1、小题必练15：电场能的性质(1)电势能、电势；(2)电势差、等势面；(3)匀强电场中电势差与电场强度的关系等。例1(2020全国II卷20)如图，竖直面内一绝缘细圆环的上、下半圆分别均匀分布着等量异种电荷。a、b为圆环水平直径上的两个点，c、d为竖直直径上的两个点，它们与圆心的距离均相等。则()Aa、b两点的场强相等Ba、b两点的电势相等Cc、d两点的场强相等Dc、d两点的电势相等【答案】ABC【解析】如图所示，为等量异种电荷周围空间的电场分布图。本题的带电圆环，可拆解成这样无数对等量异种电荷的电场，沿竖直直径平行放置。它们有共同的对称轴PP，PP所在的水平面与每一条电场线都垂直，即为等势面，
2、延伸到无限远处，电势为零。故在PP上的点电势为零，即ab0；而从M点到N点，电势一直在降低，即cd，故B正确，D错误；上下两侧电场线分布对称，左右两侧电场线分布也对称，由电场的叠加原理可知AC正确。【点睛】本题考查点电荷形成的电场的特点。例2(2020全国III卷21)如图，M是锐角三角形PMN最大的内角，电荷量为q（q0）的点电荷固定在P点。下列说法正确的是()A沿MN边，从M点到N点，电场强度的大小逐渐增大B沿MN边，从M点到N点，电势先增大后减小C正电荷在M点的电势能比其在N点的电势能大D将正电荷从M点移动到N点，电场力所做的总功为负【解析】点电荷的电场以点电荷为中心，向四周呈放射状，如
3、图，M是最大内角，所以PNPM，根据点电荷的场强公式Ek（或者根据电场线的疏密程度）可知从MN电场强度先增大后减小，A错误；电场线与等势面（图中虚线）处处垂直，沿电场线方向电势降低，所以从MN电势先增大后减小，B正确；M、N两点的电势大小关系为MN，根据电势能的公式Epq可知正电荷在M点的电势能大于在N点的电势能，C正确；正电荷从MN，电势能减小，电场力所做的总功为正功，D错误。【答案】BC【点睛】本题考查电场强度、电势、电势能大小的比较，要熟练记住相关公式。1(多选)真空中有一带负电的点电荷仅在库仑力作用下绕固定的点电荷Q运动，其轨迹为椭圆，如图所示。已知a、b、c、d为椭圆的四个顶点，Q处
4、在椭圆的一个焦点上，则下列说法正确的是()A负电荷在a、c两点所受的电场力相同B负电荷在a点和c点的电势能相等C负电荷由b运动到d的过程中电势能增加，动能减少D负电荷由a经b运动到c的过程中，电势能先增加后减少【答案】BC【解析】在a、c两点负电荷所受电场力方向不同，A项错误；以单个点电荷为球心的球面是等势面，所以a、c两点电势相等，根据电势与电势能的关系可知，负电荷在a、c两点电势能也相等，B项正确；负电荷由b到d过程中，电场力始终做负功，电势能增加，动能减少，C项正确；负电荷由a经b到c的过程中，电场力先做正功再做负功，故电势能先减少后增加，D项错误。2如图所示，直线a、b和c、d是处于匀
5、强电场中的两组平行线，M、N、P、Q是它们的交点，四点处的电势分别为M、N、P、Q。一电子由M点分别运动到N点和P点的过程中，电场力所做的负功相等。则()A直线a位于某一等势面内，MQB直线c位于某一等势面内，MNC若电子由M点运动到Q点，电场力做正功D若电子由P点运动到Q点，电场力做负功【答案】B【解析】由电子从M点分别运动到N点和P点的过程中电场力所做的负功相等可知，N、P两点在同一等势面上，且电场线方向为MN，故选项B正确，选项A错误。M点与Q点在同一等势面上，电子由M点运动到Q点，电场力不做功，故选项C错误。电子由P点运动到Q点，电场力做正功，故选项D错误。3(多选)如图所示，一水平面
6、内的半圆形玻璃管，内壁光滑，在两管口分别固定带正电的点电荷Q1、Q2，管内靠近Q1处有一带正电的小球(带电量很小)，小球由静止开始释放，经过管内b点时速度最大，经过a、c两点时速度的大小相等，整个运动过程中小球的电荷量保持不变。下面关于a、c两点的电势及b点场强的判断正确的是()AacBacCb点的场强为E1Db点的场强为E2【答案】AC【解析】因为带电小球在a、c两处的动能相等，且整个过程中只有电场力对带电小球做功，带电小球的动能与电势能的总和不变，故带电小球在a、c两处的电势能也相等，a、c两处的电势相等，A项正确；因为带电小球在b点处的速度最大，此处带电小球所受的合力为零，圆管的弹力沿半
7、径方向，故带电小球所受的电场力也应沿半径方向，C项正确。4(多选)在x轴上有两个点电荷q1、q2，其静电场的电势在x轴上分布如图所示。下列说法正确的有()Aq1和q2带有异种电荷Bx1处的电场强度为零C负电荷从x1移到x2，电势能减小D负电荷从x1移到x2，受到的电场力增大【答案】AC【解析】由题图可知，空间的电势有正有负，且只有一个极值，则两个点电荷必定为异种电荷，A项正确；由E可知，x图像的切线斜率表示电场强度，因此x1处的电场强度不为零，B项错误；负电荷从x1移到x2的过程中，电势升高，电场强度减小，由Epq，FqE可知，电势能减小，受到的电场力减小，C项正确，D项错误。5如图是匀强电场
8、遇到空腔导体后的部分电场线分布图，电场线的方向如图中箭头所示，M、N、Q是以直电场线上一点O为圆心的同一圆周上的三点，OQ连线垂直于MN。以下说法正确的是()AO点电势与Q点电势相等BO、M间的电势差小于N、O间的电势差C将一负电荷由M点移到Q点，电荷的电势能增加D在Q点释放一个正电荷，正电荷所受电场力将沿与OQ垂直的方向竖直向上【答案】C【解析】由电场线的方向可知MON，再作出此电场中过O的等势线，可知OQ，A项错误；且MO间的平均电场强度大于ON间的平均电场强度，故UM OUON，B项错误；因UMQ0，负电荷从M到Q电场力做负功，电势能增加，C项正确；正电荷在Q点的电场力方向沿电场线的切线
9、方向而不是圆的切线方向，D项错误。6(多选)如图所示，A、B、C、D四点构成一边长为L的正方形。对角线AC竖直，在A点固定一电荷量为Q的点电荷，规定电场中B点的电势为零。现将几个质量均为m、电荷量均为q的带电小球从D点以大小均为v0的速度向各个方向抛出，已知重力加速度大小为g，下列说法正确的是()A通过B点的小球过B点时的速度大小为v0B通过C点的小球在C点时的电势能比通过B点的小球在B点时的电势能大C通过C点的小球在C点时受到的库仑力是通过B点的小球在B点时受到的库仑力的2倍D若通过C点的小球在C点时的速度大小为v，则C点的电势为(v2vgL)【答案】AD【解析】B、D两点在同一等势面上，在
10、同一高度，所以电场力和重力做功均为零，由动能定理可知，小球通过B点时的速度大小为v0，A项正确；小球从D到C电场力做正功，电势能减少，且小球在B、D两点电势能相等，所以小球在C点的电势能比在B点的电势能小，B项错误；根据库仑定律得小球在B点受到的库仑力是在C点受到的库仑力的2倍，C项错误；从D到C应用动能定理得mgLqUDCmv2mv，且UDCUBC0C，解得C(v2vgL)，D项正确。7(多选)如图所示，纸面内有一匀强电场，带正电的小球(重力不计)在恒力F的作用下沿图中虚线由A匀速运动至B，已知力F和AB间夹角为，AB间距离为d，小球带电量为q，则下列结论正确的是()A电场强度的大小为EBA
11、B两点的电势差为UABC带电小球由A运动至B过程中电势能增加了Fdcos D带电小球若由B匀速运动至A，则恒力F必须反向【答案】BC【解析】由题意，小球的重力不计，只受到电场力与恒力F而做匀速直线运动，则有，qEF，则得场强E，故A错误。A、B两点的电势差为UEdcos ，故B正确。带电小球由A运动至B过程中恒力做功为WFdcos ，根据功能关系可知，电势能增加了Fdcos ，故C正确。小球所受的电场力恒定不变，若带电小球由B向A做匀速直线运动时，F大小、方向均不变，故D错误。8(多选)如图甲所示，两个带正电的小球A、B套在一个倾斜的光滑直杆上，两球均可视为点电荷，其中A球固定，带电量QA21
12、04 C，B球的质量为m0.1 kg。以A为坐标原点，沿杆向上建立直线坐标系，B球的总势能(重力势能与电势能之和)随位置x的变化规律如图乙中曲线所示，直线为曲线的渐近线。图中M点离A点距离为6 m。(g取10 m/s2，静电力恒量k9.0109 Nm2/C2。)令A处所在平面为重力势能的零势能面，无穷远处电势为零，则()A杆与水平面的夹角60BB球的带电荷量QB1105 CC若B球以Ek04 J的初动能从M点开始沿杆向上滑动到最高点，则此过程中电势能减少了2 JD若B球从离A球2 m处静止释放，则向上运动过程中做的是加速度先减小后增加的运动【答案】BCD【解析】渐近线表示B的重力势能随位置的变
13、化关系，即Epmgxsin kx，则斜率kmgsin ，解得30，A错误；由图乙中的曲线知，在x6 m处总势能最小，动能最大，该位置B受力平衡，则有mgsin 30k，计算得出QB1105 C，B正确；由能量守恒可知B球动能减小到0时，总势能为10 J，此时物体沿斜面上升18 m6 m12 m，重力势能增加Epmgxsin 6 J，则电势能减少了2 J，C正确；若B球从离A球2 m处静止释放，则向上运动过程中做的是加速度先减小后反向增大的运动，D正确。9(多选)如图所示，在竖直平面内xOy坐标系中分布着与水平方向成45角的匀强电场，将一质量为m、带电荷量为q的小球，以某一初速度从O点竖直向上抛
14、出，它的轨迹恰好满足抛物线方程ykx2，且小球通过点P。已知重力加速度为g，则()A电场强度的大小为B小球初速度的大小为C小球通过点P时的动能为D小球从O点运动到P点的过程中，电势能减少【答案】BC【解析】由轨迹方程ykx2可知小球运动轨迹为初速度向上的抛物线，合力向右，如图所示，由受力分析可知 mgEq，E，A错误。联立方程gt2，v0t，解得v0，B正确。据动能定理mgEkmv02，得Ek，C正确。EpWEqmg，D错误。10(多选)如图所示，在竖直平面内的直角坐标系xOy中，长为L的细绳一端固定于点A，另一端系一带正电、质量为m的小球。现在y轴正半轴上某处B固定一钉子，再将细绳拉至水平位
15、置，由静止释放小球使细绳碰到钉子后小球能绕钉转动。已知整个空间存在竖直向上的匀强电场，电场强度为，则()A小球一定能绕B做完整的圆周运动B当yB时小球能做完整的圆周运动C当yB时小球能做完整的圆周运动D若小球恰好能做完整的圆周运动，则绳能承受的拉力至少为6mg【答案】BD【解析】电场力和重力的合力大小为Fmg，方向竖直向上。刚好做完整的圆周运动时，其轨道半径为rLLyBLyB，在钉子下方有F。从释放到钉子下方r处由动能定理得Fmv2，联立解得yB，所以A、C项错误，B项正确；在钉子上方r处绳子承受的拉力最大，其至少为TF，从释放到此处由动能定理得FLmv2，解得T6mg，D项正确。11如图所示
16、，BCD为固定在竖直平面内的半径为r10 m的圆弧形光滑绝缘轨道，O为圆心，OC竖直，OD水平，OB与OC间夹角为53，整个空间分布着范围足够大的竖直向下的匀强电场。从A点以初速度v09 m/s沿AO方向水平抛出质量m0.1 kg的小球(小球可视为质点)，小球带正电荷量q0.01 C，小球恰好从B点沿垂直于OB的方向进入圆弧轨道。不计空气阻力。求：(1)A、B间的水平距离L。(2)匀强电场的电场强度E。(3)小球过C点时对轨道的压力的大小N。(4)小球从D点离开轨道后上升的最大高度H。【解析】(1)设小球运动过程中的加速度为a，则小球的等效重力为ma；小球在B点的速度为vB，由小球恰好从B点垂
17、直OB进入圆弧轨道得小球竖直方向的分速度vByv0tan 53对小球从A点到B的运动过程，由平抛运动知识得：vByat竖直方向位移yrcos 53yat2联立解得：t1 s，a12 m/s2，Lv0t9 m。(2)小球从A到B的运动过程中，对小球运用牛顿第二定律：mgqEma得E20 N/C。(3)小球从A到C的运动过程中，设在C点的速度为vC，运用动能定理：marmvmv在C点，对小球有：Nmam得轨道对小球的支持力N4.41 N由牛顿第三定律，小球对轨道的压力N4.41 N。(4)对小球从A点到离开D点运动到最高点的全过程运用动能定理：mvmaH得H3.375 m。12如图所示，在绝缘水平
18、直线轨道上方的A、B两点分别固定电荷量为Q、Q的等量异种点电荷。一质量为m、带电荷量为q的小球(可视为质点)，从A点正下方轨道上的M点由静止开始沿轨道向右运动。O点为轨道上M、N连线的中点。已知小球与轨道间的动摩擦因数为。小球运动到O点时速度为v。孤立点电荷Q产生的电场在距场源电荷r处的电势为(取无穷远处电势为零)，k为静电常数。AB连线到水平直线轨道的竖直距离为h，A、N连线与水平轨道的夹角为30，小球在运动过程中不脱离轨道。求：(1)小球在N点的加速度大小。(2)小球在轨道的MO段克服摩擦力做的功。【解析】(1)小球在N点时，受力分析，由牛顿第二定律得：sin 30mgN0cos 30fma又fN联立解得：ag。(2)由题意可知，M、O两点间的电势差UMOMM小球由M点运动到O点的过程中，由动能定理得：qUMOWfmv2联立解得：Wfmv2。