2024年高中物理新教材同步學(xué)案 必修第三冊 第10章　章末素養(yǎng)提升（含解析）

章末素養(yǎng)提升物理觀念電場能的性質(zhì)1.靜電力做功與電勢能變化之間的關(guān)系：靜電力做正功，即WAB>0，電勢能減少，靜電力做負(fù)功，即WAB<0，電勢能增加2.電勢：電荷在電場中某一點(diǎn)的電勢能與它的電荷量之比。公式：φ＝eq\f(Ep,q)3.電勢差：電場中兩點(diǎn)之間電勢的差值，也叫作電壓。靜電力做功與電勢差的關(guān)系WAB＝qUAB或UAB＝eq\f(WAB,q)4.等勢面：電場中電勢相同的各點(diǎn)構(gòu)成的面5.勻強(qiáng)電場中兩點(diǎn)間的電勢差等于電場強(qiáng)度與這兩點(diǎn)間沿電場方向的距離的乘積，關(guān)系式UAB＝Ed電容器1.定義式：C＝eq\f(Q,U)(比值定義法)2.平行板電容器電容的決定式：C＝eq\f(εrS,4πkd)帶電粒子在電場中的加速兩金屬極板之間的電壓為U，一質(zhì)量為m、帶電荷量為q的正電粒子從正極板靜止釋放，到達(dá)負(fù)極板時(shí)速度為v，則qU＝eq\f(1,2)mv2帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)帶電粒子以初速度v0垂直電場方向射入電場，極板長度為l，兩極板間電壓為U，兩極板間距為d(不計(jì)粒子重力)初速度方向：粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng)，通過電場的時(shí)間t＝eq\f(l,v0)離開電場時(shí)垂直于板方向的分速度vy＝at＝eq\f(qUl,mdv0)速度方向與初速度方向夾角的正切值tanθ＝eq\f(vy,v0)＝eq\f(qUl,mdv02)離開電場時(shí)沿靜電力方向的偏移量y＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(qUl2,2mdv02)科學(xué)思維1.科學(xué)推理、論證：本章關(guān)于電勢能、電勢、電場強(qiáng)度與電勢差的關(guān)系等知識的學(xué)習(xí)都是通過演繹的方式進(jìn)行的。例如把恒力做功的普遍公式用于勻強(qiáng)電場中靜電力做功的情況，推導(dǎo)出靜電力做功與路徑無關(guān)的結(jié)論2.用物理量之比定義新物理量，被定義的新物理量跟定義式中的物理量不是同一研究對象，沒有相互影響的因果關(guān)系，通過電勢能與電荷量的比值定義電勢，用來描述靜電場中某一位置的性質(zhì)，與試探電荷無關(guān)科學(xué)探究1.能針對電容器充、放電過程中的電壓、電流等物理量的變化提出相關(guān)的問題或猜想2.會根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路選擇合適的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；能在初步觀察的基礎(chǔ)上確定記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔；能通過同學(xué)間的合作，記錄不同時(shí)刻電壓表、電流表的讀數(shù)3.會根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出I－t圖像，推斷電荷量的變化情況科學(xué)態(tài)度與責(zé)任1.通過實(shí)驗(yàn)的操作，形成嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度2.通過電容器等知識的學(xué)習(xí)，體會科學(xué)、技術(shù)、社會之間的密切聯(lián)系，逐漸形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力例1(2023·內(nèi)蒙古北師大集寧附中高二月考)下列是某同學(xué)對電場中的概念、公式的理解，其中正確的是()A．根據(jù)電場強(qiáng)度的定義式E＝eq\f(F,q)，電場中某點(diǎn)的電場強(qiáng)度與試探電荷的電荷量成反比B．根據(jù)電容的定義式C＝eq\f(Q,U)，電容器的電容與所帶電荷量成正比，與兩極板間的電壓成反比D．根據(jù)公式UAB＝eq\f(WAB,q)，帶電荷量為1C的正電荷，從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)克服靜電力做功為1J，則A、B兩點(diǎn)的電勢差為1V答案C解析電場強(qiáng)度取決于電場本身，與有無試探電荷無關(guān)，電場強(qiáng)度的定義式，只是為了研究電場的性質(zhì)方便而定義的，A錯(cuò)誤；電容器的電容是描述電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量，電容大小取決于電容器的本身，不能理解成電容器的電容與所帶電荷量成正比，與兩極板間的電壓成反比，B錯(cuò)誤；電場中某點(diǎn)電場強(qiáng)度是由場源電荷決定的，所以由真空中點(diǎn)電荷電場強(qiáng)度公式，可知電場中某點(diǎn)電場強(qiáng)度與場源電荷的電荷量成正比，與該點(diǎn)到場源電荷的距離的平方成反比，C正確；由UAB＝eq\f(WAB,q)，可知帶電荷量為1C的正電荷，從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)克服靜電力做功為1J，即靜電力做功是－1J，則有UAB＝eq\f(WAB,q)＝eq\f(－1,1)V＝－1V，則A、B兩點(diǎn)的電勢差為－1V，D錯(cuò)誤。例2如圖所示，空間存在足夠大的水平方向的勻強(qiáng)電場，絕緣的曲面軌道處于勻強(qiáng)電場中，曲面上有一帶電金屬塊在力F的作用下沿曲面向上移動(dòng)。已知金屬塊在向上移動(dòng)的過程中，力F做功40J，金屬塊克服靜電力做功10J，金屬塊克服摩擦力做功20J，重力勢能改變了30J，則()A．電場方向水平向左B．電場方向水平向右C．在此過程中金屬塊電勢能減少20JD．在此過程中金屬塊機(jī)械能增加10J答案D解析因?yàn)椴恢缼щ娊饘賶K的電性，所以無法判斷電場方向，故A、B錯(cuò)誤；克服靜電力做功為10J，則電勢能增加10J，故C錯(cuò)誤；機(jī)械能的改變量等于除重力以外的其他力所做的總功，故ΔE＝40J－10J－20J＝10J，故D正確。例3(多選)(2021·湖南卷)如圖，圓心為O的圓處于勻強(qiáng)電場中，電場方向與圓平面平行，ab和cd為該圓直徑。將電荷量為q(q>0)的粒子從a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)，靜電力做功為2W(W>0)；若將該粒子從c點(diǎn)移動(dòng)到d點(diǎn)，靜電力做功為W。下列說法正確的是()A．該勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度方向與ab平行B．將該粒子從d點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)，靜電力做功為0.5WC．a(chǎn)點(diǎn)電勢低于c點(diǎn)電勢D．若只受靜電力，從d點(diǎn)射入圓形電場區(qū)域的所有帶電粒子都做曲線運(yùn)動(dòng)答案AB解析沿cd方向建立x軸，垂直于cd方向建立y軸，如圖所示。從c到d有W＝Exq·2R，從a到b有2W＝Eyq·eq\r(3)R＋ExqR，可得Ex＝eq\f(W,2qR)，Ey＝eq\f(\r(3)W,2qR)，則E＝eq\r(Ex2＋Ey2)＝eq\f(W,qR)，tanθ＝eq\f(Ey,Ex)＝eq\r(3)，由于電場方向與水平方向成60°，則電場強(qiáng)度方向與ab平行，且由a指向b，A正確；將該粒子從d點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)，靜電力做的功為W′＝Eqeq\f(R,2)＝0.5W，B正確；沿電場線方向電勢逐漸降低，則a點(diǎn)電勢高于c點(diǎn)電勢，C錯(cuò)誤；若粒子從d點(diǎn)射入圓形電場區(qū)域的速度方向與ab平行，則粒子做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，D錯(cuò)誤。例4(2022·烏魯木齊市一中高二期中)一水平放置的平行板電容器的兩極板間距為d，極板分別與電池兩極相連，上極板中心有一個(gè)小孔(小孔對電場的影響可忽略不計(jì))。小孔正上方eq\f(d,2)處的P點(diǎn)有一帶電粒子，該粒子從靜止開始下落，經(jīng)過小孔進(jìn)入電容器，并在下極板處(未與極板接觸)返回。若將下極板向上移動(dòng)eq\f(d,4)，則仍從P點(diǎn)開始下落的相同粒子將()A．打到下極板上B．在下極板處返回C．在距上極板e(cuò)q\f(d,2)處返回D．在距上極板e(cuò)q\f(2d,5)處返回答案C解析對下極板移動(dòng)前，從靜止釋放到速度為零的過程運(yùn)用動(dòng)能定理得mg·eq\f(3,2)d－qU＝0，將下極板向上平移eq\f(d,4)，設(shè)運(yùn)動(dòng)到距離上極板x處返回；因極板分別與電池兩極相連，則電容器的電壓U不變，則電容器的電場強(qiáng)度為E＝eq\f(4U,3d)，根據(jù)動(dòng)能定理得mg·(eq\f(d,2)＋x)－q·eq\f(4U,3d)·x＝0，聯(lián)立兩式解得x＝eq\f(d,2)，故選C。例5(2022·漢壽縣第一中學(xué)高二階段練習(xí))如圖在真空中存在著豎直向下的勻強(qiáng)電場，電場強(qiáng)度為E。一根絕緣細(xì)線長為L，一端固定在圖中的O點(diǎn)，另一端固定有一個(gè)質(zhì)量為m、帶電荷量為＋q、可視為點(diǎn)電荷的小球，O點(diǎn)距離地面的高度為H，將小球拉至與O點(diǎn)等高的位置A處從靜止釋放。(1)求小球運(yùn)動(dòng)到O點(diǎn)正下方B點(diǎn)時(shí)的速度大小；(2)求小球在B點(diǎn)時(shí)細(xì)線對小球的拉力大小；(3)若小球通過B點(diǎn)時(shí)，細(xì)線恰好斷開，求小球落地點(diǎn)與O點(diǎn)的水平位移x。答案(1)eq\r(\f(2mg＋qEL,m))(2)3(mg＋qE)(3)2eq\r(H－LL)解析(1)從A到B過程，由動(dòng)能定理得mgL＋qEL＝eq\f(1,2)mv2－0小球到達(dá)B點(diǎn)時(shí)的速