第4节电势能和电势一、静电力做功的特点┄┄┄┄┄┄┄┄①1.静电力做功:在匀强电场中,静电力做功W=qE·l cos θ。
其中θ为静电力与位移之间的夹角。
2.特点:在静电场中移动电荷时,静电力做的功与电荷的起始位置和终止位置有关,与电荷经过的路径无关。
以上结论适用于匀强电场和非匀强电场。
[说明](1)静电力做功的特点与重力做功相似。
(2)静电力做功的特点不受物理条件限制,不管静电力是否变化,是否是匀强电场,是直线运动还是曲线运动,电场力做功的特点不变。
①[判一判]1.在电场中两点之间移动任何电荷时,静电力做功相同(×)2.电荷在电场中移动时,静电力对电荷一定做功(×)3.电场中初、末位置间距越大,静电力做功越多(×)二、电势能┄┄┄┄┄┄┄┄②1.概念:电荷在电场中的势能,可用E p表示。
2.大小:电荷在某点的电势能,等于静电力把它从该点移动到零势能位置时所做的功。
3.与静电力做功的关系:静电力做的功等于电势能的减少量,用公式表示W AB=E p A-E p B。
静电力做正功,电势能减少;静电力做负功,电势能增加。
4.电势能的数值大小与零势能点的选取有关,通常把无限远处或大地表面上的电势能规定为零。
[注意] 电势能的特点(1)系统性:电势能由电场和电荷共同决定,属于电场和电荷系统所共有的,我们习惯说成电场中的电荷所具有的。
(2)相对性:电势能是一个相对量,其数值与零势能点的选取有关,因此确定电荷的电势能首先应确定零势能点的位置,但电荷在某两点之间的电势能之差与零势能点的选取无关。
(3)标量性:电势能是标量,有正负、无方向。
电势能为正值表示电势能大于参考点的电势能,电势能为负值表示电势能小于参考点的电势能。
②[判一判]1.电势能的数值与零势能点的选取有关,但电势能的变化量与零势能点的选取无关(√) 2.正电荷的电势能一定大于零,负电荷的电势能一定小于零(×)3.电势能越大,静电力做功越多(×)4.静电力做正功时,电势能增加;静电力做负功时,电势能减小(×)三、电势┄┄┄┄┄┄┄┄③1.定义:电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值。
2.定义式:φ=E p q 。
3.单位:在国际单位制中,电势的单位为伏特,符号:V 。
4.矢标性:电势是标量,但有正值和负值之分。
5.相对性(1)电势是相对的,只有先确定了电场中某点的电势为零以后,才能确定电场中其他各点的电势,即电场中某点的电势跟零电势位置的选择有关。
(2)电势正值与负值的意义:在规定了零电势后,电场中各点电势可以是正值,也可以是负值。
正值表示该点电势高于零电势;负值表示该点电势低于零电势。
6.与电场线的关系:沿电场线的方向电势降低。
[注意] 电势与电势能的比较③[选一选]如图是某一点电荷的电场线分布图,下列表述正确的是( )A .a 点的电势高于b 点的电势B .该点电荷带正电C .a 点和b 点电场强度的方向相同D .a 点的电场强度大于b 点的电场强度解析:选D 沿电场线方向电势降低,A 错误;由图中电场线分布知,此电场为一负点电荷的电场线分布图,B 错误;电场线密集处场强大,C 错误,D 正确。
四、等势面┄┄┄┄┄┄┄┄④1.定义:电场中电势相同的各点构成的面叫做等势面。
2.等势面的特点(1)在所画等势面中,任意相邻两等势面上电势之差是相等的。
(2)在同一等势面上移动电荷时,静电力不做功。
(3)等势面一定跟电场线垂直,即跟场强的方向垂直,电场线总是由电势高的等势面指向电势低的等势面。
(4)在空间没有电荷的地方两等势面不相交。
(5)等势面可以是封闭的,也可以是不封闭的。
(6)在电场线密集的地方,等差等势面密集;在电场线稀疏的地方,等差等势面稀疏。
④[选一选]关于等势面,下列说法正确的是( )A.电荷在等势面上移动时,由于不受静电力作用,所以说静电力不做功B.在同一个等势面上各点的场强大小相等C.两个不等电势的等势面可能相交D.若相邻两等势面的电势差相等,则等势面的疏密程度能反映场强的大小解析:选D 等势面由电势相等的点组成,等势面处的电场线跟等势面垂直,因此电荷在等势面上移动时,静电力不做功,但并不是不受静电力的作用,选项A错误;等势面上各点场强的大小不一定相等,等势面不可能相交,选项B、C错误;等差等势面的疏密反映了场强的大小,选项D正确。
1.电场力做功正负的判断(1)根据电场力和位移的方向夹角判断:夹角为锐角电场力做正功,夹角为钝角电场力做负功。
此法常用于匀强电场中恒定电场力做功情况的判断。
(2)根据电场力和瞬时速度方向的夹角判断:夹角为锐角时电场力做正功,夹角为钝角时电场力做负功,电场力和瞬时速度方向垂直时电场力不做功。
此法常用于判断曲线运动中变化电场力的做功情况。
(3)根据电势能的变化情况判断:若电势能增加,则电场力做负功;若电势能减少,则电场力做正功。
(4)根据动能的变化情况判断(只受静电力):根据动能定理,若物体的动能增加,则电场力做正功;若物体的动能减少,则电场力做负功。
2.电势能增减的判断方法(1)做功判断法无论正、负电荷,只要静电力做正功,电荷的电势能一定减小;只要静电力做负功,电荷的电势能一定增大。
(2)电场线判断法正电荷顺着电场线的方向移动时,电势能逐渐减小;逆着电场线的方向移动时,电势能逐渐增大。
负电荷顺着电场线的方向移动时,电势能逐渐增大;逆着电场线的方向移动时,电势能逐渐减小。
(3)电势判断法由公式E p=qφ,正电荷在电势高的地方电势能大,负电荷在电势高的地方电势能小。
[典型例题]例1.将带电荷量为6×10-6C的负电荷从电场中A点移到B点,克服静电力做了3×10-5 J的功,再从B点移到C点,静电力做了1.2×10-5 J的功,求:(1)电荷从A移到B,再从B移到C的过程中电势能共改变了多少?(2)如果规定A点的电势为零,则该电荷在B点和C点的电势能分别为多少?(3)如果规定B点的电势为零,则该电荷在A点和C点的电势能分别为多少?[解析] (1)电荷从A移到B克服静电力做了3×10-5J的功,即W AB=-3×10-5J,从B移到C的过程中静电力做了1.2×10-5 J的功,即W BC=1.2×10-5 J,整个过程电场力做功,即W AC=W AB+W BC=-3×10-5 J+1.2×10-5 J=-1.8×10-5 J电场力做负功,则电势能增加了1.8×10-5 J。
(2)如果规定A点的电势为零,则E p A=0由W AB=E p A-E p B得E p B=E p A-W AB=0-(-3×10-5) J=3×10-5 J同理E=E p A-W AC=0-(-1.8×10-5) J=1.8×10-5 Jp C(3)如果规定B点的电势为零,则E p B=0,电荷从电场中A点移到B点,克服静电力做了3×10-5J的功,若电荷从电场中的B点移到A点,则静电力要做3×10-5J的功,即W BA =3×10-5 J所以W BA=E p B-E p A E p A=E p B-W BA=0-3×10-5 J=-3×10-5 J同理E p C=E p B-W BC=0-1.2×10-5 J=-1.2×10-5 J[答案] 见解析[即时巩固]1.[多选]如图所示,在点电荷电场中的一条电场线上依次有A、B、C三点,分别把+q和-q的检验电荷依次放在三点上,关于它们所具有的电势能的正确说法是( )A.放上+q时,它的电势能E p A>E p B>E p CB.放上+q时,它的电势能E p A<E p B<E p CC.放上-q时,它的电势能E p A>E p B>E p CD.放上-q时,它的电势能E p A<E p B<E p C解析:选AD 为了比较电荷在不同位置上电势能的大小,需要根据电荷在这些位置间移动时静电力做的功来判断。
放上+q时,电荷从位置A→B→C,都是静电力做正功,电势能应减小,可见E p A>E p B>E p C。
放上-q时,电荷从位置A→B→C,外力需克服静电力做功,电荷的电势能应增大,即E p A<E p B<E p C,故选项A、D正确。
1.电势的特点(1)电势的相对性:某点电势的大小是相对于零电势而言的,零电势选择的位置不同,则该点的电势就不同,零电势的选择是任意的,但通常选择地面和无穷远处为零电势点。
(2)电势的固有性:电场中某点的电势大小是由电场本身的条件决定的,与在该点是否放有电荷和所放电荷的电性无关。
(3)电势的标量性:电场中各点的电势可以是正值,也可以是负值,正负只表示相对于零电势点电势的高低,不表示方向。
2.电势高低的判断方法(1)根据电场线判定:沿电场线的方向电势逐渐降低。
(2)根据电场力做功和电荷电势能的变化判定①在两点间移动正电荷:如果电场力做负功,电势能增加,电势升高;如果电场力做正功,电势能减少,电势降低。
②在两点间移动负电荷:如果电场力做负功,电势能增加,电势降低;如果电场力做正功,电势能减少,电势升高。
(3)在正电荷产生的电场中,离电荷越近,电势越高;在负电荷产生的电场中,离电荷越近,电势越低。
[典型例题]例2.如图所示,匀强电场电场线与AC平行,把10-8 C的负电荷从A点移到B 点,静电力做功6×10-8J ,AB 长6 cm ,AB 与AC 成60°角。
求:(1)场强方向;(2)设B 处电势为1 V ,则A 处电势为多少?电子在A 处电势能为多少?[解析] (1)将负电荷从A 移至B ,静电力做正功,所以所受静电力方向沿A 至C ,又因为是负电荷,场强方向与负电荷受力方向相反,所以场强方向由C 指向A 。
(2)由W AB =E p A -E p B =q (φA -φB )可知φA =W AB q +φB =(6×10-8-10-8+1) V =-5 V ;电子在A 点的电势能E p A =qφA =(-e )×(-5V)=5 eV 。
[答案] (1)由C 指向A (2)-5V 5 eV[点评]沿场强方向电势降低,但电势降低的方向不一定是场强的方向,如本题中由B 至A 方向、由C 至A 方向都是电势降低的方向,但由C 至A 才是场强方向。
例3.在静电场中,把一个电荷量为q =2.0×10-5 C 的负电荷由M 点移到N 点,电场力做正功6.0×10-4 J ,由N 点移到P 点,电场力做负功1.0×10-3 J ,则M 、N 、P 三点电势高低关系是________。