带电粒子在电场中运动轨迹与电场线、等势面类问题

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静电场专题|带电粒子在电场中运动轨迹与电场线、等势面类问题

1.曲线运动合力的方向指向轨迹凹的一侧,正电荷受电场力方向与场强方向相同,负电荷受电场力方向与场强方向相反(电场线的切线方向,与等势面垂直)。直线运动的合力方向与运动方向在同一直线上。

2. 同一电荷在电场线(或等势面)密集处场强大,受到的电场力大,产生的加速度大,反之亦然。

3.假设带电粒子从一点到另一点,看电场力的方向与速度方向的夹角,判断电场力做功情况,电场力做正功,电势能减少,动能增加;电场力做负功,电势能增加,动能减少。

4.沿电场线的方向,电势降低。

例1. (2018·天津卷·3)如图所示,实线表示某电场的电场线(方向未标出),虚线是一带负电的粒子只在电场力作用下的运动轨迹,设M点和N点的电势分别为φM、φN,粒子在M 和N时加速度大小分别为a M、a N,速度大小分别为v M、v N,电势能分别为E p M、E p N.下

列判断正确的是()

A.v M<v N,a M<a N

B.v M<v N,φM<φN

C.φM<φN,E p M<E p N

D.a M<a N,E p M<E p N

由粒子的轨迹为曲线,合力(只受电场力)指向轨迹凹的一侧,又要沿电场线切线方向,

可知粒子所受电场力的方向偏向右,因粒子带负电,故

电场线方向偏向左,由沿电场线方向电势降低,可知

φN<φM,E p M

由加速度a=qE/m可知a M

点,电场力做正功,动能增加,故v M>v N,电势能减小

E p M

例2. 如图所示,虚线a、b、c代表某一电场中的三个等势面,相邻等势面之间的电势差相等,实线为一带正电的粒子仅在电场力作用下通过该区域时的运动轨迹,P、R、Q是这条轨迹上的三点,其中R在等势面b上。下列判断正确的是()

A.三个等势面中,c的电势最低

C.带电粒子在P点的动能与电势能之和比在Q点的小

D.带电粒子在R点的加速度方向垂直于等势面b

由粒子的轨迹为曲线,合力(只受电场力)指向轨迹凹的一侧,

又要垂直于等势面,可知粒子所受电场力的方向偏向下,因粒子

带正电,电场线垂直于等势面,故加速度垂直于等势面电场线方

向从上到下,由沿电场线方向电势降低,c的电势最低,a的电

势最高。粒子若从P点运动到Q点,电场力做正功,动能增加,

电势能减小E p P>E p Q,只有电场力做功,动能与电势能之和不变,

综上所述,选项ABD正确。

例3. 如图所示,空间中存在着由一固定的负点电荷Q(图中未画出)产生的电场。另一正点电荷q仅在电场力作用下沿曲线MN运动,在M点的速度大小为v0,方向沿MP方向,

,则()

到达N点时速度大小为v,且v< v

A. Q一定在虚线MP下方

B. M点的电势比N点的电势高

C. q在M点的电势能比在N点的电势能小

D. q在M点的加速度比在N点的加速度小

场源电荷带负电,试探电荷带正电,它们之间是吸引力,而曲线运动所受合力指向曲线的凹侧,故Q应该在轨迹的凹侧,故A错误;试探电荷从M到N速度减小,说明M点离场源电荷较近,越靠近场源电荷电势越低,所以M点的电势比N点的电势低,故B错误;只有电场力做功,动能和电势能之和守恒,在N点动能小,故在N点电势能大,故C正确;离场源电荷越近,场强越大,加速度越大,所以q在M点的加速度比在N点的加速度大,故D错误。

例4. (多选)如图所示是阴极射线示波管的聚焦电场。实线为电场线,虚线为等差等势线,A、B、C为一个从左侧进入聚焦电场的电子运动轨迹上的三点,不计电子的重力,则()A.电场中A点的电势高于C点的电势

B.电子在A点处的动能大于在C点处的动能

C.电子在B点的加速度大于在C点的加速度

实线为电场线,沿电场线方向电势降低,A点的电势低于C点的电势,电子从A到C,电场力做正功,电势能减小,动能增大,故B错误D正确;等差等势面密集处电场强度大,故电子受到的电场力大,加速度大,故C正确。

例5. (多选)(2018·全国卷Ⅰ·21)图中虚线a、b、c、d、f代表匀强电场内间距相等的一组等势面,已知平面b上的电势为2 V。一电子经过a时的动能为10 eV,从a到d的过程中克服电场力所做的功为6 eV。下列说法正确的是()

A.平面c上的电势为零

B.该电子可能到达不了平面f

C.该电子经过平面d时,其电势能为4 eV

D.该电子经过平面b时的速率是经过d时的2倍

因等势面间距相等,由U=Ed得相邻虚线之间电势差相等,由a到d,-eU ad=-6 eV,故U ad=6 V;各虚线电势如图所示

因电场力做负功,故电场方向向右,沿电场线方向电

势降低,φc=0,A项正确;

因电子的速度方向未知,若不垂直于等势面,如图中

实曲线所示,电子可能到达不了平面f,B项正确;

经过d时,电势能E p=-eφd=2 eV,C项错误;

由a到b,W ab=E k b-E k a=-2 eV,所以E k b=8 eV;

由a到d,W ad=E k d-E k a=-6 eV,所以E k d=4 eV;则E k b=2E k d,根据E k=mv2/2知v b =√2v d,D项错误。

例6. 如图水平向右的匀强电场中,一带电粒子从A点以竖直向上的初速度开始运动,经最高点B后回到与A在同一水平线上的C点,粒子从A到B过程中克服重力做功2 J,电场力做功3 J,则()

A.粒子在B点的动能比在A点多1 J

B.粒子在C点的电势能比在B点少3 J

C.粒子在C点的机械能比在A点多12 J

D.粒子在C点的动能为6 J

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