(共47张PPT)
第一节 电容器与电容
第二章
2022
内容索引
01
02
课前篇 自主预习
课堂篇 探究学习
学习目标
1.知道电容器的概念,认识常见的电容器.(物理观念)
2.结合具体问题建构电容器动态分析模型.(科学思维)
3.观察电容器的充、放电现象,探究平行板电容器电容的决定因素.(科学探究)
思维导图
课前篇 自主预习
【必备知识】
一、识别电容器
1.电容器由两个互相靠近、彼此绝缘的导体组成,电容器的导体间可以填充绝缘物质(电介质).
2.常见电容器有:陶瓷电容器、薄膜电容器、铝电解电容器、钽电解电容器、微调电容器、调谐电容器.
二、电容器的充放电
1.充电:使电容器的两极板带上等量异种电荷的过程.每一极板所带电量的绝对值称为电容器所带的电量.
2.放电:使电容器两极板上的电荷中和的过程.电场能在放电过程中转换成其他形式的能量.
想一想
如图所示,开关S与“1”端接触后,再与“2”端接触,灯泡是否发光 怎样解释 若发光,电流方向如何
提示 开关S与“1”接触,给电容器充电,上极板带正电荷,下极板带等量负电荷,当电容器上电压与电源电压相同时,充电完毕;当开关S接“2”时,电容器通过灯泡放电,放电电流是从正极板流出沿灯泡向下,随电荷量减少电压降低,灯泡逐渐变暗,放电完毕,灯泡熄灭.
三、电容器的电容
1.定义:电容器所带的 电量Q 与电容器两极板间的电压U 之比.
2.定义式: .
3.单位:电容的国际单位是法拉,符号为F,常用的单位还有微法和皮法,1 F=106 μF=1012 pF.
4.物理意义:电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量.
四、决定电容的因素
1.由于平行板电容器的电容与多种因素有关,故可以采取控制变量法探究.
2.平行板电容器
(1)平行板电容器的电容C跟两极板的正对面积S成正比,与两极板间的距离d成反比,并与两极板间插入的电介质有关.
(2)公式: .εr是一个常数,与电介质的性质有关.
想一想如图甲所示为收音机中使用的调谐电容器,如图乙所示为利用电容式传感器测量油箱中油量多少的装置,试分析两种电容器的工作原理.
提示 图甲中的电容器是通过改变电容器的正对面积改变电容的;图乙中的电容器是通过改变电容器两极板间电介质的高度来改变电容的.
【自我检测】
1.判断正误,判断结果为错误的小题请说明原因.
(1)两个彼此绝缘又相互靠近的导体可组成电容器,无论两导体是否带电.( )
答案 √
(2)电容器放电过程中两极板间电压逐渐减小.( )
答案 √
(3)电容器所带的电荷量Q是指电容器的一个极板上所带电荷量的绝对值.( )
答案 √
(4)平行板电容器的电容与两极板间的电压有关.( )
解析 电容由电容器本身决定,与电压无关.
答案 ×
(5)电容器两极板上电荷量越多,极板间的电压越大( )
答案 √
(6)平行板电容器的极板正对面积S、极板间距离d越大,电容器的电容就越大.( )
解析 根据 可知,S、d越大,电容不一定越大.
答案 ×
2.(多选)有一个电介质为空气的平行板电容器,极板间相距d,正对面积为S,充以电荷量Q后,两极板间电压为U,为使电容器的电容加倍,可采用的办法是( )
解析 电容器的电容与电容器极板上的电荷量、电压无关,所以选项A、B不正确;根据公式 ,可知选项C、D正确.
答案 CD
3.(多选)对于给定的电容器,描述其电容C、电荷量Q、电压U之间的相应关系的图像正确的是( )
解析 对于一个给定的电容器,电容是确定的,不会随电荷量、电压的改变而改变;由电容的定义式可以知道,电荷量跟电容器两端的电压成正比.选项B、C正确.
答案 BC
课堂篇 探究学习
探究一
电容器的充电和放电
【问题情境】
把直流电源、电阻、电容器、电流表、电压表
以及单刀双掷开关组装成实验电路.
(1)把开关S接1,此时电源给电容器充电.在充电
过程中,电压表和电流表的示数如何变化 说明了什么问题
(2)把开关S接2,电容器对电阻R放电.在放电过程中,电压表和电流表的示数如何变化 说明了什么问题
要点提示 (1)电压表示数迅速增大,随后逐渐稳定在某一数值,电流表示数逐渐减小至0,说明电容器两极板具有一定的电势差.充电完毕时电容器两极板带有一定的等量异种电荷,即使断开电源,两极板上的电荷仍然被保存在电容器中.
(2)电压表示数和电流表示数都逐渐减小,说明放电电流由电容器的正极板经过电阻R流向电容器的负极板,正负电荷中和.此时两极板所带的电荷量减小,电势差减小,放电电流也减小,最后两极板电势差以及放电电流都等于0.
【知识归纳】
1.充电过程的特点
(1)充电电流从电容器正极板流入,从电容器负极板流出,如图甲所示.
(2)充电时电容器所带电荷量增加,极板间电压升高,极板间电场强度增大.
(3)电容器充电结束后,电容器所在电路中无电流,电容器两极板间电压与充电电压相等.
(4)充电过程中,其他能转化为电容器中的电场能.
2.放电过程的特点
(1)放电电流从电容器正极板流出,从电容器负极板流入,如图乙所示.
(2)放电时电容器所带电荷量减少,极板间电压降低,极板间电场强度减弱.
(3)电容器放电结束后,电容器所在电路中无电流,电容器不再带有电荷,电容器两极板间电压为零.
(4)放电过程中,电场能转化为其他能.
【典例剖析】
例1(多选)电子眼系统通过路面下埋设的感应线来感知汽车的压力.感应线是一个压电薄膜传感器,压电薄膜在受压时两端产生电压,压力越大电压越大.压电薄膜与电容器C
和电阻R组成图甲所示的回路,红灯亮时,如果汽车的前、后轮先后经过感应线,回路中产生两次脉冲电流,如图乙所示,即视为“闯红灯”,电子眼拍照.则红灯亮时( )
A.车轮停在感应线上时,电阻R上有恒定电流
B.车轮经过感应线的过程中,电容器先充电后放电
C.车轮经过感应线的过程中,电阻R上的电流先减小后增大
D.汽车前轮刚越过感应线,又倒回到线内,仍会被电子眼拍照
解析 车轮停在感应线上时,压力不变,则电压不变,电容器的电压等于该电压后就不再变化,电阻R上没有电流,故A错误;由题图乙可知,当车轮经过感应线时,电流先增大后减小,然后再反向增大后减小,因电压是在受压时产生的,故说明电容器先充电后放电,故B正确,C错误;若汽车前轮刚越过感应线,又倒回到线内,则前轮两次压线,仍形成两个脉冲电流,符合拍照条件,电子眼仍会拍照,故D正确.
答案 BD
规律方法 充电电流与放电电流
(1)电容器两极板间的电介质是绝缘物质,所以充电结束后的电容器相当于断路.
(2)充电过程中,电荷由电源定向移动,在两极板上集聚,形成充电电流.
(3)放电过程中,电荷由极板流向用电器,形成放电电流,电流由正极板流向用电器.
变式训练 1如图所示为我国自主研发、全球首创的“超级电容器”,这种电容器安全性高,可反复充、放电100万次以上,使用寿命长达12年,且容量超大(达到9 500 F),能够在10 s内完成充电.则该“超级电容器”( )
A.充电过程中电流是恒定电流
B.充电过程中两极板间的电压逐渐增大
C.充电时电容器的正极应接电源的负极
D.放电过程中电容器的化学能转化为电能
解析 电容器的充电电流随着电荷量的增加而减小,故A错误;充电过程,极板所带电荷量逐渐增大,根据 可知,两极板间的电压逐渐增大,故B正确;充电时电源的正极要接电容器的正极,故C错误;放电过程中是内部的电场能转化为电路中其他形式的能,故D错误.
答案 B
探究二
对电容的理解
【问题情境】
当电容器的电荷量增加时,电容器两极板间的电势差如何变化 电荷量Q和板间电势差U的比值是否发生变化
要点提示 增大 不变
【知识归纳】
没有电荷时,仍有电容
1. 为比值定义式.C的大小与Q、U无关,只跟电容器本身有关,当Q=0时,U=0,而C并不为零.
2.电容是电容器本身的一种属性,大小由电容器自身的构成情况决定.
3.对Q-U图像的理解
如图所示,Q-U图像为一条过原点的直线,其中Q为一个极板上所带电荷量的绝对值,U为两极板间的电势差,可以看出,电容器的电容也可以表示为
,即电容器的电容的大小在数值上等于两极板间的电压增加(或减小)1 V时所需增加(或减少)的电荷量.
【典例剖析】
例2一个平行板电容器,使它每个极板所带电荷量从Q1=3×10-5 C增加到Q2=3.6×10-5 C时,两极板间的电势差从U1=10 V增加到U2=12 V,则这个电容器的电容是多少 如要使两极板电势差从U1=10 V降到U2'=6 V,则每个极板需减少多少电荷量
解析 由电容器的电容定义式 可知Q=CU.
当电荷量为Q1时,Q1=CU1.
当电荷量为Q2时,Q2=CU2.
Q2-Q1=C(U2-U1),
当两极板间电势差降到6 V时,每个极板应减少的电荷量为
ΔQ'=CΔU'=3×10-6×(10-6)C=1.2×10-5 C.
答案 3 μF 1.2×10-5 C
规律方法 求解电容器的电容的两点注意
变式训练 2板间距为d的平行板电容器所带电荷量为Q时,两极板间电势差为U1,板间场强为E1,现将电容器所带电荷量变为2Q,板间距变为 d,其他条件不变,这时两极板间电势差为U2,板间场强为E2,下列说法正确的是( )
A.U2=U1,E2=E1
B.U2=2U1,E2=4E1
C.U2=U1,E2=2E1
D.U2=2U1,E2=2E1
答案 C
探究三
对平行板电容器的理解
【问题情境】
平行板电容器由两块平行放置的金属板组成.利用已经充电的平行板电容器进行实验,
如图所示,保持Q和S不变,增大两极板间的距离d,观察电势差U(静电计指针偏角)的变化,分析电容C的变化.
要点提示 d增大,电势差U增大,电容C减小.
【知识归纳】
1.两个电容公式的比较
2.平行板电容器动态问题的分析思路
【典例剖析】
例3如图所示,A、B为两块竖直放置的平行金属板,G是静电计,开关S闭合后,静电计指针张开一定角度.下述做法可使静电计指针张角增大的是( )
A.使A板向左平移以增大板间距离
B.在A、B两板之间插入一块陶瓷板
C.断开S后,使B板向左平移以减小板间距离
D.断开S后,使B板向上平移以减小极板正对面积
解析 开关S闭合,电容器两端的电势差不变,则指针的张角不变,故A、B错误;断开S,电容器所带的电荷量不变,当B板向左平移减小板间距时,根据平行板电容器的表达式可知电容增大,根据 知,电势差减小,则指针张角减小,故C错误;断开S,电容器所带的电荷量不变,使B板向上平移减小正对面积,电容减小,根据 知,电势差增大,则指针张角增大,故D正确.
答案 D
规律方法 分析电容器相关物理量的变化时,要注意抓住不变量.电容器充电后保持与电源相连,则两极板间的电压不变.若充电后与电源断开且未放电,则两极板的电荷量不变.
变式训练 3如图所示,平行板电容器的两极板A、B接电池两极,一带正电的小球悬挂在电容器内部,闭合S,给电容器充电,这时悬线偏离竖直方向的夹角为θ,则下列说法正确的是( )
A.保持S闭合,将A板向B板靠近,则θ增大
B.保持S闭合,将A板向B板靠近,则θ不变
C.断开S,将A板向B板靠近,则θ增大
D.断开S,将A板向B板靠近,则θ减小
答案 A
随堂训练
1.(多选)下列关于电容器和电容的说法中,正确的是( )
A.根据 可知,电容器的电容与其所带电荷量成正比,跟两板间的电压成反比
B.对于确定的电容器,其所带电荷量与两板间的电压成正比
C.无论电容器的电压如何变化(小于击穿电压且不为零),它所带的电荷量与电压的比值都恒定不变
D.电容器的电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量,其大小与加在两板间的电压无关
解析 电容器的电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量,是电容器的一种特性.一个电容器对应唯一的电容值,不能说电容器的电容与其所带电荷量成正比,与两极板间的电压成反比,因此A错误,C、D正确;由于电容是定值,由Q=CU知,其所带电荷量与两板间的电压成正比,故B正确.
答案 BCD
2.(2021黑龙江哈尔滨三中月考)下列关于电容器的说法中正确的是( )
A.电容器所带的电荷量为两个极板所带电荷量的绝对值之和
B.电容器的电容与电容器所带电荷量成正比
C.一个电容器的电荷量增加ΔQ=1.0×10-6 C时,两极板间的电势差升高ΔU=10 V,则电容器的电容C=1.0×10-7 F
D.放电后的电容器所带电荷量为零,电容也为零
解析 电容器所带的电荷量是指一个极板所带电荷量的绝对值,A错误;电容器的电容是反映其容纳电荷本领大小的物理量,完全由电容器本身的属性决定,与电容器是否带电荷及带电荷量多少无关,B、D错误;由 ,可得电容器的电容C=1.0×10-7 F,C正确.
答案 C
3.如图所示实验中,关于平行板电容器的充、放电,下列说法正确的是( )
A.开关接1时,平行板电容器充电,且上极板带正电
B.开关接1时,平行板电容器充电,且上极板带负电
C.开关接2时,平行板电容器充电,且上极板带正电
D.开关接2时,平行板电容器充电,且上极板带负电
解析 开关接1时,平行板电容器充电,上极板与电源正极相连而带正电,A正确,B错误;开关接2时,平行板电容器放电,放电结束后上下极板均不带电,C、D错误.
答案 A
4.一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,极板间的电场强度变大
B.极板上的电荷量变小,极板间的电场强度变大
C.极板上的电荷量变大,极板间的电场强度不变
D.极板上的电荷量变小,极板间的电场强度不变
答案 D(共50张PPT)
第二节 带电粒子在电场中的运动
第二章
2022
内容索引
01
02
课前篇 自主预习
课堂篇 探究学习
学习目标
1.掌握带电粒子在电场中加速、偏转的规律.(物理观念)
2.会分析带电粒子在电场中加速、偏转时加速度、速度和位移等物理量的变化.(科学思维)
3.会分析带电粒子在电场中加速、偏转时的能量转化.(科学思维)
4.了解示波器的工作原理,体会静电场知识对科学技术的影响.(科学态度与责任)
思维导图
课前篇 自主预习
【必备知识】
一、带电粒子在电场中的加速
1.基本粒子的受力特点:对于质量很小的基本粒子,如电子、质子等,虽然它们也会受到万有引力(重力)的作用,但万有引力(重力)一般远小于电场力,可以忽略.
2.带电粒子加速问题的处理方法:利用动能定理分析.
初速度为零的带电粒子,经过电势差为U的电场加速后,
二、加速器
1.早期制成的加速器是利用高电压的电场来加速带电粒子的.
2.由于实际电压有限,为了进一步提高带电粒子的能量,科学家制成了
直线加速器,让带电粒子通过多级电场来加速.
三、带电粒子在电场中的偏转
1.运动特点
(1)垂直电场方向:不受力,做匀速直线运动.
(2)沿着电场方向:受恒定的电场力,做初速度为零的匀加速直线运动.
2.运动规律
四、示波器
1.构造
示波器的核心部件是示波管,它主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成,如图所示.
2.原理
(1)基本原理:带电粒子在电场力作用下加速和偏转.
(2)示波器的灯丝通电后给阴极加热,使阴极发射电子.电子经阳极和阴极间的电场加速聚焦后形成一很细的电子束,电子射出打在管底的荧光屏上,形成一个小亮斑.亮斑在荧光屏上的位置可以通过调节Y偏转板与X偏转板上的电压大小来控制.
想一想
如图所示,带电粒子(不计重力)从两极板中间垂直电场线方向进入电场,在电场中的运动时间与什么因素有关
【自我检测】
1.判断正误,判断结果为错误的小题请说明原因.
(1)基本粒子所受重力比电场力小得多,可以忽略不计.( )
答案 √
(2)带电粒子在电场中运动时,电场力对粒子一定做正功.( )
解析 电场力可能做正功,也可能做负功,也可能不做功.
答案 ×
(3)电场力对带电粒子做正功时,粒子的动能一定增大.( )
解析 带电粒子不一定只受电场力的作用,只有合力做正功时,动能才增加.
答案 ×
(4)带电粒子垂直进入电场后(仅受到电场力)偏转过程中的动能是不断增加的.( )
答案 √
2.下列粒子从初速度为零的状态经过电压为U的电场加速后,粒子速度最大的是( )
A.质子 B.氘核
C.氦核 D.钠离子
答案 A
3.(多选)示波管是示波器的核心部件,它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成,如图所示.如果在荧光屏上P点出现亮斑,那么示波管中的( )
A.极板X应带正电
B.极板X'应带正电
C.极板Y应带正电
D.极板Y'应带正电
解析 由题意知电子在偏转电极YY'间向Y板运动,故Y板带正电,C正确,D错误;在偏转电极XX'间向X板运动,故X板带正电,A正确,B错误.
答案 AC
课堂篇 探究学习
探究一
带电粒子的加速
【问题情境】
在真空中有一对平行金属板,由于接上电池组而
带电,两板间电势差为U,若一个质量为m、带正电
荷q的粒子,以初速度v0从正极板附近向负极板运动.
(1)怎样计算该粒子到达负极板时的速度
(2)若粒子带的是负电荷,将做匀减速直线运动,如果能到达负极板,其速度变为多少
(3)上述问题中,两块金属板是平行的,两板间的电场是匀强电场,如果两金属板是其他形状,中间的电场不再均匀,上面的结果是否仍然适用 为什么
(3)结果仍然适用.因为不管是否为匀强电场,静电力做功都可以用W=qU计算,动能定理仍然适用.
【知识归纳】
1.带电粒子的分类及受力特点
(1)电子、质子、α粒子、离子等微粒,一般都不考虑重力.
(2)质量较大的物体:带电小球、带电油滴、带电颗粒等,除有说明或有明确的提示外,处理问题时一般都不能忽略重力.
2.带电粒子在电场中做直线运动问题的分析方法
【典例剖析】
例1(多选)如图所示为示波管中电子枪的原理示意图,示波管内被抽成真空.A、K间电压为U,电子离开A时的速度可以忽略,电子经加速后从K小孔中射出时的速度大小为v.下面的说法中正确的是( )
答案 AC
规律方法 分析带电粒子在电场力作用下加速运动的两种方法
(1)利用牛顿第二定律F=ma和运动学公式.只能用来分析带电粒子的匀变速运动.
变式训练 1如图所示,M和N是匀强电场中的两个等势面,相距为d,电势差为U,一质量为m(不计重力)、电荷量为-q的粒子,以速度v0通过等势面M射入两等势面之间,则该粒子穿过等势面N的速度应是( )
答案 C
探究二
带电粒子的偏转
【问题情境】
如图所示,质量为m、电荷量为q的粒子以初速度v0垂直于电场方向射入两极板间并从另外一侧射出,两平行板间存在方向竖直向下的匀强电场,已知板长为l,板间电压为U,板间距为d,不计粒子的重力.
(1)怎样求带电粒子在电场中运动的时间t
(2)粒子加速度大小是多少 方向如何
(3)怎样求粒子射出电场时在静电力方向上的偏转距离
(4)粒子离开电场时垂直电场方向和沿电场方向的速度是多少
(5)合速度与初速度方向的夹角θ的正切值是多少
(6)粒子合位移与初速度方向的夹角α的正切值是多少
【知识归纳】
1.基本规律
2.几个常用推论 和平抛运动规律相似
(1)tan θ=2tan α.
(2)粒子从偏转电场中射出时,其速度反向延长线与初速度方向延长线交于沿初速度方向分位移的中点.
(3)以相同的初速度进入同一个偏转电场的带电粒子,不论m、q是否相同,只要 相同,即比荷相同,则偏转距离y和偏转角θ相同.
(4)若以相同的初动能Ek0进入同一个偏转电场,只要q相同,不论m是否相同,则偏转距离y和偏转角θ相同.
(5)不同的带电粒子经同一加速电场加速后(即加速电压相同),进入同一偏转电场,则偏转距离y和偏转角θ相同
【典例剖析】
例2一束电子流经U=500 V的加速电压加速后,在距两极板等距处垂直进入平行板间的匀强电场,如图所示,若两极板间距d=1.0 cm,板长l=5.0 cm.
(1)要使电子能从平行板间飞出,两个极板上最多能加多大电压
(2)在保持所加最大电压不变的情况下,将电子流改为质子流,质子能否从两极板间飞出
答案 (1)40 V (2)见解析
规律方法 带电粒子在电场中运动问题的处理方法
带电粒子在电场中运动的问题实质上是力学问题的延续,从受力角度看,带电粒子与一般物体相比多受到一个电场力;从处理方法上看,仍可利用力学中的规律分析,如选用平衡条件、牛顿运动定律、动能定理、功能关系、能量守恒等.
变式训练 2长为L的平行金属板水平放置,两极板带等量的异种电荷,板间形成匀强电场,一个带电荷量为+q、质量为m的带电粒子,以初速度v0紧贴上极板垂直于电场线方向进入该电场,刚好从下极板边缘射出,射出时速度恰与水平方向成30°角,如图所示,不计粒子重力,求:
(1)粒子离开电场时的速度大小;
(2)匀强电场的场强大小.
探究三
带电粒子在交变电场中的运动
【问题情境】
常见的交变电场的电压波形有方形波、锯齿波、正弦波等,如何研究带电粒子在这种复杂的电场中的运动
要点提示 可分段研究,把复杂的电场简单化.
【知识归纳】
1.常见的题目类型
(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).
2.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.
要点笔记电场方向变化,加速度随着变化,但速度方向不一定变化.
【典例剖析】
例3如图甲所示,两平行正对的金属板A、B间加有如图乙所示的交变电压,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t0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t0可能属于的时间段是( )
解析 设粒子的速度方向、位移方向向右为正.依题意知,粒子的速度方向时而为正,时而为负,最终打在A板上时,位移为负,速度方向为负.分别作出
时粒子运动的速度图像,如图所示.
答案 B
变式训练 3在空间有正方向水平向右、大小按如图所示的图线变化的电场,位于电场中A点的电子在t=0时速度为零,在t=1 s时,电子离开A点的距离大小为l.那么在t=2 s时,电子将处在( )
A.A点 B.A点左方l处
C.A点右方2l处 D.A点左方2l处
解析 第1 s内电场方向向右,电子受到的静电力方向向左,电子向左做匀加速直线运动,位移为l,第2 s内电子受到的静电力方向向右,由于电子此时有向左的速度,所以电子继续向左做匀减速直线运动,根据运动的对称性,位移也是l,t=2 s时总位移为2l,向左.
答案 D
随堂训练
1.带电粒子垂直进入匀强电场中偏转时(除电场力外不计其他力的作用),下列说法正确的是( )
A.电势能增加,动能增加
B.电势能减小,动能增加
C.电势能和动能都不变
D.上述结论都不正确
解析 根据能量守恒定律可知,只有电场力做功的情况下,动能和电势能之和保持不变,电场力做正功,电势能减小,动能增加,故B选项正确.
答案 B
2.如图所示,在点电荷+Q激发的电场中有A、B两点,将质子和α粒子分别从A点由静止释放,到达B点时,它们的速度大小之比为( )
A.1∶2
B.2∶1
答案 C
3.(多选)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
解析 由题意知,小球受重力、电场力作用,合外力的方向与初速度的方向夹角为钝角,故小球做曲线运动,所以A项错误,B项正确;在运动的过程中合外力先做负功后做正功,所以C项正确,D项错误.
答案 BC
4.如图所示,有一带电粒子贴着A板沿水平方向射入匀强电场,当偏转电压为U1时,带电粒子沿①轨迹从两板正中间飞出;当偏转电压为U2时,带电粒子沿②轨迹落到B板中间;设粒子两次射入电场的水平速度相同,则两次偏转电压之比为( )
A.U1∶U2=1∶8
B.U1∶U2=1∶4
C.U1∶U2=1∶2
D.U1∶U2=1∶1
答案 A
5.(多选)一台正常工作的示波管,突然发现荧光屏上画面的高度缩小,则产生故障的原因可能是( )
A.加速电压偏大 B.加速电压偏小
C.偏转电压偏大 D.偏转电压偏小
答案 AD(共29张PPT)
第三节 静电的利用与防护
第二章
2022
内容索引
01
02
课前篇 自主预习
课堂篇 探究学习
学习目标
1.知道静电喷涂、静电除尘、静电复印、静电植绒等,了解尖端放电及其应用,认识静电的危害和防止的方法.(物理观念)
2.能应用静电场的知识分析静电在生产、生活中的应用的问题.(科学思维)
3.认识物理学在生活和科技方面的应用.(科学态度与责任)
思维导图
课前篇 自主预习
【必备知识】
一、静电的应用
1.静电喷涂:利用静电作用使雾化涂料微粒在高压电场作用下带上负电荷,并吸附于带正电荷的被涂物的涂装技术.
2.静电除尘:利用电荷相互作用的性质,把带有不同电性的粉尘从烟气中分离出来,再分类处理的过程.
3.静电复印:利用正、负电荷的吸引力进行油墨转移的印刷方式.
4.静电植绒:利用电荷之间同性相斥、异性相吸的性质,通过使绒毛带上
负电荷,令绒毛被吸引到带正电的被植体表面上.
二、尖端放电 防止静电危害
1.尖端放电
(1)概念:导体尖端的强电场使附近的空气电离,电离后的异种电荷与导体尖端的电荷中和,相当于导体从尖端失去电荷.
(2)应用:避雷针等.
2.防止静电危害
防止静电产生的措施:一是控制静电的产生,可以采用起电较少的设备材料;二是把产生的电荷尽快导走,最简单又最可靠的办法就是用导线把设备接地,这样可以把电荷导入大地,避免静电积累.
【自我检测】
1.判断正误,判断结果为错误的小题请说明原因.
(1)静电喷涂时,要使涂料微粒带上正电,被涂物体带上负电.( )
解析 涂料微粒带负电,被涂物带正电.
答案 ×
(2)静电除尘时,带负电的电子被吸附在尘埃颗粒上.( )
答案 √
(3)在同一位置,带电荷量越多的尘埃所受电场力越大.( )
答案 √
(4)避雷针可以通过尖端放电保护高大建筑物的安全.( )
答案 √
(5)家用电器如洗衣机接有地线是为了利用静电.( )
解析 接地线是为了防止静电.
答案 ×
(6)增加湿度是防止静电危害的常用方法.( )
答案 √
2.(多选)一带负电的金属小球放在潮湿的空气中,经过一段时间后,发现该小球上的负电荷几乎不存在了,这说明( )
A.小球上原有的负电荷逐渐消失了
B.在此现象中,电荷不守恒
C.小球上负电荷减少的主要原因是潮湿的空气将电子导走了
D.该现象是由于电子的转移引起,仍然遵循电荷守恒定律
解析 根据电荷守恒定律,电荷不能消灭,也不能创生,只会发生转移,故A错误;此过程中电荷仍然守恒,电荷没有消失,只是被潮湿的空气导走而已,仍然遵循电荷守恒定律,故B错误,C、D正确.
答案 CD
课堂篇 探究学习
探究一
静电的应用
【问题情境】
阴极射线管电视机的玻璃荧光屏表面经常有许多灰尘,你知道这是为什么吗
要点提示 阴极射线管发射的电子打在电视机的玻璃荧光屏上,而显示图像.由于屏表面有静电而吸附灰尘,故表面经常有许多灰尘.
【知识归纳】
目前静电在各种产业和日常生活中有着重要的应用,如静电喷涂、静电除尘、静电复印、静电植绒等.所依据的基本原理几乎都是让带电的物质微粒在电场力作用下吸附到电极上.
如下为静电除尘锁住黑烟:
1.原理图如图所示:
2.基本构造:金属筒A和悬在管中的金属丝B,A接高压电源正极,B接高压电源负极.
3.原理:A、B之间产生强电场,距B越近,场强越大,B附近的空气中的气体分子被电离,成为电子和正离子.正离子被吸到B上;电子在向正极运动的过程中,使烟气的煤粉带负电,吸附到正极A上,最后在重力作用下落入下面的漏斗中.
4.应用:静电除尘可除去有害的微粒,也可以回收物资,如回收水泥粉尘.
【典例剖析】
例1(多选)如图是某款家用空气净化器及其原理示意图,污浊空气通过过滤网后尘埃带电.图中充电极b、d接电源负极,集尘极a、c、e接电源正极(接地),下列说法正确的是( )
A.通过过滤网后空气中的尘埃带负电
B.尘埃在被吸附到集尘极e的过程中动能增大
C.c、d两个电极之间的电场方向竖直向上
D.尘埃被吸附到集尘极a的过程中所受电场力做负功
解析 尘埃经过过滤网后被正极吸引,所以尘埃带负电,故A正确;尘埃在被吸附到集尘极e的过程中电场力做正功,动能增大,故B正确;因为充电极b、d接电源负极,集尘极a、c、e接电源正极,所以c、d两个电极之间的电场方向竖直向下,故C错误;尘埃被吸附到集尘极a的过程中所受电场力做正功,故D错误.
答案 AB
变式训练 1(多选)如图所示是静电除尘的原理示意图,A为金属管,B为金属丝,在A、B之间加上高电压,使B附近的空气分子被强电场电离为电子和正离子,电子在向A极运动的过程中被烟气中的煤粉俘获,使煤粉带负电,最终被吸附到A极上,排出的烟就比较清洁了.有关静电除尘的装置,下列说法正确的是( )
A.金属管A应接高压电源的正极
B.金属管A应接高压电源的负极
C.金属丝B应接高压电源的负极
D.金属丝B应接高压电源的正极
解析 根据题干中描述的静电除尘的原理,可知A、C正确.
答案 AC
探究二
静电的防止
【问题情境】
在印染车间,为了保证花布的印染质量,通常是使车间内的湿度大一些,为什么
要点提示 在印染车间,由于在印染过程中布与机械间的相对运动有摩擦,摩擦产生的静电会吸引轻小的物体,就会使空气中的一些漂浮物吸附在花布上,使印染的效果大打折扣,因此要消除静电对印染质量造成的影响,就必须将因摩擦而产生的静电导走,在车间里非常有效的一个方法就是使空气潮湿,摩擦产生的静电直接通过空气导走.
【知识归纳】
1.静电的危害
(1)影响产品的质量.
(2)妨碍电子器件的正常工作甚至损坏某些部件.
(3)由于火花放电而引起火灾或爆炸.
2.防止静电危害的基本方法
(1)把产生的静电迅速导走(接地,增加湿度),以避免静电积累.
(2)通过工艺控制减少因摩擦产生的静电.
(3)非导电材料的抗静电处理(在非导电材料中添加导电材料,制成抗静电材料).
3.防止静电的实例
油罐车尾部常拖有一根铁链,它一端与油罐相连、一端拖在地上,在油罐车中因摩擦产生的静电就通过这根铁链及时导入大地,从而避免静电的积累.飞机起落架的轮胎用导电橡胶制造,方便在着陆时把机身的静电引入大地.
要点笔记 静电利用一般是产生电荷,静电防止一般是去除电荷.
【典例剖析】
例2关于静电的利用和防范,以下说法正确的是( )
A.印染厂应保持环境干燥,避免静电积累带来的潜在危害
B.油罐车行驶途中车尾有一条铁链拖在地上,避免产生电火花引起爆炸
C.飞机起落架的轮胎用绝缘橡胶制成,可防止静电积累
D.手术室的医生和护士都要穿绝缘性能良好的化纤制品,可防止静电带来的危害
解析 印染厂的车间,有大量静电产生,因此要保持潮湿,这样才能及时将静电导走,故A错误;油罐车在运动的过程中,里面的油在晃动,会摩擦产生静电,后面拖一条接地的铁链就可以及时地把产生的静电导走,避免产生电火花引起爆炸,故B正确;为了及时地把飞机由于摩擦而产生的电荷转移给大地,起落架的轮胎应用导电橡胶制成,故C错误;绝缘性能良好的化纤制品的衣服不能及时地把静电导入大地,故D错误.
答案 B
变式训练 2下列措施是为了防止静电的危害的是( )
A.飞机上的“放电刷”
B.静电复印
C.在高大的烟囱中安装静电除尘器
D.静电喷漆
解析 飞机上的“放电刷”是为了防止静电的危害,故A正确;静电复印是利用静电现象将墨粉印在纸上,属于静电的应用,故B错误;静电除尘时除尘器中的空气被电离,烟雾颗粒吸附电子而带负电,颗粒向正极运动,属于静电的应用,故C错误;静电喷漆采用静电作用给金属等物体喷漆,故属于静电的应用,故D错误.
答案 A
随堂训练
1.下列关于静电的说法中错误的是( )
A.静电植绒是利用异种电荷相互吸引而使绒毛吸附在底料上
B.静电复印是利用异种电荷相互吸引而使碳粉吸附在纸上
C.收音机上装有天线是为了导走静电
D.飞机轮胎用导电橡胶制成,是为了防止静电的危害
解析 静电植绒和静电复印是利用异种电荷间的吸引力来工作的,属于静电的利用;利用导电橡胶制成轮胎可以把飞机上的静电导走;天线是为了有效地接收信号,接地线才是为了导走静电,故应选C.
答案 C
2.下列措施中不是静电的利用的是( )
A.静电复印 B.静电除尘
C.静电喷涂 D.高楼顶端安装避雷针
解析 静电复印、静电除尘、静电喷涂都属于静电的利用;在高楼顶端安装避雷针属于防止静电造成危害,不属于静电的利用,故D符合题意.
答案 D
3.(多选)下列措施中,哪些能将产生的静电尽快导走( )
A.飞机轮子上的搭地线
B.印染车间保持湿度
C.复印图片
D.电工钳柄装有绝缘套
解析 A、B项是把静电导走,C项是利用静电,D项电工钳柄装有绝缘套是为了防止电工触电.
答案 AB
4.如图所示为静电除尘装置示意图,它由金属管A和管中金属丝B组成.有关静电除尘的原理,以下说法正确的是( )
A.A接高压电源负极,B接高压电源正极
B.煤粉等烟尘吸附电子后被吸在B上
C.靠近B处电场强度大,B附近空气被电离成正离子和电子
D.煤粉等烟尘在强大电场作用下电离成负、正离子,分别吸附在B和A上
解析 在静电除尘器中,金属丝B接高压电源负极,在附近产生极强的电场,将附近的空气电离成正离子和电子,煤粉吸附电子后,在电场力的作用下被吸附到金属管的内壁上,故C正确.
答案 C(共26张PPT)
本章整合
第二章
2022
内容索引
01
02
知识网络 体系构建
重点题型 归纳整合
知识网络 体系构建
平抛
重点题型 归纳整合
一、带电粒子在电场中的直线运动
1.匀速直线运动:此时带电粒子受到的合外力一定等于零,即所受到的电场力与其他力平衡.
2.匀加速直线运动:带电粒子受到的合外力与其初速度方向同向.
3.匀减速直线运动:带电粒子受到的合外力与其初速度方向反向.
例1如图所示,水平放置的A、B两平行板相距h,上板A带正电,现有质量为m、带电荷量为+q的小球在B板下方距离B板为H处,以初速度v0竖直向上从B板小孔进入板间电场.
(1)带电小球在板间做何种运动
(2)欲使小球刚好打到A板,A、B间电势差为多少
解析 (1)带电小球在电场外受重力的作用做匀减速直线运动,在电场中受重力和静电力作用做匀减速直线运动.
规律方法 分析带电粒子在电场中做直线运动的方法
(1)动力学方法——牛顿运动定律、匀变速直线运动公式.
(2)功和能方法——动能定理.
(3)能量方法——能量守恒定律.
变式训练 1如图所示,平行板电容器的两个极板与水平地面成一角度,让两极板带电后,若一带正电的粒子恰能沿图中所示水平直线通过电容器,则下列说法正确的是( )
A.上极板一定带正电
B.粒子的动能逐渐增加
C.粒子的电势能逐渐增加
D.粒子可能做匀速直线运动
解析 粒子做直线运动,重力和电场力的合力应与速度共线,如图所示,带正电的粒子受电场力斜向上,上极板一定带负电,下极板一定带正电,A错误;合力做负功,动能减小,B错误;粒子运动过程中电场力做负功,因而电势能增加,C正确;粒子所受合力不为零,因而粒子不可能做匀速直线运动,D错误.
答案 C
二、带电粒子在电场中的类平抛运动
1.求出加速度.
2.将运动分解为沿初速度方向的匀速直线运动和垂直初速度方向的匀加速直线运动,在两个方向上分别列运动学方程.
3.涉及功能关系的,也可用动能定理列方程.
例2长为L的平行金属板竖直放置,两极板带等量的异种电荷,板间形成匀强电场,一个带电荷量为+q、质量为m的带电粒子,以初速度v0紧贴左极板垂直于电场线方向进入该电场,刚好从右极板边缘射出,射出时速度恰与右极板成30°角,如图所示,不计粒子重力,求:
(1)匀强电场的场强大小;
(2)两板间的距离.
规律方法 (1)分析带电粒子在电场中做类平抛运动的方法:利用运动的合成与分解把曲线运动转换为直线运动.(2)分析此类问题要注意判定:粒子不受力的方向、受电场力的方向、粒子的运动轨迹弯曲的方向.
变式训练 2(2021广东广州检测)一大型仪器上的长条状示波器的示意图如图所示,金属丝发射出来的电子(初速度为0)被加速后从小孔穿出,进入两平行金属板形成的偏转电场.电子在穿出偏转电场后沿直线前进,最后打在荧光屏上.设加速电压U1=1 640 V,偏转电场的金属板长l=4 m,金属板间距d=1 cm,当电子加速后从两金属板的中央沿与金属板平行的方向进入偏转电场.
(1)求偏转电压U2为多大时,电子离开金属板时
的偏移量最大;
(2)如果金属板右端到荧光屏的距离L=20 cm,
求电子打在荧光屏上时的最大偏移距离.
(2)电子离开偏转电场后做匀速直线运动,可看成从极板的正中心沿直线射出,如图所示.
答案 (1)2.05×10-2 V (2)0.55 cm
三、带电体在电场、重力场中的运动
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”, 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.在分析带电粒子在等效场中的运动问题时,一定要明确以下有关等效重力场中的几个重要概念,具体对应如下:
等效重力场 重力场、电场叠加而成的复合场
等效重力 重力、电场力的合力
等效重力加速度 等效重力与带电粒子质量的比值
等效最低点 带电粒子做圆周运动时,由圆心沿合力方向与圆周交点的位置
等效最高点 带电粒子做圆周运动时与等效最低点关于圆心对称的位置
等效重力势能 等效重力大小与带电粒子沿等效重力场方向“高度”的乘积
要点笔记处理这类问题要注意区分“几何最高点”和“物理最高点”.“几何最高点”指的是圆相对于水平面的最高点,“物理最高点”指圆周在合力方向的最高点,两者不一定重合.
例3如图所示,水平向右的匀强电场中,用长为R的轻质绝缘细线在O点悬挂一质量为m且可以视为质点的带电小球,小球静止在A处,AO的连线与竖直方向的夹角为37°,现给小球一个垂直于OA方向的初速度v0,小球便在竖直面内运动,为使小球能在竖直面内完成圆周运动,这个初速度v0至少应为多大
解析 小球静止时,对小球进行受力分析,如图所示,
变式训练 3如图所示,半径为R的光滑圆环竖直置于场强大小为E、方向水平向右的匀强电场中,质量为m、带电荷量为+q的空心小球穿在环上.当小球从顶点A由静止开始下滑到与圆心O等高的位置B时,求小球对环的压力.(重力加速度为g)
解析 小球从A到B的过程中,重力做正功,静电力做正功,动能增加,
由动能定理有mgR+EqR= mv2
在B点时小球受到重力G、静电力F和环对小球的弹力
F1三个力的作用,沿半径方向指向圆心的合力提供向心
力,则F1-Eq=m
联立可得F1=2mg+3Eq
小球对环的作用力与环对小球的作用力为作用力和反作用力,两者等大反向,
即小球对环的压力F1'=2mg+3Eq,方向水平向右.
答案 2mg+3Eq,方向水平向右
