在考查电场中的基本概念时,往往给出与电场分布有关的图象,如:E-x图象、φ-x图象,或v-t图象。以下分别介绍解电场问题中常见的“三类”图象。
一、电场中粒子运动的v-t图象
当带电粒子只在电场力作用下运动时,如果给出了粒子运动的速度图象,则从速度图象上能确定粒子运动的加速度方向,加速度大小变化情况,进而可将粒子运动中经历的各点的场强方向、场强大小、电势高低及电势能的变化等情况判定出来。
例1.两个等量同种点电荷固定于光滑水平面上,其连线中垂线上有A、B、C三点,如图1甲所示。一个电荷量为2C,质量为1 kg的小物块从C点静止释放,其运动的v-t图象如图乙所示,其中B点处为整条图线切线斜率最大的位置(图中标出了该切线),则下列说法正确的是( )
[A][B][C][O][甲] [A][B][t/s][O][v/(m·s-1)][8
6
4][5 7][10 12 15][乙][图1]
A.B点为中垂线上电场强度最大的点,场强E=2V/m
B.由C到A的过程中,物块的电势能先减小后变大
C.由C到A的过程中,电势逐渐升高
D.A、B两点电势差UAB=-5V
解析:
(1)由v-t图象可知,图线的斜率表示加速度先增后减,因此,小物块在B点加速度有最大值,根据牛顿第二定律,可知在B点处电场强度最大。加速度大小为2 m/s2。
又根据qE=ma,得E=1 V/m,选项A错;
(2)由v-t图象可知,由C到A的过程中,小物块的动能一直在增大,由动能定理,电场力也一直做正功,则小物块的电势能逐渐减小,由Ep=qφ,知电势逐渐降低,选项B、C错;
(3)由动能定理,qUAB=mv2
B-mv2
A,解得UAB=-5 V,选项D正确。
例2.如图2甲M、N是一条电场线上的两点,在M点由静止释放一个正的点电荷,点电荷仅在电场力的作用下沿着电场线从M点运动到N点,粒子的速度随时间变化的规律如图2乙所示,以下判断正确的是( )
[甲 乙][图2][M][N]
A.该电场可能是匀强电场
B.N点的电势高于M点的电势
C.M点到N点,点电荷的电势能逐渐减小
D.点电荷在M点所受电场力大于在N点所受电场力
解析:
(1)由v-t图象可知,点电荷从M点运动到N点,图线的斜率增大,故点电荷做加速度增大的加速运动。根据牛顿第二定律,可知,其所受的电场力增大,电场不是匀强电场,选项A、D错;
(2)点电荷从M点运动到N点,点电荷做加速度增大的加速运动,故点电荷受到的电场力方向也是由M指向N,由“顺电场线,电势降”,则M点电势大于N点电势,选项B错;
(3)点电荷从M点运动到N点,做加速运动,由动能定律,知电场力做正功,因此,电势能减小,选项C正确。
二、电场中的E-x图象
在给定了电场的E-x图象后,可以由图线确定场强的变化情况,电势的变化情况,E-x图线与x轴所围图形“面积”表示电势差。在与粒子运动相结合的题目中,可进一步确定粒子的电性、动能变化、电势能变化等情况。在这类题目中,还可以由E-x图象假设某一种符合E-x图线的电场,利用这种已知电场的电场线分布、等势面分布或场源电荷来处理相关问题。
例3.空间有一沿x轴对称分布的电场,其电场强度E随x变化的图象如图3所示。下列说法中正确的是( )
[O][E][-x1][x][x1][x2][x3][图3]
A.O点的电势最低
B.x2点的电势最高
C.x1和-x1两点的电势相等
D.x1和x3两点的电势相等
解析:
(1)由图3可知,O点两侧电场强度方向相反,因电场强度的方向沿x轴,由“沿电场线,电势降”规律,O点可能电势最低,也可能电势最高,选项A错;
(2)由于O点两侧电场强度方向相反,x1、x2、x3三点在同一电场线上,由沿电场线方向电势逐渐降低可知,无论O点右侧电场强度沿x轴向右还是向左,x2点电势都不是最高,x1、x3两点的电势也不相等,故选项B、D错;
(3)由题图3知,电场强度在O点两侧对称,故x1、-x1两点电势相等,选项C正确。
例4.如图4所示,半径为R,均匀带正电荷的球体在空间产生球对称的电场;场强大小沿半径分布如图所示,图4中E0已知,E-r曲线下O~R部分的面积等于R~2R部分的面积。问
[E0][E][O][r][R][2R][图4]
(1)E-r曲线下面积的单位是什么?
(2)已知带电球在r≥R处的场强E=,式中k为静电力常量,该均匀带电球所带的电荷量Q为多大?
(3)求球心与球表面间的电势差ΔU多大?
(4)质量为m,电荷量为q的负电荷在球面处需具有多大的速度可以刚好运动到2R处?
解析:
(1)由公式E=,做类比,可知E-r图线下“面积”表示电势差,“面积”的单位为伏特;
(2)由于带电球在r≥R处的场强E=,,可见在r≥R处,带点球可视为点电荷。如图,在r=R时,E=E0,则由点电荷的电场强度公式,,