电粒子在电场中的加速(1)动力学观点分析：若电场为匀强电场，则有a ＝qE m ，E ＝U d，v 2－v 20＝2ad 。

(2)功能观点分析：粒子只受电场力作用，满足qU ＝12mv 2－12mv 20。

2.带电粒子在匀强电场中的偏转(1)条件：以速度v 0垂直于电场线方向飞入匀强电场，仅受电场力。

(2)运动性质：类平抛运动。

(3)处理方法：运动的合成与分解。

①沿初速度方向：做匀速直线运动。

②沿电场方向：做初速度为零的匀加速直线运动。

小题速练1.思考判断(1)电容器所带的电荷量是指每个极板所带电荷量的代数和。

( ) (2)电容器的电容与电容器所带电荷量成正比。

( ) (3)放电后的电容器电荷量为零，电容也为零。

( ) (4)带电粒子在匀强电场中只能做类平抛运动。

( )(5)带电粒子在电场中，只受电场力时，也可以做匀速圆周运动。

( ) (6)公式C ＝εr S4πkd 可用来计算任何电容器的电容。

应用力学规律解决电场相关的运动与能量问题

应用力学规律解决电场相关的运动与能量问题在物理学科内，电学与力学结合最紧密，电学知识又是与实际问题及现代科技联系最多的内容。

在高考中，最复杂的题目往往是力电综合题。

今天我们研究以带电粒子在电场中为模型的电学与力学的综合问题，运用的基本规律主要是力学部分的。

解决好力电综合题目的关键：一是明确电学知识的基本概念、基本性质；二是正确应用力学的基本规律；三是迁移力学知识中灵活多变的方法。

一. 电场中的基本概念、基本性质1. 力的角度：电场力：F= Eq F= kQ 1Q 2 / r 2电场强度：E= F/q E= kQ/ r 2 E=U/d2. 能的角度：电势差：U AB = W AB /q B A AB U ϕϕ-= U=Ed电场力做功：W AB = qU AB W = Fscos θ电势能：ϕϕq E =功能关系：B A AB E E E W ϕϕϕ-=∆-=二. 应用的主要力学规律1. 力的瞬时作用：对物体（质点），牛顿第二定律F 合=ma2. 力的空间积累作用：对物体（质点），动能定理W 总=ΔE k =E k2 –E k1；只有重力或系统内弹力做功时，机械能守恒定律E 2=E 1即E k2+E p2=E k1+E p13. 力的时间积累作用：对物体（质点），动量定理I 合=Δp= p ′-p ；对系统所受外力的合力为零时，动量守恒定律m 1v 1′+m 2v 2′=m 1v 1+m 2v 2三. 基本解题思路1. 认真审题，弄清题意。

（前提）2. 确定研究对象，受力分析、运动分析、做功分析、过程分析（不变量、变量、关联量）。

（关键）3. 明确解题途径，正确运用规律。

（核心）4. 回顾解题过程，分析解题结果。

（保证）四. 解题的三条基本途径和优选策略1. 力与运动的观点：受力分析、牛顿运动定律与运动学规律运动学规律：静止，匀速直线规律，匀变速直线运动规律，匀变速曲线运动规律（运动的合成与分解、平抛运动），圆周运动规律（以点电荷为圆心运动或受装置约束运动），带电粒子在交变电场中周期性运动及往复运动。

2020年高三物理复习教案：第七章第3讲电容器和电容带电粒子在电场中的运动

第3讲电容器和电容带电粒子在电场中的运动见学生用书P110微知识1 电容器及电容1．电容器(1)组成：两个彼此绝缘且又相互靠近的导体组成电容器，电容器可以容纳电荷。

(2)所带电荷量：一个极板所带电荷量的绝对值，两极板所带电荷量相等。

(3)充、放电①充电：把电容器接在电源上后，电容器两个极板分别带上等量异号电荷的过程，充电后两极间存在电场，电容器储存了电能。

②放电：用导线将充电后电容器的两极板接通，极板上电荷中和的过程，放电后的两极板间不再有电场，同时电场能转化为其他形式的能。

2．电容(1)定义：电容器所带的电荷量与两极板间电势差的比值。

(2)公式：C＝QU＝ΔQ ΔU。

(3)物理意义：电容是描述电容器容纳电荷本领大小的物理量，在数值上等于把电容器两极板的电势差增加1 V所需充加的电荷量，电容C由电容器本身的构造因素决定，与U、Q无关。

(4)单位：法拉，符号F，与其他单位间的换算关系：1 F＝106μF＝1012pF。

3．平行板电容器的电容平行板电容器的电容与平行板正对面积S、电介质的介电常数εr成正比，与极板间距离d 成反比，即C ＝εr S 4πkd 。

微知识2 带电粒子在电场中的加速和偏转 1．带电粒子在电场中的加速 (1)运动状态的分析：带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场，受到的电场力与运动方向在同一条直线上，做匀变速直线运动。

(2)用功能观点分析：电场力对带电粒子做的功等于带电粒子动能的增量，即qU ＝12m v 2－12m v 20。

2．带电粒子的偏转(1)运动状态：带电粒子受到恒定的与初速度方向垂直的电场力作用而做类平抛运动。

(2)处理方法：类似于平抛运动的处理方法①沿初速度方向为匀速运动，运动时间t ＝l v 0。

②沿电场力方向为匀加速运动，a ＝F m ＝qE m ＝qU md 。

③离开电场时的偏移量y ＝12at 2＝ql 2U 2m v 20d。

④离开电场时的偏转角tan θ＝v ⊥v 0＝qlU m v 20d。

高考试题解析选修3-1第七章第3讲电容器带电粒子在电场中的运动

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【拓展2】 (多选)若水平放置接有恒压电源的平行金属板内部空间有一带电粒子P恰能静止，同时下极板接地，当将上极板向右移动一小段距离时，则下列说法正确的是( ) A．电容器所带电荷量保持不变 B．极板间的电场强度保持不变 C．粒子所在初位置的电势能保持不变 D．粒子将加速向下运动
图7
a、b间的相互作用和重力可忽略。下列说法正确的是( )
A．a的质量比b的大 B．在t时刻，a的动能比b的大 C．在t时刻，a和b的电势能相等 D．在t时刻，a和b的动量大小相等
27
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解析两微粒只受电场力 qE 作用且两电场力大小相等，由 x＝12at2 知微粒 a 的加速度大，由 qE＝ma 知微粒 a 的质量小，A 错误；由动能定理 qEx＝Ek 得，位移 x 大的动能大，B 正确；在同一等势面上，a、b 两微粒电荷量虽相等，但电性相反，故在 t 时刻，a、b 的电势能不相等，C 错误；由动量定理 qEt＝mv 得，在 t 时刻，a、 b 的动量大小相等，D 正确。答案 BD
放电：使充电后的电容器失去电荷的过程，放电过程中_电__场__能_转化为其他形式的能。
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2．电容 (1)定义：电容器所带的___电__荷__量__Q___与电容器两极板间的电势差U的比值。 Q (2)定义式：C＝___U______。 (3)物理意义：表示电容器_容__纳__电__荷_____本领大小的物理量。 (4)单位：法拉(F)，1 F＝__1_0_6__ μF＝1012 pF

2020年高考物理一轮复习热点题型归纳与变式演练专题20 电容器、带电粒子在电场中的运动(原卷版)

2020届高考物理一轮复习热点题型归纳与变式演练专题20 电容器、带电粒子在电场中的运动【专题导航】目录热点题型一平行板电容器及其动态分析问题 (1)U 不变时电容器的动态分析............................................................................................................................... 2 Q 不变时电容器的动态分析............................................................................................................................... 2 平行板电容器中带电粒子的问题分析 .............................................................................................................. 3 热点二带电粒子在电场中的直线运动 (4)电容器中直线运动 .............................................................................................................................................. 4 带电粒子在匀强电场中的直线运动 .................................................................................................................. 4 带电粒子在交变电场中的直线运动 .................................................................................................................. 5 热点题型三带电粒子在电场中的偏转运动 .......................................................................................................... 6 热点题型四带电粒子在交变电场中的运动 . (7)粒子做直线往返运动 .......................................................................................................................................... 8 粒子做偏转运动问题 .......................................................................................................................................... 9 热点题型五带电体在电场、重力场中的运动 . (10)带电体在电场、重力场中运动的动力学问题 ................................................................................................. 10 带电体在电场、重力场中运动的动量和能量问题 ......................................................................................... 11 【题型演练】 (11)【题型归纳】热点题型一平行板电容器及其动态分析问题 1．分析思路(1)先确定是Q 还是U 不变：电容器保持与电源连接，U 不变；电容器充电后与电源断开，Q 不变． (2)用决定式C ＝εr S 4πkd确定电容器电容的变化．(3)用定义式C ＝QU判定电容器所带电荷量Q 或两极板间电压U 的变化．(4)用E ＝Ud 分析电容器极板间场强的变化．2．两类动态变化问题的比较U 不变时电容器的动态分析【例1】(2019·湖南长沙模拟)利用电容传感器可检测矿井渗水，及时发出安全警报，从而避免事故的发生；如图所示是一种通过测量电容器电容的变化来检测矿井中液面高低的仪器原理图，A 为固定的导体芯，B 为导体芯外面的一层绝缘物质，C 为导电液体(矿井中含有杂质的水)，A 、C 构成电容器．已知灵敏电流表G 的指针偏转方向与电流方向的关系：电流从哪侧流入电流表则电流表指针向哪侧偏转．若矿井渗水(导电液体深度增大)，则电流表( )A ．指针向右偏转，A 、C 构成的电容器充电B ．指针向左偏转，A 、C 构成的电容器充电 C ．指针向右偏转，A 、C 构成的电容器放电D ．指针向左偏转，A 、C 构成的电容器放电【变式】一平行板电容器两极板之间充满云母介质，接在恒压直流电源上．若将云母介质移出，则电容器( )A ．极板上的电荷量变大，极板间电场强度变大B ．极板上的电荷量变小，极板间电场强度变大C ．极板上的电荷量变大，极板间电场强度不变D ．极板上的电荷量变小，极板间电场强度不变 Q 不变时电容器的动态分析【例2】如图所示，平行板电容器带有等量异种电荷，与静电计相连，静电计金属外壳和电容器下极板都接地．在两极板间有一个固定在P 点的点电荷，以E 表示两板间的电场强度，E p 表示点电荷在P 点的电势能，θ表示静电计指针的偏角．若保持下极板不动，将上极板向下移动一小段距离至图中虚线位置，则( )A．θ增大，E增大B．θ增大，E p不变C．θ减小，E p增大 D ．θ减小，E不变【变式】(2019·西北师大附中模拟)如图所示，平行板电容器充电后与电源断开，正极板接地，两板间有一个带负电的试探电荷固定在P点．静电计的金属球与电容器的负极板连接，外壳接地．以E表示两板间的场强，φ表示P点的电势，E P表示该试探电荷在P点的电势能，θ表示静电计指针的偏角．若保持负极板将正极板缓慢向右平移一小段距离(静电计带电量可忽略不计)，各物理量变化情况描述正确的是()A．E增大，φ降低，E P减小，θ增大B．E不变，φ降低，E P增大，θ减小C．E不变，φ升高，E P减小，θ减小D．E减小，φ升高，E P减小，θ减小平行板电容器中带电粒子的问题分析【例3】(2018·高考全国卷Ⅲ)如图，一平行板电容器连接在直流电源上，电容器的极板水平；两微粒a、b 所带电荷量大小相等、符号相反，使它们分别静止于电容器的上、下极板附近，与极板距离相等．现同时释放a、b，它们由静止开始运动，在随后的某时刻t，a、b经过电容器两极板间下半区域的同一水平面，a、b间的相互作用和重力可忽略．下列说法正确的是()A．a的质量比b的大B．在t时刻，a的动能比b的大C．在t时刻，a和b的电势能相等D．在t时刻，a和b的动量大小相等【变式】如图所示，一种β射线管由平行金属板A、B和平行于金属板的细管C组成．放射源O在A极板左端，可以向各个方向发射不同速度、质量为m的β粒子(电子)．若极板长为L，间距为d，当A、B板加上电压U时，只有某一速度的β粒子能从细管C水平射出，细管C离两板等距．已知元电荷为e，则从放射源O发射出的β粒子的这一速度为()A.2eU mB.Ld eU m C.1deU d 2＋L 2m D.LdeU2m热点二带电粒子在电场中的直线运动 1．用动力学观点分析 a ＝F 合m ，E ＝Ud ，v 2－v 20＝2ad 2．用功能观点分析匀强电场中：W ＝qEd ＝qU ＝12mv 2－12mv 20非匀强电场中：W ＝qU ＝E k2－E k1 电容器中直线运动【例4】(多选)(2019·株洲检测)如图所示，在真空中倾斜平行放置着两块带有等量异号电荷的金属板A 、B ，板与水平方向的夹角为θ，一个电荷量q ＝1.41×10－4 C 、质量m ＝1 g 的带电小球，自A 板上的孔P 以水平速度v 0＝0.1 m/s 飞入两板之间的电场，经0.02 s 后未与B 板相碰又回到孔P ，g 取10 m/s 2，则( )A ．板间电场强度大小为100 V/mB ．板间电场强度大小为141 V/mC ．板与水平方向的夹角θ＝30°D ．板与水平方向的夹角θ＝45°【变式】如图所示，电子由静止开始从A 板向B 板运动，到达B 板的速度为v ，保持两板间电压不变，则( )A ．当减小两板间的距离时，速度v 增大B ．当减小两板间的距离时，速度v 减小C ．当减小两板间的距离时，速度v 不变D ．当减小两板间的距离时，电子在两板间运动的时间变长带电粒子在匀强电场中的直线运动【例5】如图所示，三块平行放置的带电金属薄板A 、B 、C 中央各有一小孔，小孔分别位于O 、M 、P 点．由O 点静止释放的电子恰好能运动到P 点．现将C 板向右平移到P ′点，则由O 点静止释放的电子( )A ．运动到P 点返回B ．运动到P 和P ′点之间返回C ．运动到P ′点返回D ．穿过P ′点【变式】如图所示，一带正电的小球向右水平抛入范围足够大的匀强电场，电场方向水平向左．不计空气阻力，则小球( )A ．做直线运动B ．做曲线运动C ．速率先减小后增大D ．速率先增大后减小带电粒子在交变电场中的直线运动【例6】．如图甲所示，A 板电势为0，A 板中间有一小孔，B 板的电势变化情况如图乙所示，一质量为m 、电荷量为q 的带负电粒子在t ＝T4时刻以初速度为0从A 板上的小孔处进入两极板间，仅在电场力作用下开始运动，恰好到达B 板．则( )A ．A 、B 两板间的距离为qU 0T 28mB ．粒子在两板间的最大速度为 qU 0mC ．粒子在两板间做匀加速直线运动D ．若粒子在t ＝T8时刻进入两极板间，它将时而向B 板运动，时而向A 板运动，最终打向B 板【变式】如图(a)所示，两平行正对的金属板A 、B 间加有如图(b)所示的交变电压，一重力可忽略不计的带正电粒子被固定在两板的正中间P 处．若在t 0时刻释放该粒子，粒子会时而向A 板运动，时而向B 板运动，并最终打在A 板上．则t 0可能属于的时间段是( )A ．0＜t 0＜T 4 B.T 2＜t 0＜3T 4 C.3T 4＜t 0＜T D ．T ＜t 0＜9T8热点题型三带电粒子在电场中的偏转运动 1．带电粒子在电场中的偏转规律2．处理带电粒子的偏转问题的方法 (1)运动的分解法一般用分解的思想来处理，即将带电粒子的运动分解为沿电场力方向上的匀加速直线运动和垂直电场力方向上的匀速直线运动． (2)功能关系当讨论带电粒子的末速度v 时也可以从能量的角度进行求解：qU y ＝12mv 2－12mv 20，其中U y ＝Ud y ，指初、末位置间的电势差．3.计算粒子打到屏上的位置离屏中心的距离的方法 (1)y ＝y 0＋L tan θ(L 为屏到偏转电场的水平距离)； (2)y ＝(l2＋L )tan θ(l 为电场宽度)；(3)y ＝y 0＋v y ·Lv 0；(4)根据三角形相似y y 0＝l 2＋L l2.【例6】(2019·江西吉安一中段考)如图所示，虚线MN 左侧有一场强为E 1＝E 的匀强电场，在两条平行的虚线MN 和PQ 之间存在着宽为L 、电场强度为E 2＝2E 的匀强电场，在虚线PQ 右侧相距为L 处有一与电场 E 2平行的屏．现将一电子(电荷量为e ，质量为m ，不计重力)无初速度地放入电场E 1中的A 点，A 点到MN 的距离为L2，最后电子打在右侧的屏上，AO 连线与屏垂直，垂足为O ，求：(1)电子从释放到打到屏上所用的时间t；(2)电子刚射出电场E2时的速度方向与AO连线夹角θ的正切值tan θ；(3)电子打到屏上的点P′(图中未标出)到点O的距离x.【变式1】如图所示，在竖直放置的平行金属板A、B之间加上恒定电压U，A、B两板的中央留有小孔O1、O2，在B的右侧有平行于极板的匀强电场E，电场范围足够大，感光板MN垂直于电场方向放置，第一次从小孔O1处从静止释放一个质子11H，第二次从小孔O1处从静止释放一个α粒子24He，关于这两个粒子在电场中运动的判断正确的是()A．质子和α粒子打到感光板上时的速度之比为2∶1 B．质子和α粒子在电场中运动的时间相同C．质子和α粒子打到感光板上时的动能之比为1∶2 D．质子和α粒子在电场中运动的轨迹重叠在一起【变式2】(2019·洛阳一模)如图所示，氕核、氘核、氚核三种粒子从同一位置无初速地飘入电场线水平向右的加速电场E1之后进入电场线竖直向下的匀强电场E2发生偏转，最后打在屏上．整个装置处于真空中，不计粒子重力及其相互作用，那么()A．偏转电场E2对三种粒子做功一样多B．三种粒子打到屏上时的速度一样大C．三种粒子运动到屏上所用时间相同D．三种粒子一定打到屏上的同一位置热点题型四带电粒子在交变电场中的运动1．常见的交变电场常见的产生交变电场的电压波形有方形波、锯齿波、正弦波等．2．常见的试题类型此类题型一般有三种情况：(1)粒子做单向直线运动(一般用牛顿运动定律求解)． (2)粒子做往返运动(一般分段研究)．(3)粒子做偏转运动(一般根据交变电场特点分段研究)． 3．解答带电粒子在交变电场中运动的思维方法(1)注重全面分析(分析受力特点和运动规律)，抓住粒子的运动具有周期性和在空间上具有对称性的特征，求解粒子运动过程中的速度、位移、做功或确定与物理过程相关的边界条件．(2)分析时从两条思路出发：一是力和运动的关系，根据牛顿第二定律及运动学规律分析；二是功能关系． (3)注意对称性和周期性变化关系的应用．粒子做直线往返运动利用速度图象分析带电粒子的运动过程时的注意事项 (1)带电粒子进入电场的时刻； (2)速度图象的切线斜率表示加速度；(3)图线与坐标轴围成的面积表示位移，且在横轴上方所围成的面积为正，在横轴下方所围成的面积为负； (4)注意对称性和周期性变化关系的应用；(5)图线与横轴有交点，表示此时速度改变方向，对运动很复杂、不容易画出速度图象的问题，还应逐段分析求解．【例7】如图(a)所示，两平行正对的金属板A 、B 间加有如图(b)所示的交变电压，一重力可忽略不计的带正电粒子被固定在两板的正中间P 处．若在t 0时刻释放该粒子，粒子会时而向A 板运动，时而向B 板运动，并最终打在A 板上．则t 0可能属于的时间段是( )A ．0＜t 0＜T 4 B.T 2＜t 0＜3T 4 C.3T 4＜t 0＜T D ．T ＜t 0＜9T 8【变式】制备纳米薄膜装置的工作电极可简化为真空中间距为d 的两平行极板，如图甲所示．加在极板A 、 B 间的电压U AB 做周期性变化，其正向电压为U 0，反向电压为－kU 0(k >1)，电压变化的周期为2τ，如图乙所示．在t ＝0时，极板B 附近的一个电子，质量为m 、电荷量为e ，受电场作用由静止开始运动．若整个运动过程中，电子未碰到极板A ，且不考虑重力作用．若k ＝54，电子在0～2τ时间内不能到达极板A ，求d 应满足的条件．粒子做偏转运动问题交变电压的周期性变化，势必会引起带电粒子的某个运动过程和某些物理量的周期性变化，所以应注意： (1)分过程解决．“一个周期”往往是我们的最佳选择．(2)建立模型．带电粒子的运动过程往往能在力学中找到它的类似模型．(3)正确的运动分析和受力分析：合力的变化影响粒子的加速度(大小、方向)变化，而物体的运动性质则由加速度和速度的方向关系确定．【例8】(2019·福建厦门一中期中)相距很近的平行板电容器，在两板中心各开有一个小孔，如图甲所示，靠近A 板的小孔处有一电子枪，能够持续均匀地发射出电子，电子的初速度为v 0，质量为m ，电荷量为－e ，在A 、B 两板之间加上如图乙所示的交变电压，其中0＜k ＜1，U 0＝mv 206e ；紧靠B 板的偏转电压也等于U 0，板长为L ，两极板间距为d ，距偏转极板右端L2处垂直放置很大的荧光屏PQ ，不计电子的重力和它们之间的相互作用，电子在电容器中的运动时间可以忽略不计．(1)试求在0～kT 与kT ～T 时间内射出B 板电子的速度各是多大？(2)在0～T 时间内，荧光屏上有两个位置会发光，试求这两个发光点之间的距离．(结果用L 、d 表示) 【变式】如图甲所示，两水平金属板间距为d ，板间电场强度的变化规律如图乙所示．t ＝0时刻，质量为m 的带电微粒以初速度v 0沿中线射入两板间，0～T3时间内微粒匀速运动，T 时刻微粒恰好经金属板边缘飞出．微粒运动过程中未与金属板接触．重力加速度的大小为g .关于微粒在0～T 时间内运动的描述，正确的是( )甲乙 A ．末速度大小为 2v 0 B ．末速度沿水平方向 C ．重力势能减少了12mgdD ．克服电场力做功为mgd热点题型五带电体在电场、重力场中的运动带电体在电场、重力场中运动的动力学问题 1．等效重力法将重力与电场力进行合成，如图所示，则F 合为等效重力场中的“重力”，g ′＝F 合m为等效重力场中的“等效重力加速度”，F 合的方向等效为“重力”的方向，即在等效重力场中的竖直向下方向． 2．物理最高点与几何最高点在“等效力场”中做圆周运动的小球，经常遇到小球在竖直平面内做圆周运动的临界速度问题．小球能维持圆周运动的条件是能过最高点，而这里的最高点不一定是几何最高点，而应是物理最高点．几何最高点是图形中所画圆的最上端，是符合人眼视觉习惯的最高点．而物理最高点是物体在圆周运动过程中速度最小(称为临界速度)的点．【例9】(2019·福建厦门一中期中)如图，光滑斜面倾角为37°，一质量m ＝10 g 、电荷量q ＝＋1×10－6 C 的小物块置于斜面上，当加上水平向右的匀强电场时，该物体恰能静止在斜面上，g 取10 m/s 2，求：(1)该电场的电场强度；(2)若电场强度变为原来的12，小物块运动的加速度大小； (3)在(2)前提下，当小物块沿斜面下滑L ＝23m 时，机械能的改变量．带电体在电场、重力场中运动的动量和能量问题动量、能量关系在电学中应用的题目，一般过程复杂且涉及多种性质不同的力．因此，通过审题，抓住受力分析和运动过程分析是关键，然后根据不同的运动过程中各力做功的特点来选择相应规律求解．动能定理和能量守恒定律在处理电场中能量问题时仍是首选．【例10】如图所示，LMN 是竖直平面内固定的光滑绝缘轨道，MN 水平且足够长，LM 下端与MN 相切．质量为m 的带正电小球B 静止在水平面上，质量为2m 的带正电小球A 从LM 上距水平面高为h 处由静止释放，在A 球进入水平轨道之前，由于A 、B 两球相距较远，相互作用力可认为零，A 球进入水平轨道后，A 、 B 两球间相互作用视为静电作用，带电小球均可视为质点．已知A 、B 两球始终没有接触．重力加速度为g . 求：(1)A 球刚进入水平轨道的速度大小；(2)A 、B 两球相距最近时，A 、B 两球系统的电势能E p ；(3)A 、B 两球最终的速度v A 、v B 的大小．【题型演练】1．(多选)(2019·湖北六校联考)一带电小球在空中由A 点运动到B 点的过程中，只受重力、电场力和空气阻力三个力的作用．若重力势能增加5 J ，机械能增加1.5 J ，电场力做功2 J ，则小球( )A ．重力做功为5 JB ．电势能减少2 JC ．空气阻力做功0.5 JD ．动能减少3.5 J 2．(多选)(2016·高考全国卷Ⅰ)如图，一带负电荷的油滴在匀强电场中运动，其轨迹在竖直平面(纸面)内，且相对于过轨迹最低点P 的竖直线对称．忽略空气阻力．由此可知 ( )A ．Q 点的电势比P 点高B ．油滴在Q 点的动能比它在P 点的大C ．油滴在Q 点的电势能比它在P 点的大D ．油滴在Q 点的加速度大小比它在P 点的小3．(多选)如图所示为匀强电场的电场强度E随时间t变化的图象．当t＝0时，在此匀强电场中由静止释放一个带电粒子，设带电粒子只受电场力的作用，则下列说法中正确的是()A．带电粒子将始终向同一个方向运动B．2 s末带电粒子回到原出发点C．3 s末带电粒子的速度为零D．0～3 s内，电场力做的总功为零4.(2019·贵州三校联考)在地面附近，存在着一个有界电场，边界MN将空间分成左、右两个区域，在右区域中有水平向左的匀强电场，在右区域中离边界MN某一位置的水平地面上由静止释放一个质量为m的带电滑块(滑块的电荷量始终不变)，如图甲所示，滑块运动的v－t图象如图乙所示，不计空气阻力，则()A．滑块在MN右边运动的位移大小与在MN左边运动的位移大小相等B．在t＝5 s时，滑块经过边界MNC．滑块受到的滑动摩擦力与电场力之比为2∶5D．在滑块运动的整个过程中，滑动摩擦力做的功小于电场力做的功5.(2019·湖北孝感模拟)静电计是在验电器的基础上制成的，用其指针张角的大小来定性显示其金属球与外壳之间的电势差大小．如图所示，A、B是平行板电容器的两个金属板，D为静电计，开始时开关S闭合，静电计指针张开一定角度，为了使指针张开的角度减小些，下列采取的措施可行的是()A．断开开关S后，将A、B两极板分开B．断开开关S后，增大A、B两极板的正对面积C．保持开关S闭合，将A、B两极板靠近些D．保持开关S闭合，将滑动变阻器的滑片向右移动6.(2019·福建龙岩模拟)如图，带电粒子P所带的电荷量是带电粒子Q的5倍，它们以相等的速度v0从同一点出发，沿着跟电场强度垂直的方向射入匀强电场，分别打在M、N点，若OM＝MN，则P和Q的质量之比为(不计重力)()A．2∶5 B．5∶2 C．4∶5 D．5∶47.如图所示，在竖直向上的匀强电场中，一根不可伸长的绝缘细绳的一端系着一个带电小球，另一端固定于O点，小球在竖直平面内做匀速圆周运动，最高点为a，最低点为b.不计空气阻力，则下列说法正确的()A．小球带负电B．电场力跟重力平衡C．小球在从a点运动到b点的过程中，电势能减小D．小球在运动过程中机械能守恒8.如图所示，第一象限中有沿x轴的正方向的匀强电场，第二象限中有沿y轴负方向的匀强电场，两电场的电场强度大小相等．一个质量为m，电荷量为－q的带电质点以初速度v0从x轴上P(－L，0)点射入第二象限，已知带电质点在第一和第二象限中都做直线运动，并且能够连续两次通过y轴上的同一个点Q(未画出)，重力加速度g为已知量．求：(1)初速度v0与x轴正方向的夹角；(2)P、Q两点间的电势差U PQ；(3)带电质点在第一象限中运动所用的时间．9.(2019·安徽合肥模拟)如图甲所示，A、B是两块水平放置的足够长的平行金属板，组成偏转匀强电场，B 板接地，A板电势φA随时间变化的情况如图乙所示，C、D两平行金属板竖直放置，中间有两正对小孔O1′和O2，两板间电压为U2，组成减速电场．现有一带负电粒子在t＝0时刻以一定初速度沿A、B两板间的中轴线O1O1′进入，并能从O1′沿O1′O2进入C、D间．已知带电粒子带电荷量为－q，质量为m，(不计粒子重力)求：(1)该粒子进入A、B间的初速度v0为多大时，粒子刚好能到达O2孔；(2)在(1)的条件下，A、B两板长度的最小值；(3)A、B两板间距的最小值．10.(2019·河南南阳一中模拟)如图所示，质量为m、电荷量为e的电子，从A点以速度v0垂直于电场方向射入一个电场强度为E的匀强电场中，从B点射出电场时的速度方向与电场线成120°角，电子重力不计．求：(1)电子在电场中的加速度大小a及电子在B点的速度大小v B；(2)A、B两点间的电势差U AB；(3)电子从A运动到B的时间t AB.。

第3讲电容器带电粒子在电场中的运动

(√)
(6)我们能在手机屏幕上看到各种各样的信息是因为电子束高速撞击荧光屏得
到的。
(×)
提能点(一) 平行板电容器的动态分析(自练通关)
点点通
1．[与电源断开]
有一平行板电容器充电后与电源断开，A 极板带电荷量为＋ 4×10－6 C，B 极板带电荷量为－4×10－6 C，电容器的电容为 2 μF，下列
mg＋qUd′＝ma2
则 PQ 两板电压 U′＝3m2qgd 电场方向向下，所以 P 板电势高，故 PQ 两板电压满足：
UPQ′≥3m2qgd。
答案：(1)－9m4qg′≥3m2qgd
[方法规律]
带电体在电场中直线运动的分析方法
提能点(三) 带电粒子(体)的偏转(题点精研) 1．运动规律 (1)沿初速度方向做匀速直线运动，运动时间
作用力可忽略，不计重力，则以下说法正确的是
()
A．电荷量 q1 与 q2 的比值为 3∶7 B．电荷量 q1 与 q2 的比值为 3∶4
C．粒子 A、B 通过平面 Q 时的速度之比为 9∶16
D．粒子 A、B 通过平面 Q 时的速度之比为 3∶7
解析：设电场强度大小为 E，两粒子的运动时间相同，对粒子 A 有：a1＝qm1E， 37l＝12·qm1E·t2，对粒子 B 有：a2＝qm2E，47l＝12·qm2E·t2，联立解得：qq12＝34，A 错误， B 正确。由动能定理 qEx＝12mv2－0，求得：vv12＝34，选项 C、D 错误。答案：B
与电容器是否带电及两极板间是否存在电压无关。
3．平行板电容器的电容 (1)决定因素：正对面积，相对介电常数，两板间的距离。
εrS (2)决定式：C＝ 4πkd 。
二、带电粒子在电场中的运动 1．加速 (1)在匀强电场中，W＝ qEd ＝qU＝12mv2－12mv20。 (2)在非匀强电场中，W＝qU ＝12mv2－12mv20。

高考物理一轮复习静电场第3讲电容器和电容带电粒子在电场中的运动课件教科版选修31

3．一个带电小球，用细绳悬挂在水平方向的匀强电场中，当
小球静止后把悬绳烧断，小球将做
( )．
A．自由落体运动
B．匀变速曲线运动方向
C．沿悬绳的延长线方向做匀加速直线运动
D．变加速直线运动
解析重力和电场力均为恒力，合力方向与细绳的拉力方
向相反，大小与细绳的拉力大小相等．剪断细绳后小球初
速度为零，合力恒定，故做匀加速直线运动，正确答案为C.
2．带பைடு நூலகம்粒子在匀强电场中的偏转
(1)研究条件：带电粒子垂直于电场方向进入匀强电场．
(2)处理方法：类似于平抛运动，应用运动的_合__成__与__分__解__
的方法．
①沿初速度方向做_匀__速__直__线__运动，运动时间t＝ ②沿电场力方向，做_匀__加__速__直__线__运动
l v0
示波管 Ⅰ(考纲要求) 1. 构造：(1)_电__子__枪__，(2) _偏__转__电__极__，(3) _荧__光__屏__ 2．工作原理(如图6－3－1所示)
考点二带电体在匀强电场中做直线运动问题的分析
首先对带电粒子进行受力分析，弄清带电粒子的运动状态，然后再选用恰当的物理规律求解．如果应用牛顿运动定律，要弄清带电粒子的受力情况和运动情况，再灵活运用运动学公式求解；如果运用动能定理，关键要弄清带电粒子的初、末状态及哪些力做功．
【典例2】
(2012·济南模拟)如图6－3－6所示，一带电荷量为＋q、质量为m的小物块处于一倾角为37°的光滑斜面上，当整个装置被置于一水平向右的匀强电场中，小物块恰好静止．重力加速度取g，图6－3－6 sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8.求： (1)水平向右电场的电场强度； (2)若将电场强度减小为原来的12，物块的加速度是多大； (3)电场强度变化后物块下滑距离L时的动能．

高考中有关平行板电容器的典型问题赏析

高考中有关平行板电容器的典型问题赏析问题1：电容器的两类基本问题讨论平行板电容器的两类基本问题是：（1）若两极板保持与电源相连，则两极板间电压U不变时，去讨论其它物理量的变化情况；（2）若电容器充电后断开电源，则电容器两极板所带的电荷量Q不变时，去讨论其它物理量的变化情况。

解决此类问题的关键要抓住三个基本关系式：，，。

例1．（2008年重庆理综）如图1所示是某同学设计的电容式速度传感器原理图，其中上板为固定极板，下板为待测物体，在两极板间电压恒定的条件下，极板上所带电量Q将随待测物体的上下运动而变化。

若Q随时间t的变化关系为（a、b为大于零的常数），其图象如图2所示，那么图3、图4中反映极板间场强大小E和物体速率v随t变化的图线可能是（）A．①和③B．①和④C．②和③D．②和④解析：平行板电容器上电压U不变。

上板固定下板上下移动，由得，由，得。

所以E—t图线与Q—t图线形状相似。

电容器两板距离，则经时间内，速度，即v与t无关。

因此C项正确，A、B、D项错误。

例2．（2008年宁夏理综）如图5所示，C为中间插有电介质的电容器，a 和b为其两极板，a板接地；P和Q为两竖直放置的平行金属板，在两板间用绝缘线悬挂一带电小球；P板与b板用导线相连，Q板接地。

开始时悬线静止在竖直方向，在b板带电后，悬线偏转了角度α。

在以下方法中，能使悬线的偏角α变大的是（）A．缩小a、b间的距离B．加大a、b间的距离C．取出a、b两极板间的电介质D．换一块形状大小相同、介电常数更大的电介质解析：电容器C带电量不变，a、Q两板均接地，电势为零，b、P两板电势相等。

当ab间距离缩小时，电容器C的电容变大，电压U变小。

即b、P两板电势减小，P、Q间电压减小，电场强度E减小，悬线偏角减小，所以A错误，B正确。

取出a、b两极板间电介质时，电容器C的电容变小，电压U变大，悬线偏角增大，所以C正确。

当换一块介电常数更大的电介质时，电容器C的电容变大，电压U变小，悬线偏角减小，所以D错误。

电场中常见题型1

电场中常见题型一、库仑力作用下的平衡问题：两大夹一小，两同夹一异1、1q 、2q 、3q 分别表示在一条直线上的三个点电荷，已知1q 和2q 之间的距离为1l 、2q 和3q之间的距离为2l ，且每一个电荷均处于平衡状态（1）如2q 为正电荷，则1q 为电荷，3q 为电荷（2）1q 、2q 、3q 三者电量大小之比是：：二、电场的叠加问题2、用金属丝AB 弯成半径为r=1m 的圆弧，但在AB 之间留出宽度为d=2cm 、相对来说很小的间隙，将电荷量Q=93.1310C -⨯的正电荷均匀分布在金属球上，求圆心O 处的电场强度3、如图带正电的金属圆环竖直放置，其中心处有一个电子，若电子某一时刻以初速度从圆环中心水平向右运动，此后电子将 A 做匀速直线运动 B 做匀减速直线运动 C 做匀加速直线运动D 以圆心为平衡位置做往复运动三、电场线与带电粒子的运动4、实线为匀强电场的电场线，虚线是某一带电粒子的运动轨迹A B 为轨迹上的两点若带电粒子只受电场力则下列说法不正确的是A 带电粒子带负电B 带电粒子带正电C 带电粒子所受电场力方向与电场方向相反D 带电粒子做匀速运动E 带电粒子在A 点的速度大于在B 点的速度F 带电粒子在A 点的电势能大于在B 点的电势能5、A 、B 是电场线上的两点，一带负电的粒子仅在电场力的作用下以一定的初速度从A 点沿电场线运动到B 点，其速度----时间图像如图所示，则这一电场可能是6、一负电荷处于如图所示的电场中的P 点，若将该电荷静止释放，则该电荷的速度----时间图像是下列那一个四、带电粒子在电场中的力学问题7、两个带等量异种电荷的小球用绝缘细绳相连后悬吊在匀强电场中，当两球处于平衡时应是8、在电场强度为E 的匀强电场中，有质量为m 、2m 、3m 的三个绝缘小球A 、B 、C ，其中B 带+Q 电荷量，A 、C 不带电，绝缘细绳将他们相连，三球处于静止状态则AB 间的张力1T F ，BC 间的张力2T F 。

电容器实验观察电容器的充、放电现象带电粒子在电场中的直线运动 2023年高考物理一轮复习

3.用功能观点分析匀强电场中：W＝Eqd＝qU＝12mv2－12mv02 非匀强电场中：W＝qU＝Ek2－Ek1
例6 如图所示，一充电后的平行板电容器的两极板相距l.在正极板附近
有一质量为M、电荷量为q(q>0)的粒子；在负极板有另一质量为m、电荷
量为－q的粒子.在静电力的作用下，两粒子同时从静止开始运动.已知两粒子同时经过平行于正极板且与其相距 25l 的平面.若两粒子间的相互作用可忽略，不计重力，则M∶m为
内容索引
考点一电容器及平行板电容器的动态分析考点二实验：观察电容器的充、放电现象考点三带电粒子(带电体)在电场中的直线运动课时精练
考点一
电容器及平行板电容器的动态分析
基础梳理夯实必备知识
1.电容器 (1)组成：由两个彼此绝缘又相距很近的导体组成. (2)带电荷量：一个极板所带电荷量的绝对值 . (3)电容器的充、放电： ①充电：使电容器带电的过程，充电后电容器两极板带上等量的异种电荷，电容器中储存电场能. ②放电：使充电后的电容器失去电荷的过程，放电过程中电场能转化为其他形式的能.
(2)Q 不变 ①根据 C＝QU＝4επrkSd先分析电容的变化，再分析 U 的变化. ②根据 E＝Ud ＝4kεrπSQ分析场强变化.
考向1 两极板间电势差不变
例1 (多选)如图所示，电容式麦克风的振动膜是利用超薄金属或镀金的塑料薄膜制成的，它与基板构成电容器，并与电阻、电池构成闭合回路. 麦克风正常工作时，振动膜随声波左右振动.下列说法正确的是 A.振动膜向右运动时，电容器的板间电场强度不变
方法技巧提升关键能力
1.两类典型问题 (1)电容器始终与恒压电源相连，电容器两极板间的电势差U保持不变. (2)电容器充电后与电源断开，电容器两极板所带的电荷量Q保持不变. 2.动态分析思路 (1)U不变 ①根据C＝QU＝4επrkSd 先分析电容的变化，再分析Q的变化. ②根据E＝Ud 分析场强的变化. ③根据UAB＝E·d分析某点电势变化.

电场的能量与电容

电场的能量与电容电场是物理学中重要的概念之一，它涉及到许多关键性的物理现象和原理。

其中，电场的能量和电容是讨论电场特性时必须重点考虑的两个方面。

本文将详细介绍电场能量和电容的定义、计算公式以及它们之间的关系。

一、电场能量电场能量是指物体在电场中储存的能量。

当一个电荷在电场中移动时，由于电势差的存在，会发生能量的转换和储存，即电场能量的变化。

根据电场力和电势差的关系，可以得到电场能量的表达式。

对于一个点电荷 q 在电场中移动的路径，电场力 F 对它所做的功 W 定义为：W = qΔV其中，ΔV 表示电势差。

由于电场力与电位能之间存在一一对应关系，所以电场能量的定义可以表示为：E = qV，其中 V 表示电位能。

电场能量与点电荷的电荷量和电势差成正比，而与点电荷所处位置无关。

二、电容电容是指导体储存电荷的能力，是描述电路和电场中储存电荷的重要参数。

在电场中，电容的定义可以通过电荷 q 和电势差 V 之间的关系得到。

电容的计算公式为：C = q/V其中，C 表示电容，单位为法拉（F）。

电容量的大小取决于电荷量和电势差的比值。

通过增大电势差或减小电荷量，可以增大电容的数值。

电容量越大，导体储存电荷的能力越强。

三、电场能量与电容的关系将电场能量和电容的定义结合起来，可以得到它们之间的关系。

考虑平行板电容器的情况，该电容器由两块平行的导体板组成，之间填充有绝缘介质。

在电场的作用下，正电荷和负电荷在导体板上分别积聚，导致电容器的电荷量产生变化。

当电容器的电荷量为 q，电势差为 V 时，电场能量的计算公式为：E = 1/2 CV^2 = 1/2 qV由此可见，电场能量与电容和电势差的平方成正比。

当电荷量增加或电势差增大时，电场能量也会相应增加。

这一关系不仅适用于平行板电容器，也可以推广到其他形式的电容器中。

总之，电场能量和电容是电场中两个重要的概念。

电场能量表示电荷在电场中储存的能量，而电容描述导体储存电荷的能力。

电容器和电容带电粒子在电场中的运动知识点+典型例题

电容器和电容带电粒子在电场中的运动知识点1.电容器⑴组成：任何两个彼此又相互的导体都可以组成一个电容器。

⑵带电量：一个极板所带电量的 . ⑶电容器的充、放电①充电：使电容器带电的过程，充电后电容器两极板带上等量的，电容器中储存.②放电：使充电后的电容器失去电荷的过程，放电过程中转化为其他形式的能. 2.电容⑴定义：电容器所带的与电容器两极板间的电势差U 的比值. ⑵定义式：UQ C =. ⑶物理意义：表示电容器本领大小的物理量. ⑷单位：法拉（F ）=F 1F μ=pF 3.平行板电容器⑴影响因素：平行板电容器的电容与成正比，与介质的成正比，与成反比. ⑵决定式：=C ,k 为静电力常量. 4.带电粒子在电场中的运动 ⑴带电粒子在电场中加速带电粒子在电场中加速，若不计粒子的重力，则电场力对带电粒子做功等于带电粒子的增量.①在匀强电场中，=W =qU =2022121mv mv - ②在非匀强电场中：=W =2022121mv mv -⑵带电粒子在匀强电场中的偏转①如果带电粒子以初速度0v 垂直场强方向进入匀强电场中，不考虑重力时，则带②类平抛运动的一般处理方法：将粒子的运动分解为沿初速度方向的运动和沿电场力方向的运动.根据的知识就可解决有关问题. ⑶基本公式：运动时间0v lt =（板长为l ，板间距离为d ，板间电压为U ). 加速度===mqEm F a . 离开电场的偏转量==221at y . 偏转角===tan v atv v y θ . v 0v 0 y5.示波器示波器是用来观察电信号随时间变化的情况，其核心部件是示波管，它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成，如图所示电容电容器[对电容器、电容的理解][例1]（单选）下列说法中不正确的是：（）A 、电容器的电容越大，电容器带电就越多B 、某一给定电容器的带电荷量与极板间电压成正比C 、一个电容器无论两极板间的电压多大（不为零），它所带的电荷量和极板间的电压之比是恒定的D 、电容是表示电容器容纳电荷本领大小的物理量[变式1] (多选)两个电容器电容的公式： U Q C =和kdSC r πε4= 。

新教材人教版高中物理精品资料第3讲电容器带电粒子在电场中的运动

第3讲电容器带电粒子在电场中的运动一、电容器及电容1．电容器(1)组成：由两个彼此绝缘又相距很近的导体组成。

(2)带电荷量：一个极板所带电荷量的绝对值。

(3)电容器的充、放电①充电：电容器充电的过程中，两极板所带的电荷量增加，极板间的电场强度增大，电源的能量不断储存在电容器中。

②放电：放电过程中，电容器把储存的能量通过电流做功转化为其他形式的能量。

2．电容(1)定义：电容器所带的电荷量Q与电容器两极板之间的电势差U之比。

(2)定义式：C＝QU。

(3)单位：法拉(F)、微法(μF)、皮法(pF)。

1 F＝106μF＝1012 pF。

(4)意义：表示电容器容纳电荷本领的物理量。

(5)决定因素：由电容器本身物理条件(大小、形状、极板相对位置及电介质)决定，与电容器是否带电及电压无关。

3．平行板电容器的电容(1)决定因素：正对面积，电介质，两极板间的距离。

(2)决定式：C＝εr S4πkd。

二、带电粒子在电场中的运动1．带电粒子在电场中的加速(1)在匀强电场中：W＝qEd＝qU＝12m v2－12m v2。

(2)在非匀强电场中：W＝qU＝12m v2－12m v2。

2．带电粒子在匀强电场中的偏转(1)运动情况：带电粒子以初速度v0垂直电场方向进入匀强电场中，则带电粒子在电场中做类平抛运动，如图1所示。

图1(2)处理方法：将带电粒子的运动分解为沿初速度方向的匀速直线运动和沿电场力方向的匀加速直线运动。

根据运动的合成与分解的知识解决有关问题。

(3)基本关系式：运动时间t＝lv0，加速度a＝Fm＝qEm＝qUmd，偏转量y＝12at2＝qUl22md v20，偏转角θ的正切值tan θ＝v yv0＝atv0＝qUlmd v20。

【自测如图2所示，A、B两个带正电的粒子，所带电荷量分别为q1与q2，质量分别为m1和m2。

它们以相同的速度先后垂直于电场线从同一点进入平行板间的匀强电场后，A粒子打在N板上的A′点，B粒子打在N板上的B′点，若不计重力，则()图2A．q1＞q2B．m1＜m2C.q1m1＞q2m2 D.q1m1＜q2m2答案 C解析设粒子垂直电场进入匀强电场的速度为v0，电荷量为q，质量为m，所以加速度a＝qEm，运动时间t＝xv0，偏转位移为y＝12at2，整理得y＝qEx22m v20，显然由于A粒子的水平位移小，则有q1m1＞q2m2，但A粒子的电荷量不一定大，质量关系也不能确定，故A、B、D错误，C正确。

电容器、带电粒子在电场中的运动

电容器、带电粒子在电场中的运动知识点一 1．常见电容器(1)组成：由两个彼此绝缘又相互靠近的导体组成． (2)带电荷量：一个极板所带电荷量的绝对值． (3)电容器的充、放电．充电：使电容器带电的过程，充电后电容器两板带上等量的异种电荷，电容器中储存电场能．放电：使充电后的电容器失去电荷的过程，放电过程中电场能转化为其他形式的能． 2．电容(1)定义：电容器所带的电荷量Q 与电容器两极板间的电势差U 的比值． (2)定义式：C ＝QU.(3)物理意义：表示电容器容纳电荷本领大小的物理量． (4)单位：法拉(F) 1 F ＝106 μF ＝1012 pF 3．平行板电容器(1)影响因素：平行板电容器的电容与极板的正对面积成正比，与电介质的相对介电常数成正比，与极板间距离成反比． (2)决定式：C ＝εr S4πkd，k 为静电力常量．知识点二带电粒子在匀强电场中的运动 1．带电粒子在电场中的加速(1)动力学观点分析：若电场为匀强电场，则有a ＝qE m ，E ＝Ud ，v 2－v 20＝2ad . (2)功能观点分析：粒子只受电场力作用，满足qU ＝12m v 2－12m v 20.2．带电粒子在匀强电场中的偏转(1)条件：以速度v 0垂直于电场线方向飞入匀强电场，仅受电场力． (2)运动性质：类平抛运动． (3)处理方法：运动的分解． ①沿初速度方向：做匀速直线运动．②沿电场方向：做初速度为零的匀加速直线运动．知识点三示波管的工作原理1．构造：①电子枪，②偏转极板，③荧光屏．(如图所示)2．工作原理(1)YY ′上加的是待显示的信号电压，XX ′上是机器自身产生的锯齿形电压，叫做扫描电压． (2)观察到的现象：①如果在偏转电极XX ′和YY ′之间都没有加电压，则电子枪射出的电子沿直线运动，打在荧光屏中心，在那里产生一个亮斑．②若所加扫描电压和信号电压的周期相等，就可以在荧光屏上得到待测号在一个周期内变化的稳定图象．【基础自测】1．根据大量科学测试可以确定地球本身就是一个电容器．通常大地带有50万库仑左右的负电荷，而地面上空存在一个带正电的电离层，这两者便形成一个已充电的电容器，它们之间的电压约为300 kV，则地球的电容约为(B) A．0.17 F B．1.7 FC．17 F D．170 F解析：根据题意可得Q＝5×105 C，U＝3×105 V，根据C＝QU可得C＝5×105 C3×105 V≈1.7 F，B正确．2．如图所示，将平行板电容器的两极板分别与电池的正、负极相接，两板间一带电液滴恰好处于静止状态．现紧贴下板迅速插入一个有一定厚度的金属板，则在此过程中(A)A．电路中流过逆时针方向的短暂电流B．电容器的电荷量减小C．带电液滴仍保持静止D．带电液滴向下做加速运动解析：插入一个带有一定厚度的金属板，相当于极板间的距离变小，根据电容的决定式C＝εr S4πkd，可知电容增大，又因电势差不变，则由Q＝CU知，电容器的电荷量增大，电路中流过逆时针方向的短暂电流，故A正确，B错误；电势差不变，d减小，则电场强度增大，带电液滴所受的电场力增大，使带电液滴向上做加速运动，故C、D错误．3.平行板电容器充电后与电源断开，负极板接地，两板间有一个固定在P点的正检验电荷，如图所示．以C表示电容器的电容，E表示两板间的场强，φ表示P点处的电势，W表示正电荷在P点的电势能．若正极板保持不动，将负极板缓慢向右平移一小段距离x0，则在此过程中，各物理量与负极板移动距离x的关系图象正确的是下图中的(C)解析：当负极板右移时，两板之间的距离d减小，由C＝εr S4πk(d0－x)可知，C与x的关系图象不是一次函数图象，故A错误；由U＝QC可知，U＝4πkdεr S Q，则E＝4πkQεr S，故E与两板之间的距离d(或x)无关，故B错误；因负极板接地，设P点原来与负极板之间的距离为l，则P点的电势φ＝E(l－x)，故C正确；电势能E p＝φq＝Eq(l－x)，不可能为水平线，故D错误．4．如图所示，带电粒子由静止开始，经电压为U1的加速电场加速后，垂直于板间电场方向进入电压为U2的平行板电容器，经偏转后落在下板的中间位置．为使与该粒子相同的带电粒子从相同的初始位置由静止加速、偏转后能穿出平行板电容器，下列做法中可行的是(D)A．保持U2和平行板间距不变，减小U1B．保持U1和平行板间距不变，增大U2C．保持U1、U2和下板位置不变，向下平移上板D．保持U1、U2和下板位置不变，向上平移上板解析：粒子在加速电场中运动时，有U1q＝12m v20，在偏转电场中运动时，有x＝v0t，y＝12·U2qdm t2，解得x2＝4dU1yU2，若保持U2和平行板间距不变，减小U1，则x减小，选项A错误；若保持U1和平行板间距不变，增大U2，则x减小，选项B错误；若保持U1、U2和下板的位置不变，向下平移上板，则d减小，x减小，选项C错误；保持U1、U2和下板位置不变，向上平移上板，则d变大，x变大，故选项D正确．5．如图所示，一个电子由静止开始经加速电场加速后，又沿中心轴线从O 点垂直射入偏转电场，并从另一侧射出打到荧光屏上的P 点，O ′点为荧光屏的中心．已知电子质量m ＝9.0×10－31kg ，电荷量e ＝1.6×10－19C ，加速电场电压U 0＝2 500V ，偏转电场电压U ＝200 V ，极板的长度L 1＝6.0 cm ，板间距离d ＝2.0 cm ，极板的末端到荧光屏的距离L 2＝3.0 cm(忽略电子所受重力，结果保留两位有效数字)．求：(1)电子射入偏转电场时的初速度v 0；(2)电子打在荧光屏上的P 点到O ′点的距离h ； (3)电子经过偏转电场过程中电场力对它所做的功W . 解析：(1)根据动能定理有eU 0＝12m v 20，得v 0＝2eU 0m，代入数据得v 0≈3.0×107 m/s.(2)设电子在偏转电场中运动的时间为t ，电子射出偏转电场时在竖直方向上的侧移量为y .电子在水平方向做匀速运动，L 1＝v 0t ，电子在竖直方向上做匀加速运动，y ＝12at 2，根据牛顿第二定律有eU d ＝ma ，联立得y ＝UL 214dU 0，代入数据得y ＝0.36 cm.电子离开偏转电场时速度的反向延长线过偏转电场的中点M ，由图知，y h ＝L 1L 1＋2L 2，解得h ＝0.72 cm.(3)电子在偏转电场中运动的过程中，电场力对它做的功W ＝e U d y ≈5.8×10－18 J.答案：(1)3.0×107 m/s (2)0.72 cm (3)5.8×10－18J知识点一平行板电容器的动态分析1．平行板电容器动态变化的两种情况(1)电容器始终与电源相连时，两极板间的电势差U 保持不变． (2)充电后与电源断开时，电容器所带的电荷量Q 保持不变．可以形象地认为一定量的电荷对应着一定数目的电场线，若电荷量不变，则电场线数目不变．若两极板间距变化时，场强不变；若两极板正对面积变化时，引起电场线的疏密程度发生了改变，如电容器的电荷量不变，正对面积减小时，场强增大．2．平行板电容器动态问题的分析思路3．平行板电容器问题的一个常用结论电容器充电后断开电源，在电容器所带电荷量保持不变的情况下，电场强度与极板间的距离无关．1．一平行板电容器两极板之间充满云母介质，接在恒压直流电源上．若将云母介质移出，则电容器(D)A．极板上的电荷量变大，极板间电场强度变大B．极板上的电荷量变小，极板间电场强度变大C．极板上的电荷量变大，极板间电场强度不变D．极板上的电荷量变小，极板间电场强度不变解析：平行板电容器电容的表达式为C＝εS4πkd，将极板间的云母介质移出后，导致电容器的电容C变小．由于极板间电压不变，据Q＝CU知，极板上的电荷量变小．再考虑到极板间电场强度E＝Ud，由于U、d不变，所以极板间电场强度不变，选项D正确．2.如图所示，平行板电容器带有等量异种电荷，与静电计相连，静电计金属外壳和电容器下极板都接地．在两极板间有一固定在P点的点电荷，以E表示两板间的电场强度，E p表示点电荷在P点的电势能，θ表示静电计指针的偏角．若保持下极板不动，将上极板向下移动一小段距离至图中虚线位置，则(D)A．θ增大，E增大B．θ增大，E p不变C．θ减小，E p增大D．θ减小，E不变解析：由题意可知平行板电容器的带电荷量Q不变，当下极板不动，上极板向下移动一段距离时，两极板间距d减小，则电容C变大，由U＝QC可知U变小，则静电计指针的偏角θ减小．又因为两板间电场强度E＝Ud＝QCd＝4πkQεr S，Q、S不变，则E不变．因为E不变，则点电荷从P点移动到下极板(电势为零)电场力做功不变，电势能的变化相同，则点电荷在P点的电势能E p不变，故只有选项D正确．3．如图，一平行板电容器的两极板与一电压恒定的电源相连，极板水平放置，极板间距为d，在下极板上叠放一厚度为l的金属板，其上部空间有一带电粒子P静止在电容器中，当把金属板从电容器中快速抽出后，粒子P开始运动，重力加速度为g.粒子运动加速度为(A)A.ld g B.d－ld g C.ld－lg D.dd－lg解析：平行板电容器的两极板与一电压恒定的电源相连，有金属板时，板间电场强度可以表达为：E1＝Ud－l，且有E1q＝mg，当抽去金属板，则板间距离增大，板间电场强度可以表达为：E2＝Ud，有mg－E2q＝ma，联立上述可解得：dl＝ga，a＝ld g，选项A正确．知识点二带电粒子在电场中的直线运动1．带电粒子在电场中运动时重力的处理(1)基本粒子：如电子、质子、α粒子、离子等，除有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力(但并不忽略质量)．(2)带电颗粒：如液滴、油滴、尘埃、小球等，除有说明或有明确的暗示以外，一般都不能忽略重力．2．解决带电粒子在电场中的直线运动问题的两种思路(1)根据带电粒子受到的电场力，用牛顿第二定律求出加速度，结合运动学公式确定带电粒子的运动情况．此方法只适用于匀强电场．(2)根据电场力对带电粒子所做的功等于带电粒子动能的变化求解．此方法既适用于匀强电场，也适用于非匀强电场．典例中国科学院2015年10月宣布中国将在2020年开始建造世界上最大的粒子加速器．加速器是人类揭示物质本源的关键设备，在放射治疗、食品安全、材料科学等方面有广泛应用．如图所示，某直线加速器由沿轴线分布的一系列金属圆管(漂移管)组成，相邻漂移管分别接在高频脉冲电源的两极．质子从K 点沿轴线进入加速器并依次向右穿过各漂移管，在漂移管内做匀速直线运动，在漂移管间被电场加速，加速电压视为不变．设质子进入漂移管B 时速度为8×106 m/s ，进入漂移管E 时速度为1×107 m/s ，电源频率为1×107 Hz ，漂移管间缝隙很小，质子在每个管内运动时间视为电源周期的12.质子的荷质比取1×108 C/kg.求：(1)漂移管B 的长度； (2)相邻漂移管间的加速电压．【解析】 (1)设质子进入漂移管B 的速度为v B ，电源频率、周期分别为f 、T ，漂移管B 的长度为L ，则T ＝1f ①L ＝v B ·T 2②联立①②式并代入数据得L ＝0.4 m ．③(2)设质子进入漂移管E 的速度为v E ，相邻漂移管间的加速电压为U ，电场力对质子所做的功为W ，质子从漂移管B 运动到漂移管E 电场力做功W ′，质子的电荷量为q ，质量为m ，则W ＝qU ④W ′＝3W ⑤ W ′＝12m v 2E －12m v 2B ⑥ 联立④⑤⑥式并代入数据得U ＝6×104 V ．⑦ 【答案】 (1)0.4 m (2)6×104 V4．如图所示，一充电后的平行板电容器的两极板相距l ，在正极板附近有一质量为M 、电荷量为q (q >0)的粒子；在负极板附近有另一质量为m 、电荷量为－q 的粒子．在电场力的作用下，两粒子同时从静止开始运动．已知两粒子同时经过一平行于正极板且与其相距25l 的平面．若两粒子间相互作用力可忽略，不计重力，则Mm 为( A )A ．3 2B ．21C ．52 D ．31解析：两粒子同时从静止开始，在电场力作用下做匀加速直线运动，同时经过某一平面，它们在相同时间内位移之比为23，根据x ＝12at 2，可知它们的加速度之比为23.粒子受到的电场力F ＝qE ，结合牛顿第二定律，得a ＝Fm，由于两粒子所受电场力大小相等，故质量之比应为32，A 正确．5.如图所示是一个平行板电容器，其电容为C ，带电荷量为Q ，板间距离为d ，上极板带正电荷．现将一个试探电荷q 由两极板间的A 点移动到B 点，A 、B 两点间的距离为l ，连线AB 与极板间的夹角为30°，则电场力对试探电荷q 所做的功等于( C )A.qCl Qd B.qQl Cd C.qQl 2Cd D.qCl 2Qd解析：根据U ＝Q C ，E ＝U d 可得E ＝Q Cd ，所以，A →B 电场力做功，W ＝qEl sin30°＝qQl 2Cd，选项C 正确．6.如图所示，充电后的平行板电容器水平放置，电容为C ，极板间的距离为d ，上极板正中有一小孔．质量为m 、电荷量为＋q 的小球从小孔正上方高h 处由静止开始下落，穿过小孔到达下极板处速度恰为零(空气阻力忽略不计，极板间电场可视为匀强电场，重力加速度为g )．求：(1)小球到达小孔处的速度；(2)极板间电场强度的大小和电容器所带电荷量； (3)小球从开始下落运动到下极板处的时间．解析：(1)由v 2＝2gh ，得v ＝2gh(2)在极板间带电小球受重力和电场力作用，由牛顿运动定律知：mg －qE ＝ma 由运动学公式知：0－v 2＝2ad 整理得电场强度E ＝mg (h ＋d )qd由U ＝Ed ，Q ＝CU ，得电容器所带电荷量Q ＝C mg (h ＋d )q(3)由h ＝12gt 21，0＝v ＋at 2，t ＝t 1＋t 2整理得t ＝h ＋dh2h g答案：(1)2gh (2)mg (h ＋d )qd C mg (h ＋d )q(3)h ＋dh2h g知识点三带电粒子在匀强电场中的偏转1．运动规律(1)沿初速度方向做匀速直线运动，运动时间⎩⎪⎨⎪⎧a.能飞出电容器：t ＝l v 0.b.不能飞出电容器：y ＝12at 2＝qU 2md t 2，t ＝2mdyqU.(2)沿电场力方向，做匀加速直线运动⎩⎨⎧加速度：a ＝F m ＝qE m ＝qUmd离开电场时的偏移量：y ＝12at 2＝qUl 22md v 20.离开电场时的偏转角：tan θ＝v y v 0＝qUlmd v 20.2．两个结论(1)不同的带电粒子从静止开始经过同一电场加速后再从同一偏转电场射出时，偏移量和偏转角总是相同的．证明：由qU 0＝12m v 20y ＝12at 2＝12·qU 1md ·⎝⎛⎭⎫l v 02 tan θ＝qU 1l md v 20得：y ＝U 1l 24U 0d ，tan θ＝U 1l 2U 0d.(2)粒子经电场偏转后，合速度的反向延长线与初速度延长线的交点O 为粒子水平位移的中点，即O 到偏转电场边缘的距离为l2.3．功能关系当讨论带电粒子的末速度v 时也可以从能量的角度进行求解：qU y ＝12m v 2－12m v 20，其中U y ＝Ud y ，指初、末位置间的电势差．典例如图所示，两平行金属板A 、B 长为L ＝8 cm ，两板间距离d ＝8 cm ，A 板比B 板电势高300 V ，一带正电的粒子电荷量为q ＝1.0×10－10C 、质量为m ＝1.0×10－20kg ，沿电场中心线RO 垂直电场线飞入电场，初速度v 0＝2.0×106 m/s ，粒子飞出电场后经过界面MN 、PS 间的无电场区域，然后进入固定在O 点的点电荷Q 形成的电场区域(设界面PS 右侧点电荷的电场分布不受界面的影响)．已知两界面MN 、PS 相距为12 cm ，D 是中心线RO 与界面PS 的交点，O 点在中心线上，距离界面PS 为9 cm ，粒子穿过界面PS 做匀速圆周运动，最后垂直打在放置于中心线上的荧光屏bc 上．(静电力常量k ＝9.0×109N·m 2/C 2，粒子的重力不计)(1)求粒子穿过界面MN 时偏离中心线RO 的距离为多远；到达PS 界面时离D 点为多远； (2)在图上粗略画出粒子的运动轨迹；(3)确定点电荷Q 的电性并求其电荷量的大小．【审题关键点】 (1)带电粒子在两板之间的匀强电场中发生偏转，做类平抛运动． (2)带电粒子在两界面MN 、PS 之间的无场区域做匀速直线运动．(3)在点电荷Q 形成的电场区域做匀速圆周运动，则带电粒子进入该电场时的速度方向与该位置的半径垂直．【解析】 (1)粒子穿过界面MN 时偏离中心线RO 的距离(偏移位移)：y ＝12at 2，a ＝F m ＝qUdm ，L ＝v 0t ，则y ＝12at 2＝qU 2dm ⎝⎛⎭⎫L v 02＝0.03 m ＝3 cm.粒子在离开电场后将做匀速直线运动，其轨迹与PS 交于H ，设H 到中心线的距离为Y ，则有12L 12L ＋12 cm ＝yY ，解得Y ＝4y ＝12 cm.(2)第一段是抛物线、第二段是直线、第三段是圆弧．轨迹如图所示：(3)粒子到达H 点时，其水平速度v x ＝v 0＝2.0×106 m/s竖直速度v y ＝at ＝1.5×106 m/s 则v 合＝2.5×106 m/s该粒子在穿过界面PS 后绕点电荷Q 做匀速圆周运动，所以Q 带负电．根据几何关系可知半径r ＝15 cm ，电场力提供向心力，则k Qq r 2＝m v 2合r ，解得Q ≈1.04×10－8 C.【答案】 (1)3 cm 12 cm (2)轨迹图见解析(3)负电 1.04×10－8 C【突破攻略】分析匀强电场中的偏转问题的关键(1)条件分析：不计重力，且带电粒子的初速度v 0与电场方向垂直，则带电粒子将在电场中只受电场力作用做类平抛运动． (2)运动分析：一般用分解的思想来处理，即将带电粒子的运动分解为沿电场力方向上的匀加速直线运动和垂直电场力方向上的匀速直线运动．7.如图，平行板电容器两极板的间距为d ，极板与水平面成45°角，上极板带正电．一电荷量为q (q >0)的粒子在电容器中靠近下极板处，以初动能E k0竖直向上射出．不计重力，极板尺寸足够大．若粒子能打到上极板，则两极板间电场强度的最大值为( B )A.E k04qd B.E k02qd C.2E k02qd D.2E k0qd解析：当电场足够大时，粒子打到上极板的极限情况为：粒子到达上极板处时速度恰好与上极板平行，粒子的运动为类平抛运动的逆运动．将粒子初速度v 0分解为垂直极板的v y 和平行极板的v x ，根据运动的合成与分解，当v y ＝0时，根据运动学公式有v 2y ＝2qE m d ，v y ＝v 0cos45°，E k0＝12m v 20，联立得E ＝E k02qd，故B 正确． 8.如图所示，两块相同的金属板正对着水平放置，板间距离为d .当两板间加电压U 时，一个质量为m 、电荷量为＋q 的带电粒子，以水平速度v 0从靠近上极板的A 点射入电场，经过一段时间后从靠近下极板的B 点射出电场，A 、B 间的水平距离为L ，不计重力影响．求：(1)带电粒子从A 点运动到B 点经历的时间； (2)带电粒子经过B 点时速度的大小； (3)A 、B 间的电势差．解析：(1)带电粒子在水平方向做匀速直线运动，从A 点到B 点经历时间t ＝Lv 0；(2)带电粒子在竖直方向做匀加速直线运动，板间场强大小E ＝Ud加速度大小a ＝qE m ＝qUmd经过B 点时粒子沿竖直方向的速度大小v y ＝at ＝qU md ·Lv 0带电粒子在B 点速度的大小v ＝v 20＋q 2U 2L 2m 2d 2v 20； (3)粒子从A 点运动到B 点过程中，据动能定理得： qU AB ＝12m v 2－12m v 20A 、B 间的电势差U AB ＝12m v 2－12m v 20q ＝qU 2L 22md 2v 20.答案：(1)Lv 0(2)v 20＋q 2U 2L 2m 2d 2v 20 (3)qU 2L 22md 2v 209．如图所示，在足够大的光滑绝缘水平面内建立直角坐标系xOy ，在y 轴右侧区域内有沿y 轴负方向的匀强电场(图中未画出)，电场强度E ＝8×102 N/C.带正电的绝缘小球A 和带负电的绝缘小球B ，质量均为m ＝200 g ，带电荷量大小均为5×10－4C ．现在使小球A 从坐标系中的点C (0,2.5 m)以一定的初速度开始运动，运动一段时间后，使小球B 从坐标系中的点D (3 m ，－2.5 m)以相同的初速度开始运动，小球B 运动t 2＝1 s 时间与小球A 相遇．已知小球A 、B 初速度大小均为v 0，方向都沿x 轴正方向，不计两小球间的相互作用力和空气阻力．求：(1)v 0的大小；(2)两小球在电场中相遇点的坐标．解析：(1)设小球A 、B 在电场中分别运动了t 1、t 2时间后相遇，两小球加速度大小a A ＝a B ＝a ＝Eqm＝2 m/s 2，其中A 球加速度方向沿y 轴负方向，B 球加速度方向沿y 轴正方向．两小球在电场中做类平抛运动，设相遇点为P ，如图所示，由几何关系得：x 方向：v 0t 1－v 0t 2＝x D ，y 方向：12at 21＋12at 22＝y C －y D ，代入数据解得t 1＝2 s ，v 0＝3 m/s.(2)设相遇点P的坐标为(x P，y P)，则：x P＝v0t1＝6 m，y C－y P＝12at21，代入数据得y P＝－1.5 m，相遇点P的坐标为(6 m，－1.5 m)．答案：(1)3 m/s(2)(6 m，－1.5 m)电容器在现代科技生活中的应用电容器在现代生活中应用十分广泛，其中作为传感器使用的有智能手机上的电容触摸屏、电容式传声器、电容式加速度计等．10．[智能手机上的电容触摸屏](多选)目前智能手机普遍采用了电容触摸屏，电容触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的，它是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂一层ITO(纳米铟锡金属氧化物)，夹层ITO涂层作为工作面，四个角引出四个电极，当用户手指触摸电容触摸屏时，手指和工作面形成一个电容器，因为工作面上接有高频信号，电流通过这个电容器分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指到四个角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算来确定手指位置．对于电容触摸屏，下列说法正确的是(AD)A．电容触摸屏只需要触摸，不需要压力即能产生位置信号B．使用绝缘笔，在电容触摸屏上也能进行触控操作C．手指压力变大时，由于手指与屏的夹层工作面距离变小，电容变小D．手指与屏的接触面积变大时，电容变大解析：据题意知，电容触摸屏只需要触摸，由于流经四个电极的电流与手指到四个角的距离成比例，控制器就能确定手指的位置，因此不需要手指有压力，故A正确；绝缘笔与工作面不能形成一个电容器，所以不能在电容屏上进行触控操作，故B错误；手指压力变大时，由于手指与屏的夹层工作面距离变小，电容将变大，故C错误；手指与屏的接触面积变大时，电容变大，故D正确．11．[电容式传声器]图示为某电容传声器结构示意图，当人对着传声器讲话，膜片会振动．若某次膜片振动时，膜片与极板距离增大，则在此过程中(D)A．膜片与极板间的电容增大B．极板所带电荷量增大C．膜片与极板间的电场强度增大D．电阻R中有电流通过解析：根据C＝εr S4πkd可知，膜片与极板距离增大，膜片与极板间的电容减小，选项A错误；根据Q＝CU可知极板所带电荷量减小，因此电容器要通过电阻R放电，所以选项D正确，B错误；根据E＝Ud可知，膜片与极板间的电场强度减小，选项C错误．12．[电容式加速度计](多选)电容式加速度传感器的原理如图所示，质量块左、右侧连接电介质、轻质弹簧，弹簧与电容器固定在外框上，质量块可带动电介质移动，改变电容．则(CD)A．电介质插入极板间越深，电容器电容越小B．当传感器以恒定加速度运动时，电路中有恒定电流C．若传感器原来向右匀速运动，突然减速时弹簧会压缩D．当传感器由静止突然向右加速时，电路中有顺时针方向的电流解析：由C＝εr S4πkd知，电介质插入越深，εr越大，即C越大，A错；当传感器以恒定加速度运动时，电介质相对电容器静止，电容不变，电路中没有电流，B错；传感器向右匀速运动，突然减速时，质量块由于惯性相对传感器向右运动，弹簧压缩变短，C对；传感器由静止突然向右加速时，电介质相对电容器向左运动，εr增大，C增大，电源电动势不变，由C＝Q U知，Q增大，上极板电荷量增大，即电路中有顺时针方向的电流．D对．。

高中物理选修3-1电容器和电容知识点考点高考例题总结

1-6 电容器和电容【学习目标】1．理解电容器的电容，掌握平行板电容器的电容的决定因素．理解电容器的电容，掌握平行板电容器的电容的决定因素2．熟练应所学电场知识分析解决带电粒子在匀强电场中的运动问题．．熟练应所学电场知识分析解决带电粒子在匀强电场中的运动问题．3．掌握示波管工作原理．．掌握示波管工作原理．4．运用静电场的有关概念和规律解决物理问题．运用静电场的有关概念和规律解决物理问题【本讲重点】1．电容器的电容，平行板电容器的电容的决定因素．电容器的电容，平行板电容器的电容的决定因素2．带电粒子在匀强电场中的运动．带电粒子在匀强电场中的运动【本讲难点】电容器的电容电容器的电容【考点点拨】1．对电容的理解．对电容的理解2．平行板电容器电容的决定因素．平行板电容器电容的决定因素3．电容器的动态分析．电容器的动态分析4．电容器与恒定电流相联系．电容器与恒定电流相联系5．带电粒子在电场中的平衡问题．带电粒子在电场中的平衡问题6．带电粒子（或带电体）在电场中的加速问题．带电粒子（或带电体）在电场中的加速问题 7．带电粒子（或带电体）在电场中的偏转问题．带电粒子（或带电体）在电场中的偏转问题8．带电粒子（或带电体）在电场中运动的综合问题．带电粒子（或带电体）在电场中运动的综合问题（3）带电粒子在电场中的偏转电场中的偏转如图所示，质量为m 电荷量为q 的带电粒子以平行于极板的初速度v 0射入长为L 版间距离为d 的平行版电容器间，两板间电压为的平行版电容器间，两板间电压为 U ，求射出时的偏移、偏转角．，求射出时的偏移、偏转角． ①侧移：①侧移：______________________________________________________千万不要死记公式，要清楚物理千万不要死记公式，要清楚物理过程，根据不同的已知条件，结论改用不同的表达形式（已知初速度、初动能、或加速电压等）． ②偏转角：②偏转角：______________________________________________________注意穿出时刻的末速度的反向注意穿出时刻的末速度的反向U L d v 0 m ，qy v t θ θ延长线与初速度方向交于中点位置，以上结论适用于带电粒子能从匀强磁场中穿出的情况．如果带电粒子没有从电场中穿出，此时水平位移不再等于板长L ，应根据情况进行分析．（二）重难点阐释5．带电微粒在电场和重力场的复合场中的运动．带电微粒在电场和重力场的复合场中的运动一般提到的带电粒子由于重力远小于它在电场中受到的电场力，所以其重力往往忽略不计，但当带电体但当带电体（或微粒）的重力跟电场力大小相差不大时，（或微粒）的重力跟电场力大小相差不大时，（或微粒）的重力跟电场力大小相差不大时，就不能忽略重力的作用了，这样的就不能忽略重力的作用了，这样的带电微粒在电场中可能处于静止，也可能做直线运动或曲线运动．带电微粒在电场中可能处于静止，也可能做直线运动或曲线运动．处理此类问题的基本思路，一是电场力当作力学中的一个力看待，然后按研究力学问题的基本方法，从力和运动或能量转换两条途径展开；二是把该物体看作处于电场和重力场同时存在的复合场中，对于这两种不同性质的场，同样可以用场强叠加原理处理．存在的复合场中，对于这两种不同性质的场，同样可以用场强叠加原理处理．二、高考要点精析（一）对电容的理解☆考点点拨电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量．由电容器本身的介质特性与几何尺寸决定，与电容器是否带电，带电量的多少、板间电势差的大小等均无关．电容器是否带电，带电量的多少、板间电势差的大小等均无关．【例1】对电容C=Q/U ，以下说法正确的是：，以下说法正确的是：A ．电容器充电量越大，电容增加越大．电容器充电量越大，电容增加越大B ．电容器的电容跟它两极所加电压成反比．电容器的电容跟它两极所加电压成反比C ．电容器的电容越大，所带电量就越多．电容器的电容越大，所带电量就越多D ．对于确定的电容器，它所充的电量跟它两极板间所加电压的比值保持不变．对于确定的电容器，它所充的电量跟它两极板间所加电压的比值保持不变解析：解析：电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，与电容器是否带电，与电容器是否带电，与电容器是否带电，带电量的多少、带电量的多少、带电量的多少、板间板间电势差的大小等均无关．故D 正确．正确．答案：答案：D D☆考点精炼1．某一电容器标注的是：“300V 300V，，5μF ”，则下述说法正确的是，则下述说法正确的是（））A ．该电容器可在300V 以下电压正常工作电压正常工作B ．该电容器只能在300V 电压时正常工作电压时正常工作C ．电压是200V 时，电容仍是5μFD ．使用时只需考虑工作电压，不必考虑电容器的引出线与电源的哪个极相连．使用时只需考虑工作电压，不必考虑电容器的引出线与电源的哪个极相连（二）平行板电容器电容的决定因素☆考点点拨平行板电容器的电容与板间距离d 成反比，与两半正对面积S 成正比，与板间介质的介电常数e 成正比，其决定式是：d s kd s C e p eµ=4 ☆考点精炼 2．1999年7月12日日本原子能公司所属敦贺湾核电站由于水管破裂导致高辐射冷却剂外流，在检测此次重大事故中应用了非电量变化（冷却剂（冷却剂外泄使管中液面变化）转移为电信号的自动化测量技术转移为电信号的自动化测量技术..图是一种通过检测电容器电容的变化来检测液面高低的仪器原理图，容器中装有导电液体，是电容器的一个电极，中间的芯柱是电容器的另一个电极，芯柱外面套有绝缘管（塑料或橡皮）作为电介质，电容器的两个电极分别用导线接在指示器上，指示器上显示的是电容的大小，但从电容的大小就可知容器中液面位置的高低，但从电容的大小就可知容器中液面位置的高低，为此，为此，以下说法中正确的是以下说法中正确的是A ．如果指示器显示出电容增大了，则两电极正对面积增大，必液面升高．如果指示器显示出电容增大了，则两电极正对面积增大，必液面升高B ．如果指示器显示电容减小了，则两电极正对面积增大，必液面升高．如果指示器显示电容减小了，则两电极正对面积增大，必液面升高C ．如果指示器显示出电容增大了，则两电极正对面积减小，液面必降低．如果指示器显示出电容增大了，则两电极正对面积减小，液面必降低D ．如果指示器显示出电容减小了，则两电极正对面积增大，液面必降低．如果指示器显示出电容减小了，则两电极正对面积增大，液面必降低（三）电容器的动态分析☆考点点拨平行板电容器动态分析这类问题的关键在于弄清哪些是变量，哪些是不变量，在变量中哪些是自变量．哪些是因变量，同时注意理解平行板电容器演示实验现象的实质，一般分两种基本情况：一是电容器两极板的电势差U 保持不变（与电源连接）；二是电容器的带电量Q 保持不变（与电源断开）开）电容器和电源连接如图，改变板间距离、改变正对面积或改变板间电解质材料，改变正对面积或改变板间电解质材料，都会改变其都会改变其电容，从而可能引起电容器两板间电场的变化．这里一定要分清两种常见的变化：电容，从而可能引起电容器两板间电场的变化．这里一定要分清两种常见的变化：（1）电键K 保持闭合，则电容器两端的电压恒定（等于电源电动势），这种情况下带电量，C CU Q µ=而d d U E d S kd S C 14µ=µ=，e p e （2）充电后断开K ，保持电容器带电量Q 恒定，这种情况下s E s d U d s C e e e 1,,µµµ K 金属芯线金属芯线导电液体导电液体电介质电介质 h【例4】一平行板电容器充电后与电源断开，负极板接地，在两极板间有一正电荷（电量很小）固定在P 点，如图所示，以E 表示两极板间的场强，U 表示电容器的电压，W 表示正电荷在P 点的电势能．若保持负极板不动，将正极板移到图中虚线所示的位置，则（示的位置，则（）A ．U 变小，E 不变不变B ．E 变大，W 变大变大C ．U 变小，W 不变不变D ．U 不变，W 不变不变（四）电容器与恒定电流相联系☆考点点拨在直流电路中，在直流电路中，电容器的充电过程非常短暂，电容器的充电过程非常短暂，电容器的充电过程非常短暂，除充电瞬间以外，电容器都可以视为断路．应除充电瞬间以外，电容器都可以视为断路．应该理解的是：电容器与哪部分电路并联，电容器两端的电压就必然与哪部分电路两端电压相等．等． P＋－（五）带电粒子（或带电体）在电场中的平衡问题☆考点点拨在历年高考试题中，常常是电场知识与力学知识联系起来考查．解答这一类题目的关键还是在力学上．当带电体在电场中处于平衡状态时，当带电体在电场中处于平衡状态时，只要在对物体进行受力分析时，只要在对物体进行受力分析时，只要在对物体进行受力分析时，注意分析带注意分析带电体所受的电场力，再应用平衡条件即可求解．电体所受的电场力，再应用平衡条件即可求解．☆考点精炼6．质量为m 的带正电小球A 悬挂在绝缘细线上，且处在场强为E 的匀强电场中，当小球A 静止时，细线与竖直方向成3030°角，°角，已知此电场方向恰使小球受到的电场力最小，则小球所带的电量应为场力最小，则小球所带的电量应为A ．E mg 33B B．．E mg 3C ．E mg 2D D．．Emg 2 （六）带电粒子（或带电体）在电场中的加速问题 ☆考点点拨对于此类问题，对于此类问题，首先对物体受力分析，进而分析物体的运动情况（加速或减速，是直线还是首先对物体受力分析，进而分析物体的运动情况（加速或减速，是直线还是曲线运动等），常常用能量的观点求解．，常常用能量的观点求解．（1）若选用动能定理，则要分清有多少个力做功，是恒力功还是变力功，以及初态和末态的动能增量．的动能增量．（2）若选用能量守恒定律，则要分清有多少种形式的能在转化，哪种能量是增加的，那种能量是减少的．能量是减少的．☆考点精炼7．如图所示，两平行金属板竖直放置，左极板接地，中间有小孔．右极板电势随时间变化的规律如图所示．电子原来静止在左极板小孔处．（不计重力作用）下列说法中正确的是（不计重力作用）下列说法中正确的是A ．从t=0时刻释放电子，电子将始终向右运动，直到打到右极板上运动，直到打到右极板上 B ．从t=0时刻释放电子，电子可能在两板间往复运动间往复运动 C ．从t=T /4时刻释放电子，电子可能在两板间振动，也可能打到右极板上板间振动，也可能打到右极板上D ．从t=3T /8时刻释放电子，电子必将打到左极板上时刻释放电子，电子必将打到左极板上（七）带电粒子（或带电体）在电场中的偏转问题☆考点点拨如图所示，质量为m 电荷量为q 的带电粒子以平行于极板的初速度v 0射入长L 板间距离为d 的平行板电容器间，两板间电压为U ，求射出时的侧移、偏转角和动能增量等．，求射出时的侧移、偏转角和动能增量等．解题方法：分解为两个独立的分运动：平行极板的匀速运动（运动时间由此分运动决定）t v L 0=，垂直极板的匀加速直线运动，221at y =，at v y =，md qU a =．偏角：0tan v v y =q ，推论：q tan 2L y =．穿越电场过程的动能增量：ΔE K =qEy （注意，一般来说不等于qU ） U L d v 0 m ，q y v t θ θ-U 0 U 0 O T 2T t φ☆考点精炼（八）带电粒子（或带电体）在电场中运动的综合问题☆考点点拨当带电体的重力和电场力大小可以相比时，不能再将重力忽略不计．这时研究对象经常被称为“带电微粒”、“带电尘埃”、“带电小球”等等．这时的问题实际上变成一个力学问题，只是在考虑能量守恒的时候需要考虑到电势能的变化．恒的时候需要考虑到电势能的变化．【例9】已知如图，水平放置的平行金属板间有匀强电场．一根长l的绝缘细绳一端固定在O 点，另一端系有质量为m 并带有一定电荷的小球．小球原来静止在C 点．当给小球一个水平冲量后，它可以在竖直面内绕O 点做匀速圆周运动．若将两板间的电压增大为原来的3倍，求：要使小球从C 点开始在竖直面内绕O 点做圆周运动，至少要给小球多大的水平冲量？在这种情况下，在小球运动过程中细绳所受的最大拉力是多大？大拉力是多大？ - + O C知识点一电容器的电容电容器的电容是用比值法来定义的，它与电量、电压无关，仅由电容器本身决定。

第5课时电容器与电容带电粒子在电场中的运动

答案:见解析
【即时训练1】在一块半导体基板上阵列了10万颗金属颗粒,每一颗充当电容器的一极,外表面绝缘,手指贴在其上构成电容器的另一极,这就组成了指纹传感器.当手指的指纹一面与绝缘表面接触时,由于指纹深浅不同,对应的峪和嵴与颗粒间形成一个个电容大小不同的电容器,则( B ) A.指纹的嵴处与半导体基板上对应的金属颗粒距离近,电容小 B.指纹的峪处与半导体基板上对应的金属颗粒距离远,电容小 C.对每个电容感应颗粒都充电至某一参考电压,在手指靠近时,各金属电极所带电荷量减小 D.对每个电容感应颗粒都充电至某一参考电压,在手指远离时,各金属电极均处于充电状态
3.平行板电容器及其电容
(1)影响因素:平行板电容器的电容与正对面积成正比,与介质的介电常数成
正比,与两板间的距离成反比.
(2)决定式:C=
rS 4πkd
,k为静电力常量,ε r为电介质的相对介电常数
介质的性质有关.
,与电
4.平行板电容器的动态分析思路
确定不变量 E= U 分析 E 的变化 d
1.偏转问题 (1)条件分析:带电粒子垂直于电场线方向进入匀强电场. (2)运动形式: 类平抛运动.
(3)处理方法:应用运动的合成与分解.
(4)运动规律:
qU
①加速度:a= F = qE = md .
mmlBiblioteka ②在电场中的运动时间:t= v0
.
qUl
2
③离开电场时的偏移量 y= 1 at2= 2mv02d . 2
解析:根据电容器的决定式 C= rS ,当上极板向下移动时,d 减小,电容变大,又 C= Q ,电
4πkd
U
压 U 不变,因此电容器带电量增多,D 错误;根据电容器内部电场强度 E= U 可知,d 减小, d

电容器实验十：观察电容器的充、放电现象带电粒子在电场中的直线运动-2025物理大一轮复习讲义人教版

第4课时电容器实验十：观察电容器的充、放电现象带电粒子在电场中的直线运动目标要求 1.知道电容器的基本构造，了解电容器的充电、放电过程。

2.理解电容的定义及动态变化规律。

3.掌握带电粒子在电场中做直线运动的规律。

考点一实验：观察电容器的充、放电现象1．实验原理(1)电容器的充电过程如图所示，当开关S接1时，电容器接通电源，在静电力的作用下自由电子从正极板经过电源向负极板移动，正极板因失去电子而带正电，负极板因获得电子而带负电。

正、负极板带等量的正、负电荷，电荷在移动的过程中形成电流。

在充电开始时电流比较大(填“大”或“小”)，以后随着极板上电荷的增多，电流逐渐减小(填“增大”或“减小”)，当电容器两极板间电压等于电源电压时电荷停止定向移动，电流I＝0。

(2)电容器的放电过程如图所示，当开关S接2时，相当于将电容器的两极板直接用导线连接起来，电容器正、负极板上电荷发生中和，在电子移动过程中，形成电流。

放电开始电流较大(填“大”或“小”)，随着两极板上的电荷量逐渐减小，电路中的电流逐渐减小(填“增大”或“减小”)，两极板间的电压也逐渐减小到零。

2．实验步骤(1)按图连接好电路。

(2)把单刀双掷开关S 打在上面，使触点1和触点2连通，观察电容器的充电现象，并将结果记录在表格中。

(3)将单刀双掷开关S 打在下面，使触点3和触点2连通，观察电容器的放电现象，并将结果记录在表格中。

(4)记录好实验结果，关闭电源。

3．注意事项(1)电流表要选用小量程的灵敏电流计。

(2)要选择大容量的电容器。

(3)实验要在干燥的环境中进行。

例1(2023·福建莆田市二模)某探究小组利用如图所示电路观察电容器的充、放电现象，其中E 为电源(内阻不计)，R 为定值电阻，C 为电容器，A 为电流表，V 为电压表。

(1)给电容器充电后，为了观察放电现象，单刀双掷开关S 应拨至_______(填“1”或“2”)位置。

放电过程中，R 中电流方向________________(填“自左向右”或“自右向左”)；观察到电压表的示数逐渐变小，说明电容器的带电荷量逐渐________(填“增加”或“减少”)。

电场3

②放电：用导线将充电后的电容器的两极板接通，极板上电荷过程．放电后的两极板间不再有电场，电场能转化为其他形式
的能量．
2．电容 (1)定义：电容器所带的电荷与电容器两极板间的电势差比值．
(2)意义：表示电容器容纳电荷本领大小的物理量． (3)定义式： .
(4)单位：1法拉(F)＝ 106
量相等的电荷 M和 N同时分别从极板 A的边缘和两极板的正中间沿水平方向
进入板间电场，两电荷恰好在板间某点相遇．若不考虑电荷的重力和它们之间的相互作用，则下列说法正确的是( A．电荷M的比荷大于电荷N的比荷 B．两电荷在电场中运动的加速度相等 C．从两电荷进入电场到两电荷相遇，电场力对电荷M做的功大于电场力对电荷N做的功 )
D．电荷M进入电场的初速度大小与电荷N进入电场的初速度大小一定相同
解析：电荷做类平抛运动，在竖直方向有y＝
因时间、电压、板间距相
等，所以电荷M的比荷
大，电荷量也大，A项正确；加速度是M的大，B项错
误；电场力做功利用公式W＝Eqy判断C项正确；初速度根据x＝v0t判断D项错误．
答案：AC
2－2
如图6－3－9所示，两块长3 cm的平行金属板AB相距1 cm，并与300 V
【例3】如图6－3－10甲所示，场强大小为E、方向竖直向上的匀强电场内存在一竖直平面内半径为R的圆形区域，O点为该圆形区域的圆心，A点是圆形区域的最低点，B点是最右侧的点．在A点有放射源释放出初速度大小不同、方向均垂直于场强向右的正电荷，电荷的质量为m，电荷量为q，
不计重力．试求：
(1) (2)运动轨迹经过B点的电荷在A点时的速度多大？ (3)某电荷的运动轨迹和圆形区域的边缘交于P点，∠POA＝θ，请写出该电荷经过P点时动能的表达式． (4)若在圆形区域的边缘有一接收屏CBD，C、D分别为接收屏上最边缘的两