APP下载

电场中图象问题的求解方法

2021-08-05成金德

数理化解题研究 2021年10期
关键词:图线电场力坐标轴

成金德

(浙江省义乌市第二中学 322000)

带电粒子在电场中运动的图象问题是一类常见问题,此类问题涉及六种题型,即:(1)速度随时间变化的v-t图象;(2)电场强度随位置变化的E-x图象;(3)电势随位置变化的φ-x图象;(4)电势能随位置变化的Ep-x图象;(5)动能随位置变化的Ek-x图象;(6)受到的力F随位置变化的F-x图象.解答此类问题,不仅要善于应用相应的电场知识和力学规律,更重要的是弄懂图象的物理意义,包括图线上的点、斜率和图线与坐标轴围成的面积.下面就此问题作些探讨.

一、涉及v-t图象的问题

例1两个等量同种电荷固定在光滑水平面上,其连线所在水平面的中垂线上有A、B、C三点,如图1所示,一个电荷量为q=2.0 C、质量为m=1.0 kg的小球从C点静止释放,其运动的v-t图象如图2所示,其中B点处为整条图线切线斜率最大的位置(图中已标出了该切线).则下列说法正确的是( ).

A.B点为中垂线上电场强度最大的点,场强E=1.0V/m

B.由C点到A点的过程中,由于B点的斜率最大,则小球的电势能先减小后增大

C.由C点到A点的过程中,电场的电势逐渐升高

D.AB两点间的电势差UAB=-5 V

点评求出B点的图线斜率是解决本题的核心.求出了斜率,就知道了加速度,再利用牛顿第二定律就可以求出电场强度E.

二、涉及E-x图象的问题

带电粒子在已知E-x图象的电场中运动时,除了从图象上可以直接知道电场强度、电势的变化外,更为重要的是可以利用图象的面积,即由图线与x轴围成的“面积”,此面积的大小表示电势差的大小,也就是UAB=E·x.

例2一光滑绝缘细直长杆处于静电场中,沿细杆建立坐标轴x,以x=0处的O点为电势零点,如图3所示.细杆各处电场方向沿x轴正方向,其电场强度E随x的分布如图4所示.细杆上套有可视为质点的带电环,质量为m=0.2 kg,电荷量为q=-2.0×10-6C.带电环受沿x轴正向的恒力F=1.0 N的作用,由O点从静止开始运动,求:

(1)带电环在x=1 m处的加速度;

(2)带电环在x=1 m处的速度;

(3)在带电环运动的区间内的电势最低值.

分析(1)当带电环运动至x=1 m处,从图中看出此处电场的电场强度为E=3×105N/C,则带电环受到的电场力为:

FE=qE=2.0×10-6×3×105=0.6 N

对带电环应用牛顿第二定律得:F-FE=ma

(2)带电环从x=0处运动到x=1m处的过程中,恒力F做正功,电场力FE做负功.在E-x图象上,由于图线和坐标轴围成的面积与x=0和x=1m处两点间的电势差在数值上相等,则:

(3)在电场中,沿电场线方向就是电势降低的方向.当带电环沿x轴正方向运动到最远处时(即速度等于零处),电场的电势最低.设带电环运动过距离x后,根据动能定理得:

Fx-qU0x=0

解得x=6 m

从E-x图象上可知:

因此,在带电环运动区间内的电势最低值为φmin=-3×106V

点评:由于带电环在非匀强电场中做非匀变速运动,要求得带电环在x=1 m处的速度,必须应用动能定理,而应用动能定理求解速度时,关键在于求解电场x=0与x=1 m间的电势差,为此,本题必须利用E-x图象中图线和坐标轴围成的面积在数值上即为电势差的知识点.

三、涉及φ-x图象的问题

例3静电场方向平行于x轴,其电势φ随x的分布如图5所示,图中φ0和d为已知量.一个带负电的粒子在电场中以x=0为中心,沿x轴方向做周期性运动.已知该粒子质量为m、电量为-q,其动能与电势能之和为-A(0

(1)粒子所受电场力的大小;

(2)粒子的运动区间;

(3)粒子从左侧最远点运动到中心点O处的时间.

分析(1)从图中读得电场中O与d(或-d)两点间的电势差为φ0,由于φ-x图象中图线的斜率就是电场的电场强度E,即:

(2)设粒子在[-x,x]区间内运动,粒子的速率为v,根据题意可知:

可见,粒子在电场中运动的区间为:

(3)由于左侧电场是匀强电场,粒子从-x0处开始运动至O点的过程中,粒子做匀加速运动,则由牛顿第二定律得:

考虑到粒子在O点右侧匀强电场中做匀变速运动,所以,粒子是在O点的左右两做往复运动.因此,粒子从左侧最远端运动到O点所用的时间可能为:

点评求得本题中φ-x图象中图线的斜率是解题的基础,如果这一点没有把握,求解此题一定是死路一条.在求得φ-x图象中的图线斜率,即知道电场的电场强度后,即可将抽象的图象问题转化为比较熟悉的匀强电场模型来解决.

四、涉及EP-x图象的问题

例4一带负电的粒子只在电场力作用下沿x轴正方向运动,其电势能Ep随位移x变化的关系如图6所示,其中O~x2段是关于直线x=x1对称的曲线,x2~x3段是直线,则下列说法正确的是( ).

A.x1处电场强度最小,但不为零

B.粒子在O~x2段做匀变速运动,x2~x3段做匀速直线运动

C.在O、x1、x2、x3处的电势φ0、φ1、φ2、φ3的关系为φ3>φ2=φ0>φ1

D.x2~x3段的电场强度大小方向均不变

点评解决此题的关键就在于利用好图线的斜率,由图线的斜率变化情况,确定电场强度的变化情况,再利用电场的相关公式求解.

五、涉及Ek-x图象的问题

例5如图7所示,距光滑绝缘水平面高h=0.3m的A点处有一固定的点电荷Q.带电量为q=1×10-6C.质量为m=0.05kg的小物块在恒定水平外力F=0.5N的作用下,从Q左侧的O点处由静止开始沿水平面运动.已知初始时O与A的水平距离为0.7m,物块动能Ek随位移x的变化曲线如图8所示.静电力常量K=9.0×109N·m2/C2.

(1)估算点电荷Q的电量;

(2)求小物块从O点到x1=0.50 m处的过程中其电势能的变化量;

(3)求小物块运动到x2=1.00 m处时的动能.

分析(1)由动能定理可知Ek-x图象的斜率等于小物块受到的合外力.由图8可知,当x=0.35m时,小物块受到的合外力为零,即小物块受到电场力在水平方向的分力与水平外力F大小相等,即:

代入已知数据:xOA=0.7m,x=0.35m,q=1×10-6C,F=0.5N,

解得:Q=1.55×10-5C

(2)设小物块从O点运动到x1处的过程中电场力做功为W1,根据动能定理得:

Fx1+W1=Ek1

代入数据解得:W1=-0.17 J

由电场力做功与电势能的变化之间的关系可知:ΔEP=-W1=0.17 J

(3)根据点电荷产生的电场的特点,可知电场中x2=1.00 m处与x3=0.40 m处电势相等.

设小物块从O点到x3处的运动过程中电场力做功为W2,由动能定理得:

Fx3+W2=Ek3

代入数据解得:W2=-0.1 J

小物块从O点到x2处的过程中,Fx2+W2=Ek2

代入数据解得:Ek2=0.4 J

点评:此题的解题关键在于能否抓住图象Ek-x的图线斜率在数值上等于小物块受到的合外力这个核心.特别是当x=0.35 m时,图线的斜率等于零,即小物块受到的合外力为零,由此可知小物块受到电场力在水平方向的分力与水平外力F大小相等,这样就找到了解题的突破口,再结合相关的物理规律,就会顺利解决问题.

六、涉及F-x图象的问题

带电粒子在电场中运动时,如果给出带电粒子所受到的力F与位移x间关系的图象,即F-x图象.如果F是电场力,则图线的面积在数值上等于电场力所做的功,即W=Fx.

例6(2016年上海)如图9所示,长度L=0.8m的光滑杆左端固定一带正电的点电荷A,其电荷量Q=1.8×10-7C;一质量m=0.02kg,带电量为q的小球B套在杆上.将杆沿水平方向固定于某非均匀外电场中,以杆左端为原点,沿杆向右为x轴正方向建立坐标系.点电荷A对小球B的作用力随B位置x的变化关系如图10中曲线Ⅰ所示,小球B所受水平方向的合力随B位置x的变化关系如图10中曲线Ⅱ所示,其中曲线Ⅱ在0.16≤x≤0.20和x≥0.40范围可近似看作直线.求:(静电力常量k=9×109N·m2/C2)

(1)小球B所带电量q;

(2)非均匀外电场在x=0.3 m处沿细杆方向的电场强度大小E;

(3)在合电场中,x=0.4 m与x=0.6 m之间的电势差U;

(4)已知小球在x=0.2 m处获得v=0.4m/s的初速度时,最远可以运动到x=0.4m.若小球在x=0.16m处受到方向向右,大小为0.04N的恒力作用后,由静止开始运动,为使小球能离开细杆,恒力作用的最小距离x是多少?

代入数据解得点电荷A的电量为:

(2)设在x=0.3 m处点电荷A与小球B间的作用力为F2,则有:F合=F2+qE

(3)由图10可知,在x=0.4 m与x=0.6 m之间合电场对小球B做功的大小数值上等于图线与坐标轴所围成的面积,即:

W合=0.004×0.2 J=8×10-4J

(4)由图10可知小球B从x=0.16m到x=0.2m处合电场做的功W1在数值上等于图线和坐标轴所围成的面积,即:

小球B从x=0.2m到x=0.4m处合电场做的功W2,由动能定理得:

由图10可知小球从x=0.4m到x=0.8m处合电场做的功W3,此功在数值上等于图线与坐标轴所围成的面积,即:

W3=-0.004×0.4J=-1.6×10-3J

则小球B由静止开始运动,为使它能离开细杆,设恒力作用的最小距离为x,由动能定理得:

W1+W2+W3+F外x=0

点评:此题中,在x=0.16m到x=0.2m间,在x=0.4m与x=0.6m间,在x=0.4m到x=0.8m间等三个过程中,必须抓住图线与坐标轴所围成的面积在数值上等于合电场对小球B所做的功这个关键要点,利用了图象的“面积”含义,才能使问题得到顺利解答.

总之,我们在分析电场中的图象问题时,既要熟练应用有关电场的基本知识,又要注意分析图象的特点,特别要明确图象中图线斜率、图线在坐标轴上的截距及由图线和坐标轴围成的面积的意义,同时要注意熟练应用力学规律,只有这样,才能找到图象的数学表达式或者有关物理量间的关系,从而有效地解决电场中的图象问题.

猜你喜欢

图线电场力坐标轴
用坐标轴平移妙解斜率和(或积)为定值问题
材料力学剪力、弯矩图“一笔画”
“求解电场力做功”全攻略
例析计算电场力做工的方法
静电场中几种图线的分析
巧用仿射变换妙解高考解析几何题
“物体的平衡”单元训练(二)
例析带电粒子在电场中的运动
“恒定电流”中几种重要图线的应用
物理问答