靜電場中的E-x圖像和φ-x圖像的認識與理解

2020-12-17 隴上大成

靜電場這一章節的知識是歷年高考考查的熱點,常常涉及E-x圖象和φ-x圖像的應用,這種題型能較好地考查學生的抽象思維能力及思維方法,要求較高,學生往往感覺難度較大.

要順利解決靜電場中E-xφ-x圖象的應用問題,首先必須熟練掌握靜電場中的基本概念以及各物理量的意義.靜電場中的基本概念較多,如點電荷、電場力、電場強度、電場線、等勢面、電勢能、電勢、電勢差、電容等,涉及的物理量中有標量有矢量,而且電場本身比較抽象,學生容易混淆,理解起來也比較用難.所以你在學習的過程中,要把抽象的內容具體化、可視化.在學習電場線和等勢線的時候,可以自己通過受力分析,嘗試畫一畫點電荷、等量同種或異種電荷的電場線的分布.再往後學習到電勢能、電場力做功、電勢、電勢差,需要學會畫等勢線的分布,這時可以結合電場線和等勢線的垂直關係,粗略畫出等勢線的分布,再通過電勢隨電場線的方向的降低關係加以修正,畫出等差等勢線,這也是書上默認地畫出需要同學們認識並學會的內容.

如果你真的懶得這麼做,再差勁再降低要求也得把教材上已給出的電場線的分布、等勢線的分布自己動手模仿畫一畫,完全弄清楚常見的電場線和等勢線的分布情況.

學到電勢能、電勢、電勢差以及電場力做功與電勢能變化的關係時,可以採用類比重力場的方法,雖然對電場比較陌生但對之前學過的重力場是比較熟悉的,通過這樣的類比,就可以很快能夠將重力場中學到的有關知識遷移到電場中來,這樣容易建構起電場的能的框架,學起來也輕鬆,而且也鞏固了前面所學的知識,取到事半功倍的效果.

靜電場這一章有9節的內容,學會了電場強度、電勢能、電勢、電勢差、電場力做功,基本上就可以說本章內容學完了80%左右的內容了.下面將結合2道例題說清楚靜電場中E-xφ-x圖象.

例1.空間存在一沿x軸方向的靜電場,電場強度Ex變化的關係如圖所示,圖線關於坐標原點對稱,ABx軸上關於原點對稱的兩點.下列說法中正確的是( )

A.O點處電勢最低

B.AB兩點的電勢相等

C.電子在AB兩點的加速度方向相反

D.電子從A點由靜止釋放後的運動軌跡可能是曲線

解析:因場強是矢量,其正負表示方向,由E-x圖像可以看出,在x軸正半軸E>0,沿x軸正方向;在x軸負半軸E<0,沿x軸負方向,又沿電場方向電勢降低,所以O點處電勢不是最低,選項A錯誤;再根據公式U=Ed應用微元法可分析得出E-x圖像的「面積」代表電勢差,故A、B兩點的電勢相等,選項B正確;AB兩點的場強方向相反,電子在AB兩點受到的電場力方向相反,加速度方向相反,選項C正確;當電子由A點釋放後一直受到沿x軸方向上的力作用,即力與運動方向一直在同一條直線上,故電子只能做直線運動,故D錯誤.

答案:BC

解決此類問題應注意:①E-x圖像縱坐標的絕對值表示場強的大小、正負表示場強方向;②E-x圖像所圍的面積表示電勢差.

例2.某靜電場中的一條電場線與x軸重合,其電勢φ的變化規律如圖所示,在O點由靜止釋放一電子,電子僅受電場力的作用,則在-x0~x0區間內( )

A.該靜電場是勻強電場

B.該靜電場是非勻強電場

C.電子將沿x軸正方向運動,加速度逐漸減小

D.電子將沿x軸正方向運動,加速度逐漸增大

解析:由圖像可知電勢與距離不成正比,即圖像斜率不恆定,由公式U=Ed,可知該靜電場是非勻強電場,A錯誤B正確;根據沿著電場線方向電勢降低,由圖像可知電場線的方向為x軸負方向,當電子從O點開始沿x軸正方向運動,則電勢隨距離變化越來越慢,電場強度減小,所以電場力也減小,故加速度大小減小,故C正確,D錯誤.

答案:BC

解決此類問題應注意:φ-x圖像斜率的絕對值表示場強的大小、電勢變化的梯度方向即為場強方向.

綜上所述2個例題的分析,我們可以總結出:

①電場強度是電勢對空間位置的變化率,電勢隨空間位置變化越快,則電場強度越強。這一點類似於速度是位移對時間的變化率,位移隨時間變化越快,則速度越大.

②電場強度位置圖像E-x圖像縱坐標的絕對值表示場強的大小、正負表示場強方向,φ-x圖像所圍的面積表示電勢差.類似於速度時間圖像中縱坐標的絕對值表示速度的大小、正負表示速度方向,速度時間圖像所圍成的面積表示位移.只要充分理解了圖像的物理意義就可以靈活應用圖像來分析問題、解決問題.

不過也要提醒你,E-x圖像沒有再進一步討論斜率到底是什麼,但在速度時間圖像v-t由斜率定義出了加速度,用該物理量來表示速度變化的快慢.

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