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

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)