论述电场对带电粒子的作用

2018-03-22尚冰涵

中文信息 2018年1期

尚冰涵

摘要：任何电荷的周围都存在着电场，相对于观察者静置的电荷所激发的电场称为静电场，它是电荷周围空间存在的一种特殊形态的物质。相对于观测者定向运动的电荷，其周围的空间也产生电场。如果这个电场不随时间变化，就把它称为是稳恒电场，高中阶段一般统一称为静电场。带电粒子在电场中会受到电场力的作用，就像重力场中的物体会受到重力一样。

关键词：电场带电粒子牛顿定律动能定理

中图分类号：U633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）01-0-01

生活中的电现象很多，比如静电就是最常见的现象。例如冬天穿毛衣时会有“被电”的感觉，这是由于摩擦起电引起的。灵活掌握带电粒子在电场中的运动原理，有助于我们的生活、生产和科学技术全方面的发展。

一、带电粒子是什么

带电粒子在物理学中是指带有电荷的微粒。例如，原子由带正电的原子核和周围带负电的电子组成，当正电荷和负电荷一样多的时候，原子呈中性不带电，如果正电荷比负电荷多则带正电，反之，则带负电。当两个物体摩擦时，其中一个物体会失去带负电的电子，另一物体会得到电子。例如用丝绸和玻璃棒摩擦，玻璃棒的一些电子转移到丝绸上，玻璃棒因失去电子而带正电，丝绸因得到电子而带等负电。用橡胶棒跟毛皮摩擦，毛皮的一些电子转移到橡胶棒上，毛皮带正电，橡胶棒带着等量的负电。

二、带电粒子在电场中的运动

带电粒子在电场中一定会受到电场力的作用，解决电场中带电粒子的问题一般来说都是要进行受力分析的。这时有一个细节，那就是根据描述的不同，重力是否需要考虑是一个关键点。（1）基本粒子：如电子、质子、α粒子、离子等，除有说明或明确的暗示外，一般不考虑其重力（但并不忽视其质量）；（2）带电颗粒：如液滴、油滴、尘埃、小球等，除有说明或明确的暗示外，一般都不能忽略其重力[1]。然后对带电粒子的受力情况进行分析，分析它的运动状态，平衡、加速、减速、直线或是曲线。受力分析的时候有一点一定要明确，那就是电场力的特点：电场力的大小和方向不仅和电场强度有关，还和带电粒子的电量和电性有关，这是和重力不一样的。而且与重力不同的还有，在非匀强电场中，同一带电粒子在不同位置所受电场力的大小乃至方向都有可能不同。

带电粒子在匀强电场中有速度变化，速度变化的过程是功和能量之间的转化过程。分析问题的时候有两个方向：动能定理和能量守恒。如果选择动能定理，要确定做功的力有那些，它们各自做了多少功，是正功还是负功。如果使用能量守恒定律，则要分析哪些形式的能量在变化，初态和末态的总能量的值是相等的，一种能量的减少必定伴随着另一种能量的增加，且数值上相等。

下面是求解带电粒子在电场中运动的一般思路：

1.分析带电粒子的运动规律，确定粒子的运动方式。

2.如果带电粒子在电场中做直线运动，则可以根据对带电粒子的受力分析与运动分析，从两个方面进行处理：（1）带电粒子如果是在恒定电场力的作用下做直线运动，则可以先应用牛顿第二定律求出加速度，再结合运动定律确定带电粒子的速度，位移等；（2）带电粒子如果是在非匀强电场中做直线运动，则可以先利用动能定理研究过程中的转化关系，然后确定带电粒子的信息。

3.如果带电粒子在电场中作曲线运动，则在高中阶段，该曲线运动一般遵循类平抛运动的规律，可以采用运动的合成与分解的方式进行处理[2]。

4.列式求解，并对结果进行必要的分析。

下面结合两道例题感受一下。

例 1.如图所示，两块与水平方向成角的平行带等量异种电荷的金属板AB与CD，正对放置，板长均为L，有一质量为m、带电量为+q的微粒从金属板A端以速度v0沿水平方向进入两板间，并沿直线从金属板D端射出。

试求：（1）两金属板间电压是多少？

（2）带电微粒从D端射出是的速度为多少[3]？

解析：粒子在两板间受到的电场力和重力的作用如图所示。

（1）粒子在豎直方向平衡有，得，由图中的几何关系，则两板间电压。（2）水平方向有：，得。从A到D的过程中粒子作匀减速直线运动有，其中，解的。

例2 有三个质量相同，分别带有正电、负电和不带电的微粒，从极板左侧中央以相同的水平初速度v先后垂直场强射入，分别落到极板A、B、C处，如图2，则正确的是（）。

A、粒子A带正电，B不带电，C带负电

B、三个粒子在电场中运动时间相等

C、三个粒子在电场中运动的加速度