【三維設(shè)計(jì)】2014屆高三物理一輪6.3靜電現(xiàn)象 電容器 帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)案 新人教版

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1、三維設(shè)計(jì)2014屆高三物理一輪教學(xué)案（14年預(yù)測(cè)+目標(biāo)定位+規(guī)律總結(jié)）：6.3靜電現(xiàn)象 電容器 帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)靜電現(xiàn)象想一想如圖631所示，絕緣開口金屬球殼A已帶電，現(xiàn)把驗(yàn)電器甲的小金屬球與A球殼的內(nèi)壁用導(dǎo)線相連，另外把一絕緣的金屬小球B與球殼A的內(nèi)壁相接觸后再與驗(yàn)電器乙的金屬小球相接觸，驗(yàn)電器乙距球殼A足夠遠(yuǎn)，那么驗(yàn)電器甲和乙的金屬箔片是否張開？圖631提示：處于靜電平衡的金屬球殼，由于電荷間的相互排斥的作用力，電荷間的距離盡量變大，所以電荷分布在金屬球殼的外表面上，在金屬球殼的內(nèi)表面沒有凈電荷的分布。驗(yàn)電器甲與A球殼相連時(shí)，與金屬球殼構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)體，相當(dāng)于金屬球殼的遠(yuǎn)端，則帶有電荷，

2、從而使金屬箔片張開；同理，得出驗(yàn)電器乙不會(huì)帶電，故金屬箔片不張開。記一記1靜電平衡(1)概念：導(dǎo)體中(包括表面)沒有電荷的定向移動(dòng)的狀態(tài)。(2)特點(diǎn)2靜電現(xiàn)象的應(yīng)用(1)靜電屏蔽：處于靜電平衡的空腔導(dǎo)體，腔外電場(chǎng)對(duì)腔內(nèi)空間不產(chǎn)生影響。(2)尖端放電：所帶電荷與導(dǎo)體尖端的電荷符號(hào)相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，與尖端上的電荷中和的現(xiàn)象。試一試1電工穿的高壓作業(yè)服是用銅絲編織的，下列說法正確的是()A銅絲編織的衣服不易拉破，所以用銅絲編織B電工被銅絲編織的衣服包裹，使體內(nèi)電勢(shì)保持為零，對(duì)人體起保護(hù)作用C電工被銅絲編織的衣服包裹，使體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度保持為零，對(duì)人體起保護(hù)作用D銅絲必須達(dá)到一定厚度，才能

3、對(duì)人體起到保護(hù)作用解析：選C金屬殼可以起到靜電屏蔽的作用，使殼內(nèi)部不受外部電場(chǎng)的影響。電容和電容器想一想如圖632所示的實(shí)驗(yàn)裝置中，平行板電容器的極板A與一靈敏的靜電計(jì)相接，極板B接地，若極板B向上移動(dòng)一點(diǎn)，由觀察到的靜電計(jì)指針變化作出平行板電容器電容變小的結(jié)論的依據(jù)是什么？圖632提示：靜電計(jì)指針的變化表現(xiàn)了電容器兩極板電勢(shì)差的變化，在保持電容器帶電荷量Q不變的條件下，若極板B稍向上移動(dòng)一點(diǎn)，則電容器的電容C變小，兩極板間電勢(shì)差U變大。記一記1電容器(1)組成：兩個(gè)彼此絕緣且又相距很近的導(dǎo)體。(2)帶電荷量：一個(gè)極板所帶電荷量的絕對(duì)值。(3)充、放電：充電：把電容器接在電源上后，電容器兩個(gè)極

4、板分別帶上等量的異號(hào)電荷的過程。充電后，兩極板上的電荷由于互相吸引而保存下來；兩極板間有電場(chǎng)存在。充電過程中由電源獲得的電能儲(chǔ)存在電容器中。放電：用導(dǎo)線將充電后的電容器的兩極板接通，兩極板上的電荷中和的過程。放電后的兩極板間不再有電場(chǎng)，電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。2電容(1)定義：電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢(shì)差U的比值。(2)意義：表示電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。(3)定義式：C。(4)單位：1法拉(F)106微法(F)1012皮法(pF)。3平行板電容器的電容(1)決定因素：平行板電容器的電容C跟板間電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)r成正比，跟正對(duì)面積S成正比，跟極板間的距離d成反比。(2

5、)決定式：C。試一試2圖633是一種通過測(cè)量電容器電容的變化，來檢測(cè)液面高低的儀器原理圖，電容器的兩個(gè)電極分別用導(dǎo)線接到指示器上，指示器可顯示電容的大小，下列關(guān)于該儀器的說法中正確的有()圖633A該儀器中電容器的兩個(gè)電極分別是芯柱和導(dǎo)電液體B芯柱外套的絕緣管越厚，該電容器的電容越大C如果指示器顯示出電容增大了，則說明容器中液面升高了D如果指示器顯示出電容減小了，則說明容器中液面升高了解析：選AC類似于平行板電容器的結(jié)構(gòu)：芯柱和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩塊電極，芯柱的絕緣層就是極間的電介質(zhì)，其厚度d相當(dāng)于兩平行板間的距離，進(jìn)入液體深度h相當(dāng)于兩平行板的相對(duì)面積(且h越大，S越大)，所以d大時(shí)C就小

6、，若C大時(shí)就表明h大，正確答案為AC項(xiàng)。帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)想一想如圖634所示，在點(diǎn)電荷Q的電場(chǎng)中有A、B兩點(diǎn)，將質(zhì)子和粒子分別從A點(diǎn)由靜止釋放到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，它們的速度大小之比為多少？圖634提示：質(zhì)子和粒子都是正離子，從A點(diǎn)釋放將受電場(chǎng)力作用加速運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，設(shè)A、B兩點(diǎn)間的電勢(shì)差為U，由動(dòng)能定理有：對(duì)質(zhì)子：mHvqHU，對(duì)粒子：mvqU。所以。記一記1帶電粒子在電場(chǎng)中的加速帶電粒子在電場(chǎng)中加速，若不計(jì)粒子的重力，則電場(chǎng)力對(duì)帶電粒子做的功等于帶電粒子動(dòng)能的增量。(1)在勻強(qiáng)電場(chǎng)中：WqEdqUmv2mv。(2)在非勻強(qiáng)電場(chǎng)中：WqUmv2mv。2帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)(1)研究情況：帶電

7、粒子垂直于電場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)。(2)運(yùn)動(dòng)形式：類平拋運(yùn)動(dòng)(3)處理方法：應(yīng)用運(yùn)動(dòng)的合成與分解。沿初速度方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間t。沿電場(chǎng)方向，做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。試一試3如圖635所示，質(zhì)子(H)和粒子(He)以相同的初動(dòng)能垂直射入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)(粒子不計(jì)重力)，則這兩個(gè)粒子射出電場(chǎng)時(shí)的側(cè)位移y之比為()圖635A11B12C21 D14解析：選B由y和Ek0mv，得：y可知，y與q成正比，B正確。示波管想一想一臺(tái)正常工作的示波管，突然發(fā)現(xiàn)熒光屏上畫面的高度縮小，則產(chǎn)生故障的原因可能是什么？提示：示波管正常工作時(shí)，有關(guān)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸都不會(huì)發(fā)生變化。畫面高度縮小，說明電子從偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)射出

8、時(shí)的偏轉(zhuǎn)角變小，可求出偏轉(zhuǎn)角的正切tan ，引起tan 變小的原因可能是加速電壓U1偏大，或偏轉(zhuǎn)電壓U2偏小。記一記1構(gòu)造電子槍，偏轉(zhuǎn)極板，熒光屏。(如圖636所示)圖6362工作原理(1)YY上加的是待顯示的信號(hào)電壓，XX上是機(jī)器自身產(chǎn)生的鋸齒形電壓，叫做掃描電壓。(2)觀察到的現(xiàn)象：如果在偏轉(zhuǎn)電極XX和YY之間都沒有加電壓，則電子槍射出的電子沿直線運(yùn)動(dòng)，打在熒光屏中心，在那里產(chǎn)生一個(gè)亮斑。若所加掃描電壓和信號(hào)電壓的周期相等，就可以在熒光屏上得到待測(cè)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)變化的穩(wěn)定圖象。試一試4示波器是一種多功能電學(xué)儀器，它是由加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)組成。如圖637所示，電子在電壓為U1的電場(chǎng)中由靜止

9、開始加速，然后射入電壓為U2的平行金屬板間的電場(chǎng)中，入射方向與極板平行，在滿足電子能射出平行電場(chǎng)區(qū)的條件下，下述情況一定能使電子偏轉(zhuǎn)角度變大的是()圖637AU1變大，U2變大 BU1變小，U2變大CU1變大，U2變小 DU1變小，U2變小解析：選B電子通過加速電場(chǎng)有eU1mv，在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中，垂直于電場(chǎng)線的方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則運(yùn)動(dòng)時(shí)間t。在平行于電場(chǎng)線的方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度a，末速度vyat，且偏轉(zhuǎn)位移yat2，偏轉(zhuǎn)角tan ，所以 。平行板電容器的動(dòng)態(tài)問題分析1.運(yùn)用電容器定義式和決定式分析電容器相關(guān)量變化的思路(1)確定不變量，分析是電壓不變還是所帶電荷量不變。(2)

10、用決定式C分析平行板電容器電容的變化。(3)用定義式C分析電容器所帶電荷量或兩極板間電壓的變化。(4)用E分析平行板電容器極板間勻強(qiáng)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的變化。2兩類動(dòng)態(tài)問題分析比較(1)第一類動(dòng)態(tài)變化：兩極板間電壓U恒定不變(2)第二類動(dòng)態(tài)變化：電容器所帶電荷量Q恒定不變 例1如圖638所示，平行板電容器與電動(dòng)勢(shì)為E的直流電源(內(nèi)阻不計(jì))連接，下極板接地。一帶電油滴位于電容器中的P點(diǎn)且恰好處于平衡狀態(tài)?，F(xiàn)將平行板電容器的上極板豎直向上移動(dòng)一小段距離，則()圖638A帶電油滴將沿豎直方向向上運(yùn)動(dòng)BP點(diǎn)的電勢(shì)將降低C帶電油滴的電勢(shì)能將減小D若電容器的電容減小，則極板帶電荷量將增大嘗試解題上極板向上移動(dòng)一小段

11、距離后，板間電壓不變，仍為E，故電場(chǎng)強(qiáng)度將減小，油滴所受電場(chǎng)力減小，故油滴將向下運(yùn)動(dòng)，A錯(cuò)；P點(diǎn)的電勢(shì)大于0，且P點(diǎn)與下極板間的電勢(shì)差減小，所以P點(diǎn)的電勢(shì)降低，B對(duì)；兩極板間電場(chǎng)方向豎直向下，所以P點(diǎn)的油滴應(yīng)帶負(fù)電，當(dāng)P點(diǎn)電勢(shì)減小時(shí)，油滴的電勢(shì)能應(yīng)增加，C錯(cuò)；電容器的電容C，由于d增大，電容C應(yīng)減小，極板帶電荷量QCE將減小，D錯(cuò)。答案B平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析問題常見的類型平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析問題有兩種情況：一是電容器始終和電源連接，此時(shí)U恒定，則QCUC，而C，兩板間場(chǎng)強(qiáng)E；二是電容器充電后與電源斷開，此時(shí)Q恒定，則U，C，場(chǎng)強(qiáng)E。帶電體在電場(chǎng)中的平衡與加速1.帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)重力的

12、處理(1)基本粒子：如電子、質(zhì)子、粒子、離子等，除有說明或明確的暗示以外，一般都不考慮重力(但并不忽略質(zhì)量)。(2)帶電顆粒：如液滴、油滴、塵埃、小球等，除有說明或有明確的暗示以外，一般都不能忽略重力。2帶電粒子在電場(chǎng)中的平衡解題步驟：選取研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析，注意電場(chǎng)力的方向特點(diǎn)。由平衡條件列方程求解。3帶電粒子在電場(chǎng)中的變速直線運(yùn)動(dòng)可用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和牛頓第二定律求解或從功能角度用動(dòng)能定理或能量守恒定律求解。例2(2012濟(jì)南模擬)如圖639所示，一帶電荷量為q、質(zhì)量為m的小物塊處于一傾角為37的光滑斜面上，當(dāng)整個(gè)裝置被置于一水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，小物塊恰好靜止。重力加速度取g，sin 37

13、0.6，cos 370.8。求：圖639(1)水平向右電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度；(2)若將電場(chǎng)強(qiáng)度減小為原來的，物塊的加速度是多大；(3)電場(chǎng)強(qiáng)度變化后物塊下滑距離L時(shí)的動(dòng)能。審題指導(dǎo)第一步：抓關(guān)鍵點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)獲取信息光滑斜面不計(jì)摩擦恰好靜止受力平衡第二步：找突破口(1)要求“電場(chǎng)強(qiáng)度”應(yīng)根據(jù)平衡條件求解。(2)要求“加速度”應(yīng)用牛頓第二定律求解。(3)要求“動(dòng)能”應(yīng)用動(dòng)能定理或功能關(guān)系求解。嘗試解題(1)小物塊靜止在斜面上，受重力、電場(chǎng)力和斜面支持力，受力圖如圖所示，則有FNsin 37qEFNcos 37mg由可得E(2)若電場(chǎng)強(qiáng)度減小為原來的，即E由牛頓第二定律得mgsin 37qEcos 37 ma

14、可得a0.3g(3)電場(chǎng)強(qiáng)度變化后物塊下滑距離L時(shí)，重力做正功，電場(chǎng)力做負(fù)功，由動(dòng)能定理得mgLsin 37qELcos 37Ek0可得Ek0.3mgL答案(1)(2)0.3g(3)0.3mgL帶電體在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的分析方法與力學(xué)的分析方法基本相同：先分析受力情況，再分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)過程(平衡、加速或減速；是直線還是曲線)；然后選用恰當(dāng)?shù)囊?guī)律解題。也可以從功和能的角度分析：帶電體的加速(含偏轉(zhuǎn)過程中速度大小的變化)過程是其他形式的能和動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)化過程。解決這類問題，可以用動(dòng)能定理或能量守恒定律。帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問題1.兩個(gè)結(jié)論(1)不同的帶電粒子從靜止開始經(jīng)過同一電場(chǎng)加速后再從同一

15、偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)射出時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度總是相同的。證明：由qU0mv及tan得tan (2)粒子經(jīng)電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后，合速度的反向延長(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到電場(chǎng)邊緣的距離為。2帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的功能關(guān)系當(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：qUymv2mv，其中Uyy，指初、末位置間的電勢(shì)差。例3(2012云南名校聯(lián)考)如圖6310所示直流電源的路端電壓U182V。金屬板AB、CD、EF、GH相互平行、彼此靠近。它們分別和變阻器上的觸點(diǎn)a、b、c、d連接。變阻器上ab、bc、cd段電阻之比為123?？譕1正對(duì)B和E，孔O2正對(duì)D和G。邊緣F、H正對(duì)。一個(gè)電子以初

16、速度v04106m/s沿AB方向從A點(diǎn)進(jìn)入電場(chǎng)，恰好穿過孔O1和O2后，從H點(diǎn)離開電場(chǎng)。金屬板間的距離L12 cm，L24 cm，L36 cm。電子質(zhì)量me9.11031 kg，電量q1.61019C。正對(duì)兩平行板間可視為勻強(qiáng)電場(chǎng)，求：圖6310(1)各相對(duì)兩板間的電場(chǎng)強(qiáng)度。(2)電子離開H點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能。(3)四塊金屬板的總長(zhǎng)度(ABCDEFGH)。嘗試解題(1)三對(duì)正對(duì)極板間電壓之比U1U2U3RabRbcRcd123。板間距離之比L1L2L3123故三個(gè)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)相等E1 516.67 N/C(2)根據(jù)動(dòng)能定理eUmv2mv電子離開H點(diǎn)時(shí)動(dòng)能EkmveU3.641017 J(3)由于板間場(chǎng)強(qiáng)相

17、等，則電子在豎直方向受電場(chǎng)力不變，加速度恒定可知電子做類平拋運(yùn)動(dòng)：“豎直方向”L1L2L3t2“水平方向”xv0t消去t解得x0.12 m極板總長(zhǎng)ABCDEFGH2x0.24 m。答案(1)1 516.67 N/C(2)3.641017 J(3)0.24 m帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問題的兩種求解思路1運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)(1)運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)是指用勻變速運(yùn)動(dòng)的公式來解決實(shí)際問題，一般有兩種情況：帶電粒子初速度方向與電場(chǎng)線共線，則粒子做勻變速直線運(yùn)動(dòng)；帶電粒子的初速度方向垂直電場(chǎng)線，則粒子做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)(類平拋運(yùn)動(dòng))。(2)當(dāng)帶電粒子在電場(chǎng)中做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般要采取類似平拋運(yùn)動(dòng)的解決方法。2功能觀點(diǎn)

18、：首先對(duì)帶電體受力分析，再分析運(yùn)動(dòng)形式，然后根據(jù)具體情況選用公式計(jì)算。(1)若選用動(dòng)能定理，則要分清有多少個(gè)力做功，是恒力做功還是變力做功，同時(shí)要明確初、末狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)能的增量。(2)若選用能量守恒定律，則要分清帶電體在運(yùn)動(dòng)中共有多少種能量參與轉(zhuǎn)化，哪些能量是增加的，哪些能量是減少的。高考對(duì)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問題的考查頻率很高，題目通常結(jié)合力學(xué)知識(shí)和電學(xué)知識(shí)綜合考查，主要考查辨析能力和綜合分析能力，題目難度中等偏上，考生得分一般較低。典例(19分)(2012四川高考)如圖6311所示，ABCD為固定在豎直平面內(nèi)的軌道，AB段，BC段為，對(duì)應(yīng)的圓心角37，半徑r2.5 m，CD段平直

19、傾斜且粗糙，傾斜軌道所在區(qū)域有場(chǎng)強(qiáng)大小為E2105 N/C、方向垂直于斜軌向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)。質(zhì)量m5102 kg、電荷量q1106 C的小物體(視為質(zhì)點(diǎn))被彈簧槍發(fā)射后，沿水平軌道向左滑行，在C點(diǎn)以速度v03 m/s沖上斜軌。以小物體通過C點(diǎn)時(shí)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，0.1 s以后，。已知斜軌與小物體間的動(dòng)摩擦因數(shù)0.25。設(shè)小物體的電荷量保持不變，取g10 m/s2，sin 370.6，cos 370.8。圖6311(1)求彈簧槍對(duì)小物體所做的功；(2)在斜軌上小物體能到達(dá)的最高點(diǎn)為P，求CP的長(zhǎng)度。第一步：審題干，抓關(guān)鍵信息關(guān)鍵點(diǎn)獲取信息摩擦不計(jì)無碰撞，沒有能量損失電場(chǎng)力的方向改變，物體與斜面的正壓力改

20、變，摩擦力大小改變，物體的加速度改變第二步：審設(shè)問，找問題的突破口第三步：三定位，將解題過程步驟化第四步：求規(guī)范，步驟嚴(yán)謹(jǐn)不失分解(1)設(shè)彈簧槍對(duì)小物體做功為W，由動(dòng)能定理得Wmgr(1cos )mv(4分)代入數(shù)據(jù)得W0.475 J(2分)(2)取沿平直斜軌向上為正方向。設(shè)小物體通過C點(diǎn)進(jìn)入電場(chǎng)后的加速度為a1，由牛頓第二定律得mgsin (mgcos qE)ma1(3分)小物體向上做勻減速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)t10.1 s后，速度達(dá)到v1，有v1v0a1t1(1分)由可得v12.1 m/s，設(shè)運(yùn)動(dòng)的位移為s1，有s1v0t1a1t(1分)電場(chǎng)力反向后，設(shè)小物體的加速度為a2，由牛頓第二定律得mgsin

21、 (mgcos qE)ma2(3分)設(shè)小物體以此加速度運(yùn)動(dòng)到速度為0，運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t2，位移為s2，有0v1a2t2(1分)s2v1t2a2t(1分)設(shè)CP的長(zhǎng)度為s，有ss1s2(1分)聯(lián)立相關(guān)方程，代入數(shù)據(jù)解得s0.57 m(2分)考生易犯錯(cuò)誤(1)在中因三角函數(shù)弄錯(cuò)而失6分。(2)在中不能正確的受力分析，而在計(jì)算摩擦力時(shí)出錯(cuò)，失6分。(3)在中因不明確物體在兩運(yùn)動(dòng)階段的內(nèi)在聯(lián)系而不能正確列方程，失5分。 名師叮囑(1)帶電體運(yùn)動(dòng)的過程若包含多個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，要分段處理。(2)對(duì)帶電體在不同運(yùn)動(dòng)階段進(jìn)行正確的受力分析，求加速度。(3)找出各階段的內(nèi)在聯(lián)系，如速度關(guān)系，位移關(guān)系，能量關(guān)系等。12