2.带电粒子在电场中运动轨迹问题的分析方法

(1)从轨迹的弯曲方向判断受力方向(轨迹向合外力方向弯曲),从而分析电场方向或电荷的正负;

(2)结合轨迹、速度方向与静电力的方向,确定静电力做功的正负,从而确定电势能、电势和电势差的变化等;

(3)根据动能定理或能量守恒定律判断动能的变化情况.

例2 如图5所示,一带电粒子在两个固定的等量正电荷的电场中运动,图中的实线为等势面,虚线ABC为粒子的运动轨迹,其中B点是两点电荷连线的中点,A、C位于同一等势面上.下列说法正确的是                                       ( )

图5

A.该粒子可能带正电

B.该粒子经过B点时的速度最大

C.该粒子经过B点时的加速度一定为零

D.该粒子在B点的电势能小于在A点的电势能

解析 从该电荷的运动轨迹看,固定电荷对它有吸引力,由固定电荷带正电可知,该运动电荷一定带负电,故A错误;因为运动电荷从A到B的过程中,只受电场力且电场力先做正功后做负功,由动能定理知:动能先增加后减小,故B点的动能不是最大,则经过B点时的速度不是最大,故B错误;B点是两点电荷连线的中点,合场强为零,故运动电荷受力为零,则加速度为零,C正确;因为离正电荷越远,电势越低,即φA<φB,因粒子带负电,由Ep=φq得,EpA>EpB,故D项正确.

答案 CD

   带电粒子运动轨迹类问题的解题技巧

(1)判断速度方向:带电粒子的轨迹的切线方向为该点处的速度方向.

(2)判断电场力(或场强)的方向:仅受电场力作用时,带电粒子所受电场力方向指向轨迹曲线的凹侧,再根据粒子的正负判断场强的方向.

(3)判断电场力做功的正负及电势能的增减:若电场力与速度方向成锐角,则电场力做正功,电势能减少;若电场力与速度方向成钝角,则电场力做负功,电势能增加.

突破训练2 如图6所示,A、B两点是粒子在匀强电场中运动时经过的两个点,平行直线表示电场线,但方向未知,整个过程中只有电场力做功.已知粒子在A点的动能比B点大,则下列说法中正确的是                                        ( )

图6

A.无论粒子是从A到B,还是从B到A,电场力均做负功

B.电场线方向从右向左

C.粒子的运动轨迹若为1,则粒子一定带负电

D.无论粒子是带正电还是负电,均不可能沿轨迹2运动

答案 D

解析 由于粒子在A点的动能比B点大,结合电场线与轨迹形状(质点做曲线运动时合力必指向凹侧)进行分析,若粒子沿轨迹1运动时,则在任意位置时粒子所受到的电场力一定水平向左,若粒子从A到B,则电场力做负功,从B到A,则电场力做正功,由此可知,A错误;此时若粒子带正电,电场方向一定向左,且由A向B运动,若粒子带负电,电场方向一定向右,且由B向A运动,均满足粒子在A点的动能比B点大.若粒子沿轨迹2运动时,则在任意位置时粒子所受到的电场力一定水平向右,同理可判断此情况下粒子在A点的动能一定比B点的小,不符合题意,即符合题意的粒子一定沿轨迹1运动,由此可知B、C错误,D选项正确.

考点三 匀强电场中电势差与电场强度的关系

2.电势能大小的比较方法

做功判断法

电场力做正功,电荷(无论是正电荷还是负电荷)从电势能较大的地方移向电势能较小的地方,反之,如果电荷克服电场力做功,那么电荷将从电势能较小的地方移向电势能较大的地方.

特别提醒 其他各种方法都是在此基础上推理出来的,最终还要回归到电场力做功与电势能的变化关系上.

例1 如图3所示,a、b、c、d分别是一个菱形的四个顶点,∠abc=120°. 现将三个等量的正点电荷+Q固定在a、b、c三个顶点上,将一个电荷量为+q的点电荷依次放在菱形中心点O点和另一个顶点d点,两点相比                            ( )

图3

A.+q在d点所受的电场力较大

B.+q在d点所具有的电势能较大

C.d点的电场强度大于O点的电场强度

D.d点的电势低于O点的电势

解析 a、c两个顶点的点电荷在菱形中心点O点产生的电场抵消,设b、O两点之间距离为x,则固定于b顶点的点电荷在菱形中心点O点产生的电场强度为kQ/x2;a、b、c三个顶点的点电荷在顶点d点产生的电场强度为kQ/(2x)2+[2kQ/(2x)2]×cos 60°=kQ/2x2,方向由O指向d,显然,d点电场强度比O点小,而F=qE,则+q在d点所受的电场力较小,选项A、C错误;根据沿着电场线方向电势逐渐降低的规律可知,O点电势高于d点,+q在d点所具有的电势能较小,选项B错误,选项D正确.

答案 D

突破训练1 如图4所示,xOy平面内有一匀强电场,场强为E,方向未知,电场线跟x轴的负方向夹角为θ,电子在坐标平面xOy内,从原点O以大小为v0、方向沿x轴正方向的初速度射入电场,最后打在y轴上的M点.电子的质量为m,电荷量为e,重力不计.则                                                      ( )

图4

A.O点电势高于M点电势

B.运动过程中,电子在M点电势能最大

C.运动过程中,电子的电势能先减少后增加

D.电场力对电子先做负功,后做正功

答案 D

解析 由电子的运动轨迹知,电子受到的电场力方向斜向左上,故电场方向斜向右下,M点电势高于O点电势,A错误;电子在M点电势能最小,B错误;运动过程中,电子先克服电场力做功,电势能增加,后电场力对电子做正功,电势能减少,故C错误,D正确.

考点二 电场线、等势面及带电粒子的运动轨迹问题

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