(1)用如圖1所示的實驗裝置,驗證牛頓第二定律.

精英家教網(wǎng)

①在平衡摩擦力時,先取下砂桶,將木板不帶滑輪的一端墊高,讓打點計時器接______(選填“交流電源”或“直流電源),然后______(選填“靜止釋放”或“輕輕推動”)小車,讓小車拖著紙帶運動.如果打出的紙帶如圖1右所示,則應(yīng)______(選填“增大”或“減小”)木板的傾角,反復(fù)調(diào)節(jié),直到紙帶上打出的點跡______,平衡摩擦力才算完成.
②圖2是某次實驗中得到的一條紙帶,則小車的加速度是______m/s2.(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)
(2)①甲同學(xué)用多用電表測定一只電阻的阻值,操作如下:
多用電表電阻檔有4個倍率:分別為×1K、×100、×10、×1.該同學(xué)選擇×100倍率,用正確的操作步驟測量時,發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)角度太大(指針位置如圖3中虛線所示).為了較準(zhǔn)確地進(jìn)行測量,請你補(bǔ)充完整下列依次應(yīng)該進(jìn)行的主要操作步驟:
a.______;
b.兩表筆短接,調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕,使指針指在0Ω處;
c.重新測量并讀數(shù),若這時刻度盤上的指針位置如圖中實線所示,測量結(jié)果是______Ω.
②乙同學(xué)用伏安法測量某金屬絲的電阻(阻值5~10Ω),實驗室提供了下列器材.
A.電壓表(0~3V,內(nèi)阻1kΩ)  B.電壓表(0~15V,內(nèi)阻5kΩ)
C.電流表(0~0.6A,內(nèi)阻2Ω)      D.電流表(0~3A,內(nèi)阻0.5Ω)
E.滑動變阻器(10Ω,0.2A)        F.滑動變阻器(50Ω,0.6A)
G.直流電源(6V,內(nèi)阻不計)
另有開關(guān)一個、導(dǎo)線若干.
實驗中有兩種電路可供選擇,如圖4(甲)和(乙)所示.
本次實驗中電路應(yīng)選______(選填“甲”或“乙”),電壓表應(yīng)選______,電流表應(yīng)選______,滑動變阻器應(yīng)選______.(只填器材前的字母代號即可).
(1)①在平衡摩擦力時,先取下砂桶,將木板不帶滑輪的一端墊高,讓打點計時器接交流電源,然后 輕輕推動小車,讓小車拖著紙帶運動.如果打出的紙帶如圖1右所示,則應(yīng)減小木板的傾角,反復(fù)調(diào)節(jié),直到紙帶上打出的點跡間隔均勻,平衡摩擦力才算完成.
②由圖可知,五點對應(yīng)的刻度分別是1.00cm、3.00 cm、5.20 cm、7.60 cm、10.20cm,
根據(jù)運動學(xué)公式得:△x=at2,
a=
△x
T2
=5.00m/s2
(2)①該同學(xué)選擇×100倍率,用正確的操作步驟測量時,發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)角度太大,為了減小誤差,重新選×10檔測量
測量結(jié)果是12×10=120Ω.
②由于待測電阻與電流表的內(nèi)阻接近,所以選擇電流表外接法.故選乙圖.
電源電動勢是3V,為了讀數(shù)減小誤差,電壓表應(yīng)選A,電流表應(yīng)選C,
滑動變阻器(10Ω,0.2A) 不能滿足實驗,所以滑動變阻器應(yīng)選F.
故答案為:(1)①交流電源,輕輕推動,減小,間隔均勻(之間的距離大致相等);
②5.00
(2)①重新選×10檔測量,120,
②乙,A,C,F(xiàn).
練習(xí)冊系列答案
相關(guān)習(xí)題

科目:高中物理 來源: 題型:閱讀理解

(2011?北京)(1)用如圖1所示的多用電表測量電阻,要用到選擇開關(guān)K和兩個部件S、T.請根據(jù)下列步驟完成電阻測量:
①旋動部件
S
S
,使指針對準(zhǔn)電流的“0“刻線.②將K旋轉(zhuǎn)到電阻擋“×l00“的位置.
③將插入“十“、“-“插孔的表筆短接,旋動部件
T
T
,使指針對準(zhǔn)電阻的
0刻線
0刻線
 (填“0刻線“或“∞刻線“).
④將兩表筆分別與侍測電阻相接,發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)角度過。疄榱说玫奖容^準(zhǔn)確的測量結(jié)果,請從下列選項中挑出合理的步驟,并按
ADC
ADC
的順序避行操作,再完成讀數(shù)測量.
A.將K旋轉(zhuǎn)到電阻擋“×1k“的位置    B.將K旋轉(zhuǎn)到電阻擋“×10“的位置
C.將兩表筆的金屬部分分別與被測電阻的兩恨引線相接
D.將兩表筆短接,旋動合適部件,對電表進(jìn)行校準(zhǔn)
(2)如圖2,用“碰撞實驗器“可以驗證動量守恒定律,即研究兩個小球在軌道水平部分碰撞前后的動量關(guān)系.
①實驗中,直接測定小球碰撞前后的速度是不容易的.但是,可以通過僅測量
C
C
  (填選項前的符號),間接地解決這個問題.
A.小球開始釋放高度h      B.小球拋出點距地面的高度H
C.小球做平拋運動的射程
②圖2中O點是小球拋出點在地面上的垂直投影.實驗時,先讓入射球ml多次從斜軌上S位置靜止釋放,找到其平均落地點的位置P,測量平拋射程OP.
然后,把被碰小球m2靜置于軌道的水平部分,再將入射球ml從斜軌上S位置靜止釋放,與小球m2相碰,并多次重復(fù).接下來要完成的必要步驟是
ADE或DEA或DAE
ADE或DEA或DAE
.(填選項前的符號)
A.用天平測量兩個小球的質(zhì)量ml、m2B.測量小球m1開始釋放高度h   C.測量拋出點距地面的高度H
D.分別找到m1、m2相碰后平均落地點的位置M、N       E.測量平拋射程OM,ON
③若兩球相碰前后的動量守恒,其表達(dá)式可表示為
m1?OM+m2?ON=m1OP
m1?OM+m2?ON=m1OP
 (用②中測量的量表示);若碰撞是彈性碰撞,那么還應(yīng)滿足的表達(dá)式為
m1?OM2+m2?ON2=m1OP2
m1?OM2+m2?ON2=m1OP2
 (用②中測量的量表示).
④經(jīng)測定,m1=45.0g,m2=7.5g,小球落地點的平均位置距O點的距離如圖3所示.碰撞前、后m1的動量分別為p1與p1?,則p1:p1?=
14
14
:11;若碰撞結(jié)束時m2的動量為p2?,則p1?:p2?=11:
2.9
2.9

實驗結(jié)果表明,碰撞前、后總動量的比值
p1p1+p2
1~1.01
1~1.01

⑤有同學(xué)認(rèn)為,在上述實驗中僅更換兩個小球的材質(zhì),其它條件不變,可以使被碰小球做平拋運動的射程增大.請你用④中已知的數(shù)據(jù),分析和計算出被碰小球m2平拋運動射程ON的最大值為
76.8
76.8
cm.

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科目:高中物理 來源: 題型:閱讀理解

(18分)

(1)用如圖1所示的裝置,來驗證碰撞過程中的動量守恒。圖中PQ是斜槽,QR為水平槽。O點是水平槽末端R在記錄紙上的垂直投影點,AB兩球的質(zhì)量之比mAmB=3:1。先使A球從斜槽上某一高度處由靜止釋放,在水平地面的記錄紙上留下落點痕跡P,重復(fù)10次,得到10個落點。再把B球放在水平槽上的末端R處,讓A球仍從同一高度處由靜止釋放,與B球碰撞,碰后AB球分別在記錄紙上留下各自的落點痕跡,重復(fù)10次。A、B兩球在記錄紙上留下的落點痕跡如圖2所示,其中米尺的零點與O點對齊。

①碰撞后A球的水平射程應(yīng)取_____________cm。

②本實驗巧妙地利用小球飛行的水平距離表示小球的水平速度。下面的實驗條件中,可能不能使小球飛行的水平距離的大小表示為水平初速度大小的是__________________。

A.使AB兩小球的質(zhì)量之比改變?yōu)?:1

B.升高小球初始釋放點的位置

C.使A、B兩小球的直徑之比改變?yōu)?:3

D.升高桌面的高度,即升高R點距地面的高度

③利用此次實驗中測得的數(shù)據(jù)計算碰撞前的總動量與碰撞后的總動量的比值為         。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)

(2)某同學(xué)將銅片和鋅片插入水果中制成一個“水果電池”,該同學(xué)利用下列所給器材測量水果電池的電動勢E和內(nèi)阻r。

A.電流表G1(內(nèi)阻Rg=15Ω,滿偏電流Ig=2mA)

B.電流表G2(量程20mA,內(nèi)阻約2Ω)

C.滑動變阻器R1(0~1000Ω)

D.電阻箱R2 (0~9999.9Ω)

E.待測水果電池(電動勢E約4V,內(nèi)阻r約500Ω)

F.開關(guān)S,導(dǎo)線若干

①實驗中用電流表G1改裝成量程0~4V的電壓表,需       (選填“串聯(lián)”或“并聯(lián)”)一個阻值為          Ω的電阻。

②該同學(xué)用電流表G2和改裝成的電壓表測量水果電池的電動勢和內(nèi)阻,設(shè)計了如圖3所示的實驗電路圖。請根據(jù)電路圖,將圖4中的實物連接成實驗用的電路。

③接通開關(guān),逐次調(diào)節(jié)滑動變阻器,讀取電流表示數(shù)I和對應(yīng)的電壓表的示數(shù)U,記錄了6組數(shù)據(jù),并在圖中標(biāo)注出了幾個與測量對應(yīng)的坐標(biāo)點,如圖5所示。請你在圖5上把已經(jīng)描繪出的坐標(biāo)點連成U-I圖線。

④根據(jù)圖5描繪出的圖線可得出水果電池的電動勢E=_______V,內(nèi)電阻r=_______Ω

 

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科目:高中物理 來源:2011年北京市高考物理試卷(解析版) 題型:解答題

(1)用如圖1所示的多用電表測量電阻,要用到選擇開關(guān)K和兩個部件S、T.請根據(jù)下列步驟完成電阻測量:
①旋動部件______,使指針對準(zhǔn)電流的“0“刻線.②將K旋轉(zhuǎn)到電阻擋“×l00“的位置.
③將插入“十“、“-“插孔的表筆短接,旋動部件______,使指針對準(zhǔn)電阻的______ (填“0刻線“或“∞刻線“).
④將兩表筆分別與侍測電阻相接,發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)角度過小.為了得到比較準(zhǔn)確的測量結(jié)果,請從下列選項中挑出合理的步驟,并按______的順序避行操作,再完成讀數(shù)測量.
A.將K旋轉(zhuǎn)到電阻擋“×1k“的位置    B.將K旋轉(zhuǎn)到電阻擋“×10“的位置
C.將兩表筆的金屬部分分別與被測電阻的兩恨引線相接
D.將兩表筆短接,旋動合適部件,對電表進(jìn)行校準(zhǔn)
(2)如圖2,用“碰撞實驗器“可以驗證動量守恒定律,即研究兩個小球在軌道水平部分碰撞前后的動量關(guān)系.
①實驗中,直接測定小球碰撞前后的速度是不容易的.但是,可以通過僅測量______  (填選項前的符號),間接地解決這個問題.
A.小球開始釋放高度h      B.小球拋出點距地面的高度H
C.小球做平拋運動的射程
②圖2中O點是小球拋出點在地面上的垂直投影.實驗時,先讓入射球ml多次從斜軌上S位置靜止釋放,找到其平均落地點的位置P,測量平拋射程OP.
然后,把被碰小球m2靜置于軌道的水平部分,再將入射球ml從斜軌上S位置靜止釋放,與小球m2相碰,并多次重復(fù).接下來要完成的必要步驟是______.(填選項前的符號)
A.用天平測量兩個小球的質(zhì)量ml、m2B.測量小球m1開始釋放高度h   C.測量拋出點距地面的高度H
D.分別找到m1、m2相碰后平均落地點的位置M、N       E.測量平拋射程OM,ON
③若兩球相碰前后的動量守恒,其表達(dá)式可表示為______ (用②中測量的量表示);若碰撞是彈性碰撞,那么還應(yīng)滿足的表達(dá)式為______ (用②中測量的量表示).
④經(jīng)測定,m1=45.0g,m2=7.5g,小球落地點的平均位置距O點的距離如圖3所示.碰撞前、后m1的動量分別為p1與p1´,則p1:p1´=______:11;若碰撞結(jié)束時m2的動量為p2´,則p1´:p2´=11:______.
實驗結(jié)果表明,碰撞前、后總動量的比值為______.
⑤有同學(xué)認(rèn)為,在上述實驗中僅更換兩個小球的材質(zhì),其它條件不變,可以使被碰小球做平拋運動的射程增大.請你用④中已知的數(shù)據(jù),分析和計算出被碰小球m2平拋運動射程ON的最大值為______cm.

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科目:高中物理 來源: 題型:閱讀理解

第八部分 靜電場

第一講 基本知識介紹

在奧賽考綱中,靜電學(xué)知識點數(shù)目不算多,總數(shù)和高考考綱基本相同,但在個別知識點上,奧賽的要求顯然更加深化了:如非勻強(qiáng)電場中電勢的計算、電容器的連接和靜電能計算、電介質(zhì)的極化等。在處理物理問題的方法上,對無限分割和疊加原理提出了更高的要求。

如果把靜電場的問題分為兩部分,那就是電場本身的問題、和對場中帶電體的研究,高考考綱比較注重第二部分中帶電粒子的運動問題,而奧賽考綱更注重第一部分和第二部分中的靜態(tài)問題。也就是說,奧賽關(guān)注的是電場中更本質(zhì)的內(nèi)容,關(guān)注的是縱向的深化和而非橫向的綜合。

一、電場強(qiáng)度

1、實驗定律

a、庫侖定律

內(nèi)容;

條件:⑴點電荷,⑵真空,⑶點電荷靜止或相對靜止。事實上,條件⑴和⑵均不能視為對庫侖定律的限制,因為疊加原理可以將點電荷之間的靜電力應(yīng)用到一般帶電體,非真空介質(zhì)可以通過介電常數(shù)將k進(jìn)行修正(如果介質(zhì)分布是均勻和“充分寬廣”的,一般認(rèn)為k′= k /εr)。只有條件⑶,它才是靜電學(xué)的基本前提和出發(fā)點(但這一點又是常常被忽視和被不恰當(dāng)?shù)亍熬C合應(yīng)用”的)。

b、電荷守恒定律

c、疊加原理

2、電場強(qiáng)度

a、電場強(qiáng)度的定義

電場的概念;試探電荷(檢驗電荷);定義意味著一種適用于任何電場的對電場的檢測手段;電場線是抽象而直觀地描述電場有效工具(電場線的基本屬性)。

b、不同電場中場強(qiáng)的計算

決定電場強(qiáng)弱的因素有兩個:場源(帶電量和帶電體的形狀)和空間位置。這可以從不同電場的場強(qiáng)決定式看出——

⑴點電荷:E = k

結(jié)合點電荷的場強(qiáng)和疊加原理,我們可以求出任何電場的場強(qiáng),如——

⑵均勻帶電環(huán),垂直環(huán)面軸線上的某點P:E = ,其中r和R的意義見圖7-1。

⑶均勻帶電球殼

內(nèi)部:E內(nèi) = 0

外部:E = k ,其中r指考察點到球心的距離

如果球殼是有厚度的的(內(nèi)徑R1 、外徑R2),在殼體中(R1<r<R2):

E =  ,其中ρ為電荷體密度。這個式子的物理意義可以參照萬有引力定律當(dāng)中(條件部分)的“剝皮法則”理解〔即為圖7-2中虛線以內(nèi)部分的總電量…〕。

⑷無限長均勻帶電直線(電荷線密度為λ):E = 

⑸無限大均勻帶電平面(電荷面密度為σ):E = 2πkσ

二、電勢

1、電勢:把一電荷從P點移到參考點P0時電場力所做的功W與該電荷電量q的比值,即

U = 

參考點即電勢為零的點,通常取無窮遠(yuǎn)或大地為參考點。

和場強(qiáng)一樣,電勢是屬于場本身的物理量。W則為電荷的電勢能。

2、典型電場的電勢

a、點電荷

以無窮遠(yuǎn)為參考點,U = k

b、均勻帶電球殼

以無窮遠(yuǎn)為參考點,U = k ,U內(nèi) = k

3、電勢的疊加

由于電勢的是標(biāo)量,所以電勢的疊加服從代數(shù)加法。很顯然,有了點電荷電勢的表達(dá)式和疊加原理,我們可以求出任何電場的電勢分布。

4、電場力對電荷做功

WAB = q(UA - UB)= qUAB 

三、靜電場中的導(dǎo)體

靜電感應(yīng)→靜電平衡(狹義和廣義)→靜電屏蔽

1、靜電平衡的特征可以總結(jié)為以下三層含義——

a、導(dǎo)體內(nèi)部的合場強(qiáng)為零;表面的合場強(qiáng)不為零且一般各處不等,表面的合場強(qiáng)方向總是垂直導(dǎo)體表面。

b、導(dǎo)體是等勢體,表面是等勢面。

c、導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷;孤立導(dǎo)體的凈電荷在表面的分布情況取決于導(dǎo)體表面的曲率。

2、靜電屏蔽

導(dǎo)體殼(網(wǎng)罩)不接地時,可以實現(xiàn)外部對內(nèi)部的屏蔽,但不能實現(xiàn)內(nèi)部對外部的屏蔽;導(dǎo)體殼(網(wǎng)罩)接地后,既可實現(xiàn)外部對內(nèi)部的屏蔽,也可實現(xiàn)內(nèi)部對外部的屏蔽。

四、電容

1、電容器

孤立導(dǎo)體電容器→一般電容器

2、電容

a、定義式 C = 

b、決定式。決定電容器電容的因素是:導(dǎo)體的形狀和位置關(guān)系、絕緣介質(zhì)的種類,所以不同電容器有不同的電容

⑴平行板電容器 C =  =  ,其中ε為絕對介電常數(shù)(真空中ε0 =  ,其它介質(zhì)中ε= ),εr則為相對介電常數(shù),εr =  。

⑵柱形電容器:C = 

⑶球形電容器:C = 

3、電容器的連接

a、串聯(lián)  = +++ … +

b、并聯(lián) C = C1 + C2 + C3 + … + Cn 

4、電容器的能量

用圖7-3表征電容器的充電過程,“搬運”電荷做功W就是圖中陰影的面積,這也就是電容器的儲能E ,所以

E = q0U0 = C = 

電場的能量。電容器儲存的能量究竟是屬于電荷還是屬于電場?正確答案是后者,因此,我們可以將電容器的能量用場強(qiáng)E表示。

對平行板電容器 E = E2 

認(rèn)為電場能均勻分布在電場中,則單位體積的電場儲能 w = E2 。而且,這以結(jié)論適用于非勻強(qiáng)電場。

五、電介質(zhì)的極化

1、電介質(zhì)的極化

a、電介質(zhì)分為兩類:無極分子和有極分子,前者是指在沒有外電場時每個分子的正、負(fù)電荷“重心”彼此重合(如氣態(tài)的H2 、O2 、N2和CO2),后者則反之(如氣態(tài)的H2O 、SO2和液態(tài)的水硝基笨)

b、電介質(zhì)的極化:當(dāng)介質(zhì)中存在外電場時,無極分子會變?yōu)橛袠O分子,有極分子會由原來的雜亂排列變成規(guī)則排列,如圖7-4所示。

2、束縛電荷、自由電荷、極化電荷與宏觀過剩電荷

a、束縛電荷與自由電荷:在圖7-4中,電介質(zhì)左右兩端分別顯現(xiàn)負(fù)電和正電,但這些電荷并不能自由移動,因此稱為束縛電荷,除了電介質(zhì),導(dǎo)體中的原子核和內(nèi)層電子也是束縛電荷;反之,能夠自由移動的電荷稱為自由電荷。事實上,導(dǎo)體中存在束縛電荷與自由電荷,絕緣體中也存在束縛電荷和自由電荷,只是它們的比例差異較大而已。

b、極化電荷是更嚴(yán)格意義上的束縛電荷,就是指圖7-4中電介質(zhì)兩端顯現(xiàn)的電荷。而宏觀過剩電荷是相對極化電荷來說的,它是指可以自由移動的凈電荷。宏觀過剩電荷與極化電荷的重要區(qū)別是:前者能夠用來沖放電,也能用儀表測量,但后者卻不能。

第二講 重要模型與專題

一、場強(qiáng)和電場力

【物理情形1】試證明:均勻帶電球殼內(nèi)部任意一點的場強(qiáng)均為零。

【模型分析】這是一個疊加原理應(yīng)用的基本事例。

如圖7-5所示,在球殼內(nèi)取一點P ,以P為頂點做兩個對頂?shù)、頂角很小的錐體,錐體與球面相交得到球面上的兩個面元ΔS1和ΔS2 ,設(shè)球面的電荷面密度為σ,則這兩個面元在P點激發(fā)的場強(qiáng)分別為

ΔE1 = k

ΔE2 = k

為了弄清ΔE1和ΔE2的大小關(guān)系,引進(jìn)錐體頂部的立體角ΔΩ ,顯然

 = ΔΩ = 

所以 ΔE1 = k ,ΔE2 = k ,即:ΔE1 = ΔE2 ,而它們的方向是相反的,故在P點激發(fā)的合場強(qiáng)為零。

同理,其它各個相對的面元ΔS3和ΔS4 、ΔS5和ΔS6  激發(fā)的合場強(qiáng)均為零。原命題得證。

【模型變換】半徑為R的均勻帶電球面,電荷的面密度為σ,試求球心處的電場強(qiáng)度。

【解析】如圖7-6所示,在球面上的P處取一極小的面元ΔS ,它在球心O點激發(fā)的場強(qiáng)大小為

ΔE = k ,方向由P指向O點。

無窮多個這樣的面元激發(fā)的場強(qiáng)大小和ΔS激發(fā)的完全相同,但方向各不相同,它們矢量合成的效果怎樣呢?這里我們要大膽地預(yù)見——由于由于在x方向、y方向上的對稱性,Σ = Σ = 0 ,最后的ΣE = ΣEz ,所以先求

ΔEz = ΔEcosθ= k ,而且ΔScosθ為面元在xoy平面的投影,設(shè)為ΔS′

所以 ΣEz = ΣΔS′

 ΣΔS′= πR2 

【答案】E = kπσ ,方向垂直邊界線所在的平面。

〖學(xué)員思考〗如果這個半球面在yoz平面的兩邊均勻帶有異種電荷,面密度仍為σ,那么,球心處的場強(qiáng)又是多少?

〖推薦解法〗將半球面看成4個球面,每個球面在x、y、z三個方向上分量均為 kπσ,能夠?qū)ΨQ抵消的將是y、z兩個方向上的分量,因此ΣE = ΣEx …

〖答案〗大小為kπσ,方向沿x軸方向(由帶正電的一方指向帶負(fù)電的一方)。

【物理情形2】有一個均勻的帶電球體,球心在O點,半徑為R ,電荷體密度為ρ ,球體內(nèi)有一個球形空腔,空腔球心在O′點,半徑為R′,= a ,如圖7-7所示,試求空腔中各點的場強(qiáng)。

【模型分析】這里涉及兩個知識的應(yīng)用:一是均勻帶電球體的場強(qiáng)定式(它也是來自疊加原理,這里具體用到的是球體內(nèi)部的結(jié)論,即“剝皮法則”),二是填補(bǔ)法。

將球體和空腔看成完整的帶正電的大球和帶負(fù)電(電荷體密度相等)的小球的集合,對于空腔中任意一點P ,設(shè) = r1 , = r2 ,則大球激發(fā)的場強(qiáng)為

E1 = k = kρπr1 ,方向由O指向P

“小球”激發(fā)的場強(qiáng)為

E2 = k = kρπr2 ,方向由P指向O′

E1和E2的矢量合成遵從平行四邊形法則,ΣE的方向如圖。又由于矢量三角形PE1ΣE和空間位置三角形OP O′是相似的,ΣE的大小和方向就不難確定了。

【答案】恒為kρπa ,方向均沿O → O′,空腔里的電場是勻強(qiáng)電場。

〖學(xué)員思考〗如果在模型2中的OO′連線上O′一側(cè)距離O為b(b>R)的地方放一個電量為q的點電荷,它受到的電場力將為多大?

〖解說〗上面解法的按部就班應(yīng)用…

〖答〗πkρq〔?〕。

二、電勢、電量與電場力的功

【物理情形1】如圖7-8所示,半徑為R的圓環(huán)均勻帶電,電荷線密度為λ,圓心在O點,過圓心跟環(huán)面垂直的軸線上有P點, = r ,以無窮遠(yuǎn)為參考點,試求P點的電勢U

【模型分析】這是一個電勢標(biāo)量疊加的簡單模型。先在圓環(huán)上取一個元段ΔL ,它在P點形成的電勢

ΔU = k

環(huán)共有段,各段在P點形成的電勢相同,而且它們是標(biāo)量疊加。

【答案】UP = 

〖思考〗如果上題中知道的是環(huán)的總電量Q ,則UP的結(jié)論為多少?如果這個總電量的分布不是均勻的,結(jié)論會改變嗎?

〖答〗UP =  ;結(jié)論不會改變。

〖再思考〗將環(huán)換成半徑為R的薄球殼,總電量仍為Q ,試問:(1)當(dāng)電量均勻分布時,球心電勢為多少?球內(nèi)(包括表面)各點電勢為多少?(2)當(dāng)電量不均勻分布時,球心電勢為多少?球內(nèi)(包括表面)各點電勢為多少?

〖解說〗(1)球心電勢的求解從略;

球內(nèi)任一點的求解參看圖7-5

ΔU1 = k= k·= kσΔΩ

ΔU2 = kσΔΩ

它們代數(shù)疊加成 ΔU = ΔU1 + ΔU2 = kσΔΩ

而 r1 + r2 = 2Rcosα

所以 ΔU = 2RkσΔΩ

所有面元形成電勢的疊加 ΣU = 2RkσΣΔΩ

注意:一個完整球面的ΣΔΩ = 4π(單位:球面度sr),但作為對頂?shù)腻F角,ΣΔΩ只能是2π ,所以——

ΣU = 4πRkσ= k

(2)球心電勢的求解和〖思考〗相同;

球內(nèi)任一點的電勢求解可以從(1)問的求解過程得到結(jié)論的反證。

〖答〗(1)球心、球內(nèi)任一點的電勢均為k ;(2)球心電勢仍為k ,但其它各點的電勢將隨電量的分布情況的不同而不同(內(nèi)部不再是等勢體,球面不再是等勢面)。

【相關(guān)應(yīng)用】如圖7-9所示,球形導(dǎo)體空腔內(nèi)、外壁的半徑分別為R1和R2 ,帶有凈電量+q ,現(xiàn)在其內(nèi)部距球心為r的地方放一個電量為+Q的點電荷,試求球心處的電勢。

【解析】由于靜電感應(yīng),球殼的內(nèi)、外壁形成兩個帶電球殼。球心電勢是兩個球殼形成電勢、點電荷形成電勢的合效果。

根據(jù)靜電感應(yīng)的嘗試,內(nèi)壁的電荷量為-Q ,外壁的電荷量為+Q+q ,雖然內(nèi)壁的帶電是不均勻的,根據(jù)上面的結(jié)論,其在球心形成的電勢仍可以應(yīng)用定式,所以…

【答案】Uo = k - k + k 。

〖反饋練習(xí)〗如圖7-10所示,兩個極薄的同心導(dǎo)體球殼A和B,半徑分別為RA和RB ,現(xiàn)讓A殼接地,而在B殼的外部距球心d的地方放一個電量為+q的點電荷。試求:(1)A球殼的感應(yīng)電荷量;(2)外球殼的電勢。

〖解說〗這是一個更為復(fù)雜的靜電感應(yīng)情形,B殼將形成圖示的感應(yīng)電荷分布(但沒有凈電量),A殼的情形未畫出(有凈電量),它們的感應(yīng)電荷分布都是不均勻的。

此外,我們還要用到一個重要的常識:接地導(dǎo)體(A殼)的電勢為零。但值得注意的是,這里的“為零”是一個合效果,它是點電荷q 、A殼、B殼(帶同樣電荷時)單獨存在時在A中形成的的電勢的代數(shù)和,所以,當(dāng)我們以球心O點為對象,有

UO = k + k + k = 0

QB應(yīng)指B球殼上的凈電荷量,故 QB = 0

所以 QA = -q

☆學(xué)員討論:A殼的各處電勢均為零,我們的方程能不能針對A殼表面上的某點去列?(答:不能,非均勻帶電球殼的球心以外的點不能應(yīng)用定式。

基于剛才的討論,求B的電勢時也只能求B的球心的電勢(獨立的B殼是等勢體,球心電勢即為所求)——

UB = k + k

〖答〗(1)QA = -q ;(2)UB = k(1-) 。

【物理情形2】圖7-11中,三根實線表示三根首尾相連的等長絕緣細(xì)棒,每根棒上的電荷分布情況與絕緣棒都換成導(dǎo)體棒時完全相同。點A是Δabc的中心,點B則與A相對bc棒對稱,且已測得它們的電勢分別為UA和UB 。試問:若將ab棒取走,A、B兩點的電勢將變?yōu)槎嗌伲?/p>

【模型分析】由于細(xì)棒上的電荷分布既不均勻、三根細(xì)棒也沒有構(gòu)成環(huán)形,故前面的定式不能直接應(yīng)用。若用元段分割→疊加,也具有相當(dāng)?shù)睦щy。所以這里介紹另一種求電勢的方法。

每根細(xì)棒的電荷分布雖然復(fù)雜,但相對各自的中點必然是對稱的,而且三根棒的總電量、分布情況彼此必然相同。這就意味著:①三棒對A點的電勢貢獻(xiàn)都相同(可設(shè)為U1);②ab棒、ac棒對B點的電勢貢獻(xiàn)相同(可設(shè)為U2);③bc棒對A、B兩點的貢獻(xiàn)相同(為U1)。

所以,取走ab前  3U1 = UA

                 2U2 + U1 = UB

取走ab后,因三棒是絕緣體,電荷分布不變,故電勢貢獻(xiàn)不變,所以

  UA′= 2U1

                 UB′= U1 + U2

【答案】UA′= UA ;UB′= UA + UB 

〖模型變換〗正四面體盒子由彼此絕緣的四塊導(dǎo)體板構(gòu)成,各導(dǎo)體板帶電且電勢分別為U1 、U2 、U3和U4 ,則盒子中心點O的電勢U等于多少?

〖解說〗此處的四塊板子雖然位置相對O點具有對稱性,但電量各不相同,因此對O點的電勢貢獻(xiàn)也不相同,所以應(yīng)該想一點辦法——

我們用“填補(bǔ)法”將電量不對稱的情形加以改觀:先將每一塊導(dǎo)體板復(fù)制三塊,作成一個正四面體盒子,然后將這四個盒子位置重合地放置——構(gòu)成一個有四層壁的新盒子。在這個新盒子中,每個壁的電量將是完全相同的(為原來四塊板的電量之和)、電勢也完全相同(為U1 + U2 + U3 + U4),新盒子表面就構(gòu)成了一個等勢面、整個盒子也是一個等勢體,故新盒子的中心電勢為

U′= U1 + U2 + U3 + U4 

最后回到原來的單層盒子,中心電勢必為 U =  U′

〖答〗U = (U1 + U2 + U3 + U4)。

☆學(xué)員討論:剛才的這種解題思想是否適用于“物理情形2”?(答:不行,因為三角形各邊上電勢雖然相等,但中點的電勢和邊上的并不相等。)

〖反饋練習(xí)〗電荷q均勻分布在半球面ACB上,球面半徑為R ,CD為通過半球頂點C和球心O的軸線,如圖7-12所示。P、Q為CD軸線上相對O點對稱的兩點,已知P點的電勢為UP ,試求Q點的電勢UQ 。

〖解說〗這又是一個填補(bǔ)法的應(yīng)用。將半球面補(bǔ)成完整球面,并令右邊內(nèi)、外層均勻地帶上電量為q的電荷,如圖7-12所示。

從電量的角度看,右半球面可以看作不存在,故這時P、Q的電勢不會有任何改變。

而換一個角度看,P、Q的電勢可以看成是兩者的疊加:①帶電量為2q的完整球面;②帶電量為-q的半球面。

考查P點,UP = k + U半球面

其中 U半球面顯然和為填補(bǔ)時Q點的電勢大小相等、符號相反,即 U半球面= -UQ 

以上的兩個關(guān)系已經(jīng)足以解題了。

〖答〗UQ = k - UP 。

【物理情形3】如圖7-13所示,A、B兩點相距2L ,圓弧是以B為圓心、L為半徑的半圓。A處放有電量為q的電荷,B處放有電量為-q的點電荷。試問:(1)將單位正電荷從O點沿移到D點,電場力對它做了多少功?(2)將單位負(fù)電荷從D點沿AB的延長線移到無窮遠(yuǎn)處去,電場力對它做多少功?

【模型分析】電勢疊加和關(guān)系WAB = q(UA - UB)= qUAB的基本應(yīng)用。

UO = k + k = 0

UD = k + k = -

U = 0

再用功與電勢的關(guān)系即可。

【答案】(1);(2)。 

【相關(guān)應(yīng)用】在不計重力空間,有A、B兩個帶電小球,電量分別為q1和q2 ,質(zhì)量分別為m1和m2 ,被固定在相距L的兩點。試問:(1)若解除A球的固定,它能獲得的最大動能是多少?(2)若同時解除兩球的固定,它們各自的獲得的最大動能是多少?(3)未解除固定時,這個系統(tǒng)的靜電勢能是多少?

【解說】第(1)問甚間;第(2)問在能量方面類比反沖裝置的能量計算,另啟用動量守恒關(guān)系;第(3)問是在前兩問基礎(chǔ)上得出的必然結(jié)論…(這里就回到了一個基本的觀念斧正:勢能是屬于場和場中物體的系統(tǒng),而非單純屬于場中物體——這在過去一直是被忽視的。在兩個點電荷的環(huán)境中,我們通常說“兩個點電荷的勢能”是多少。)

【答】(1)k;(2)Ek1 = k ,Ek2 = k;(3)k 。

〖思考〗設(shè)三個點電荷的電量分別為q1 、q2和q3 ,兩兩相距為r12 、r23和r31 ,則這個點電荷系統(tǒng)的靜電勢能是多少?

〖解〗略。

〖答〗k(++)。

〖反饋應(yīng)用〗如圖7-14所示,三個帶同種電荷的相同金屬小球,每個球的質(zhì)量均為m 、電量均為q ,用長度為L的三根絕緣輕繩連接著,系統(tǒng)放在光滑、絕緣的水平面上。現(xiàn)將其中的一根繩子剪斷,三個球?qū)㈤_始運動起來,試求中間這個小球的最大速度。

〖解〗設(shè)剪斷的是1、3之間的繩子,動力學(xué)分析易知,2球獲得最大動能時,1、2之間的繩子與2、3之間的繩子剛好應(yīng)該在一條直線上。而且由動量守恒知,三球不可能有沿繩子方向的速度。設(shè)2球的速度為v ,1球和3球的速度為v′,則

動量關(guān)系 mv + 2m v′= 0

能量關(guān)系 3k = 2 k + k + mv2 + 2m

解以上兩式即可的v值。

〖答〗v = q 。

三、電場中的導(dǎo)體和電介質(zhì)

【物理情形】兩塊平行放置的很大的金屬薄板A和B,面積都是S ,間距為d(d遠(yuǎn)小于金屬板的線度),已知A板帶凈電量+Q1 ,B板帶盡電量+Q2 ,且Q2<Q1 ,試求:(1)兩板內(nèi)外表面的電量分別是多少;(2)空間各處的場強(qiáng);(3)兩板間的電勢差。

【模型分析】由于靜電感應(yīng),A、B兩板的四個平面的電量將呈現(xiàn)一定規(guī)律的分布(金屬板雖然很薄,但內(nèi)部合場強(qiáng)為零的結(jié)論還是存在的);這里應(yīng)注意金屬板“很大”的前提條件,它事實上是指物理無窮大,因此,可以應(yīng)用無限大平板的場強(qiáng)定式。

為方便解題,做圖7-15,忽略邊緣效應(yīng),四個面的電荷分布應(yīng)是均勻的,設(shè)四個面的電荷面密度分別為σ1 、σ2 、σ3和σ4 ,顯然

(σ1 + σ2)S = Q1 

(σ3 + σ4)S = Q2 

A板內(nèi)部空間場強(qiáng)為零,有 2πk(σ1 ? σ2 ? σ3 ? σ4)= 0

A板內(nèi)部空間場強(qiáng)為零,有 2πk(σ1 + σ2 + σ3 ? σ4)= 0

解以上四式易得 σ1 = σ4 = 

               σ2 = ?σ3 = 

有了四個面的電荷密度,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ空間的場強(qiáng)就好求了〔如E =2πk(σ1 + σ2 ? σ3 ? σ4)= 2πk〕。

最后,UAB = Ed

【答案】(1)A板外側(cè)電量、A板內(nèi)側(cè)電量,B板內(nèi)側(cè)電量?、B板外側(cè)電量;(2)A板外側(cè)空間場強(qiáng)2πk,方向垂直A板向外,A、B板之間空間場強(qiáng)2πk,方向由A垂直指向B,B板外側(cè)空間場強(qiáng)2πk,方向垂直B板向外;(3)A、B兩板的電勢差為2πkd,A板電勢高。

〖學(xué)員思考〗如果兩板帶等量異號的凈電荷,兩板的外側(cè)空間場強(qiáng)等于多少?(答:為零。)

〖學(xué)員討論〗(原模型中)作為一個電容器,它的“電量”是多少(答:)?如果在板間充滿相對介電常數(shù)為εr的電介質(zhì),是否會影響四個面的電荷分布(答:不會)?是否會影響三個空間的場強(qiáng)(答:只會影響Ⅱ空間的場強(qiáng))?

〖學(xué)員討論〗(原模型中)我們是否可以求出A、B兩板之間的靜電力?〔答:可以;以A為對象,外側(cè)受力·(方向相左),內(nèi)側(cè)受力·(方向向右),它們合成即可,結(jié)論為F = Q1Q2 ,排斥力。〕

【模型變換】如圖7-16所示,一平行板電容器,極板面積為S ,其上半部為真空,而下半部充滿相對介電常數(shù)為εr的均勻電介質(zhì),當(dāng)兩極板分別帶上+Q和?Q的電量后,試求:(1)板上自由電荷的分布;(2)兩板之間的場強(qiáng);(3)介質(zhì)表面的極化電荷。

【解說】電介質(zhì)的充入雖然不能改變內(nèi)表面的電量總數(shù),但由于改變了場強(qiáng),故對電荷的分布情況肯定有影響。設(shè)真空部分電量為Q1 ,介質(zhì)部分電量為Q2 ,顯然有

Q1 + Q2 = Q

兩板分別為等勢體,將電容器看成上下兩個電容器的并聯(lián),必有

U1 = U2   =  ,即  = 

解以上兩式即可得Q1和Q2 。

場強(qiáng)可以根據(jù)E = 關(guān)系求解,比較常規(guī)(上下部分的場強(qiáng)相等)。

上下部分的電量是不等的,但場強(qiáng)居然相等,這怎么解釋?從公式的角度看,E = 2πkσ(單面平板),當(dāng)k 、σ同時改變,可以保持E不變,但這是一種結(jié)論所展示的表象。從內(nèi)在的角度看,k的改變正是由于極化電荷的出現(xiàn)所致,也就是說,極化電荷的存在相當(dāng)于在真空中形成了一個新的電場,正是這個電場與自由電荷(在真空中)形成的電場疊加成為E2 ,所以

E2 = 4πk(σ ? σ′)= 4πk( ? 

請注意:①這里的σ′和Q′是指極化電荷的面密度和總量;② E = 4πkσ的關(guān)系是由兩個帶電面疊加的合效果。

【答案】(1)真空部分的電量為Q ,介質(zhì)部分的電量為Q ;(2)整個空間的場強(qiáng)均為 ;(3)Q 。

〖思考應(yīng)用〗一個帶電量為Q的金屬小球,周圍充滿相對介電常數(shù)為εr的均勻電介質(zhì),試求與與導(dǎo)體表面接觸的介質(zhì)表面的極化電荷量。

〖解〗略。

〖答〗Q′= Q 。

四、電容器的相關(guān)計算

【物理情形1】由許多個電容為C的電容器組成一個如圖7-17所示的多級網(wǎng)絡(luò),試問:(1)在最后一級的右邊并聯(lián)一個多大電容C′,可使整個網(wǎng)絡(luò)的A、B兩端電容也為C′?(2)不接C′,但無限地增加網(wǎng)絡(luò)的級數(shù),整個網(wǎng)絡(luò)A、B兩端的總電容是多少?

【模型分析】這是一個練習(xí)電容電路簡化基本事例。

第(1)問中,未給出具體級數(shù),一般結(jié)論應(yīng)適用特殊情形:令級數(shù)為1 ,于是

 +  =  解C′即可。

第(2)問中,因為“無限”,所以“無限加一級后仍為無限”,不難得出方程

 +  = 

【答案】(1)C ;(2)C 。

【相關(guān)模型】在圖7-18所示的電路中,已知C1 = C2 = C3 = C9 = 1μF ,C4 = C5 = C6 = C7 = 2μF ,C8 = C10 = 3μF ,試求A、B之間的等效電容。

【解說】對于既非串聯(lián)也非并聯(lián)的電路,需要用到一種“Δ→Y型變換”,參見圖7-19,根據(jù)三個端點之間的電容等效,容易得出定式——

Δ→Y型:Ca = 

          Cb = 

          Cc = 

Y→Δ型:C1 = 

         C2 = 

         C3 = 

有了這樣的定式后,我們便可以進(jìn)行如圖7-20所示的四步電路簡化(為了方便,電容不宜引進(jìn)新的符號表達(dá),而是直接將變換后的量值標(biāo)示在圖中)——

【答】約2.23μF 。

【物理情形2】如圖7-21所示的電路中,三個電容器完全相同,電源電動勢ε1 = 3.0V ,ε2 = 4.5V,開關(guān)K1和K2接通前電容器均未帶電,試求K1和K2接通后三個電容器的電壓Uao 、Ubo和Uco各為多少。

【解說】這是一個考查電容器電路的基本習(xí)題,解題的關(guān)鍵是要抓與o相連的三塊極板(俗稱“孤島”)的總電量為零。

電量關(guān)系:++= 0

電勢關(guān)系:ε1 = Uao + Uob = Uao ? Ubo 

          ε2 = Ubo + Uoc = Ubo ? Uco 

解以上三式即可。

【答】Uao = 3.5V ,Ubo = 0.5V ,Uco = ?4.0V 。

【伸展應(yīng)用】如圖7-22所示,由n個單元組成的電容器網(wǎng)絡(luò),每一個單元由三個電容器連接而成,其中有兩個的電容為3C ,另一個的電容為3C 。以a、b為網(wǎng)絡(luò)的輸入端,a′、b′為輸出端,今在a、b間加一個恒定電壓U ,而在a′b′間接一個電容為C的電容器,試求:(1)從第k單元輸入端算起,后面所有電容器儲存的總電能;(2)若把第一單元輸出端與后面斷開,再除去電源,并把它的輸入端短路,則這個單元的三個電容器儲存的總電能是多少?

【解說】這是一個結(jié)合網(wǎng)絡(luò)計算和“孤島現(xiàn)象”的典型事例。

(1)類似“物理情形1”的計算,可得 C = Ck = C

所以,從輸入端算起,第k單元后的電壓的經(jīng)驗公式為 Uk = 

再算能量儲存就不難了。

(2)斷開前,可以算出第一單元的三個電容器、以及后面“系統(tǒng)”的電量分配如圖7-23中的左圖所示。這時,C1的右板和C2的左板(或C2的下板和C3的右板)形成“孤島”。此后,電容器的相互充電過程(C3類比為“電源”)滿足——

電量關(guān)系:Q1′= Q3

          Q2′+ Q3′= 

電勢關(guān)系: = 

從以上三式解得 Q1′= Q3′=  ,Q2′=  ,這樣系統(tǒng)的儲能就可以用得出了。

【答】(1)Ek = ;(2) 。

〖學(xué)員思考〗圖7-23展示的過程中,始末狀態(tài)的電容器儲能是否一樣?(答:不一樣;在相互充電的過程中,導(dǎo)線消耗的焦耳熱已不可忽略。)

☆第七部分完☆

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