1、（人教版）2012届高三物理一轮复习讲义：电容器、带电粒子在电场中的运动一、知识综述本次我们主要学习平行板电容器还有带电粒子在电场中的运动。理解和应用两种典型电容器的求解方法，掌握带电粒子在电场中的加速和偏转，可以和抛体运动类比记忆。能利用等效重力的方法求解复合场有关的题目。二、重难点知识归纳与讲解1、电容器的电容、平行板电容器的电容 (1)电容器：两个彼此绝缘又互相靠近的导体可构成一个电容器. (2)电容：电容器所带的电荷量Q(一个极板所带电荷量的绝对值)与两个极板间的电势差U的比值，即日电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量. (3)常用电容器：纸质电容器、电解电容器、平行板电容器、可变电容
2、器.其中电解电容器连接时应注意其“”、“”极. (4)平行板电容器：平行板电容器的电容C跟介电常数成比，跟两板正对面积S成正比，跟两板间距离d成反比，即(5)对电容器电容的两个公式的理解.公式是电容的定义式，适用于任何电容器.对于一个确定的电容器，其电容只由本身的因素决定，而与其电荷量Q和电压U无关.公式是平行板电容器的决定式，只适用于平行板电容器.2、平行板电容器的动态分析充电后平行板电容器两极板间形成的电场，可认为是匀强电场，由于某种原因使电容C发生了改变，就会导致电容器的电荷量Q，两板间电压U，匀强电场的场强E发生相应的变化，这类问题常见于两种情况：(1)电容器一直与电源相连接.此时电容
3、器两极板间电势差U保持不变.(2)电容器充电后与电源断开.此时电容器所带的电荷量Q保持不变.分析的基本思路是：3、带电粒子在电场中加速带电粒子进入电场中加速，若不计粒子重力，根据动能定理，有当初速度v0=0时，末速度v的大小只与带电粒子的荷质比和加速电压U有关，而与粒子在电场中的位移无关.4、带电粒子在电场中的偏转带电粒子沿垂直匀强电场的场强方向进入电场后，做类平抛运动，如图所示，设粒子的电荷量为q，质量为m，初速度为v0，两平行金属板间电压为U，板长为L，板间距离为d，则平行于板方向的分运动是匀速直线运动，L=v0t垂直于板方向的分运动是初速为零的匀加速直线运动所以，侧移距离 偏转角满足5、
4、示波管的原理(1)结构：示波管是由电子枪、偏转电极和荧光屏组成的，管内抽成真空.(2)原理：如果在偏转电极XX上加上扫描电压，同时在偏转电极YY上加上所要研究的信号电压，若其周期与扫描电压的周期相同，在荧光屏上就显示出信号电压随时间变化的图线.6、带电粒子在匀强电场中的运动带电粒子在匀强电场中的运动有两类问题：一是运动和力的关系问题，常用牛顿第二定律结合运动学公式去分析解决；二是运动过程中的能量转化问题，常用动能定理或能量守恒定律去分析解决.(1)在交变电场中的运动在交变电场中做直线运动.粒子进入电场时的速度方向(或初速为零)跟电场力方向平行，在交变电场力作用下，做加速、减速交替变化的直线运动
5、，通常运用牛顿运动定律和运动学公式分析求解.在交变电场中的偏转，粒子进入电场时的速度方向跟电场力方向垂直，若粒子在电场中运动的时间远小于交变电场的周期，可近似认为粒子在通过电场的过程中电场力不变，而做类平抛运动.(2)在匀强电场与重力场的复合场中运动处理复合场有关问题的方法常有两种：正交分解法：将复杂的运动分解为两个相互正交的简单直线运动，分别去研究这两个分运动的规律，然后运用运动合成的知识去求解复杂运动的有关物理量.等效法：由于带电微粒在匀强电场中所受到的电场力和重力都是恒力，因此，可将电场力F和重力G进行合成如图所示，这样复合场就等效为一个简单场，将其合力F合与重力场的重力类比，然后利用力
6、学规律和方法进行分析和解答.典型例题例1、如图所示，电子在电势差为U1的加速电场中由静止开始运动，然后射入电势差为U2的两块平行极板间的电场中.在满足电子能射出平行板区的条件下，下述四种情况下，一定能使电子的偏转角变大的是（）AU1变大，U2变大BU1变小，U2变大CU1变大，U2变小DU1变小，U2变小例2、如图所示，质量为m、电荷量为q的粒子(重力不计)，在匀强电场中的A点时速度为v，方向与电场线垂直，在B点时速度大小为2v，已知A、B两点间距离为d，求(1)A、B两点间的电压；(2)电场强度的大小和方向.例3、带有等量异种电荷的两个平行金属板A和B水平放置，两板间距离为d(d远小于板的长
7、和宽)，一个带正电的油滴M悬浮在两板的正中央，处于平衡，油滴的质量为m，电荷量为q，如图所示.在油滴的正上方距A板d处有一个质量也为m的带电油滴N，油滴N由静止释放后，可以穿过A板上的小孔，进入两金属板间与油滴M相碰，并立即结合成一个大油滴.整个装置处于真空环境中，若不计油滴M和N间的库仑力和万有引力以及金属板本身的厚度，要使油滴N能与M相碰，且结合成的大油滴(油滴可视为质点)又不与金属板B相碰.求：(1)两个金属板A、B间的电压是多少？哪板电势高？ (2)油滴N带何种电荷，电荷量可能是多少？例4、在水平向右的匀强电场中，有一质量为m，带正电的小球，用长为L的绝缘细线悬挂于O点，当小球静止A点
8、时，细线与竖直方向夹角为，如图所示.现给小球一个垂直于悬线的初速度，使小球恰能在竖直平面内做圆周运动，求：(1)小球运动过程中的最小速度.(2)小球在A点的初速度.例5、如图所示，A、B为水平放置的平行金属板，板间距离为d(d远小于板的长和宽)，在两板之间有一带负电的质点P.已知若在A、B之间加电压U0，则质点P可以静止平衡.现在A、B间加上如图所示的随时间t变化的电压U，在t=0时，质点P位于A、B间的中点处且初速度为0，已知质点P能在A、B之间以最大的幅度上下运动而又不与两板相碰，求图中U改变的各时刻t1，t2，t3及tn的表达式.(质点开始从中点上升到最高点，及以后每次从最高点到最低点或
9、从最低点到最高点的过程中，电压只改变一次.)例6、如图所示，A、B是一对平行的金属板，在两板间加上一周期为T的交变电压U. A板的电势UA=0，B板的电势UB随时间的变化规律为：在0到的时间内， UB=U0(正的常数)；在到T的时间内， UB=U0；在T到的时间内， UB=U0；在到2T的时间内，UB=U0，现有一电子从A板上的小孔进入两板间的电场区内，设电子初速度和重力的影响均可忽略（）A若电子是在t=0时刻进入的，它将一直向B板运动B若电子是在时刻进入的，它可能时而向B板运动，时而向A板运动，最后打在B板上 C若电子是在时刻进入的，它可能时而向B板运动，时而向A板运动，最后打在B板上D若电
10、子是在时刻进入的，它可能时而向B板，时而向A板运动高考真题为研究静电除尘，有人设计了一个盒状容器，容器侧面是绝缘的透明有机玻璃，它有上下底面是面积A=0.04m2的金属板，间距L=0.05m，当连接到U=2500V的高压电源正负两板时，能在两金属板间产生一个匀强电场，如图所示.现把一定量均匀分布的烟尘颗粒密闭在容器内，每立方米有烟尘颗粒1013个，假设这些颗粒都处于静止状态，每个颗粒带电量为q=1.01017C，质量为m=2.01015kg，不考虑烟尘颗粒之间的相互作用力和空气阻力，并忽略烟尘颗粒所受重力，求合上电键后；(1)经过多长时间烟尘颗粒可以被全部吸附？(2)除尘过程中电场对烟尘颗粒共
11、做了多少功？(3)经过多长时间容器中烟尘颗粒的总动能达到最大？例1、解析：设电子经电场U1加速后获得的速度为v0，根据动能定理设极板长为L，两板间距离为d，电子进入偏转电场后做类平抛运动，则平行于极板方向：L=v0t 垂直于极板方向： 偏转角满足：由以上各式可解得： 显然，U1减小，U2增大时，一定增大. 答案：B例2、解析：(1)带电粒子从A到B的过程中，由动能定理可得 将vA=v，vB=2v代入解得(2)带电粒子从A到B做类平抛运动，设在垂直电场线和平行电场线方向上的位移分别为x和y.由于A到B，粒子的动能增加，则电场力做正功，所以，场强方向应水平向左.答案：例3、解析：(1)油滴M带正电
12、，在两金属板之间处于平衡，有mg=qU/d，则B板电势较高，电势差(2)若油滴N带负电，则N与M相碰后，结合成大油滴无论其电性为正，还是为负，或者电荷量为零，都将向B板做加速运动而最终与B板相碰.因此，要不落到B板上，油滴N必带正电.设油滴N带电量为Q，油滴N与M相碰前的速度设为v0，有：油滴N能与M相碰：油滴M和N相碰后，结合成大油滴，速度为v，有： 此后，大油滴向下运动，不碰到B板，须有代入v和U的值，解得 油滴所带电荷量是答案： B板电势较高(2)正电，例4、解析：小球在运动过程中，所受重力和电场力都是恒力，将它们合成等效为一个力F，如图所示，则把合力F与重力类比，其等效重力加速度因此，
13、小球在竖直平面内做匀速圆周运动的等效“最低点”和“最高点”分别为图中的A点和B点. (1)小球在B点处的速度最小，依题意 (2)小球从A点运动到B点的过程中，根据动能定理答案：例5、解析：综合分析带电质点P的受力情况和运动情况，建立清晰的物理图景是解答本题的关键.设质点P的质量为m，电荷量为q，当A、B间加电压U0时，根据题意有当两板间所加电压为2U0时，P的加速度向上，设其大小为a，则联立解得，a=g.当两板间的电压为零时，P只受重力，加速度方向向下，大小为g，要P以最大幅度上下运动，而又不与两板相碰，则P达到A板或B板时速度必为零.根据运动的对称性可知，加上电压2U0后，P质点先向上做匀加
14、速度直线运动，运动后，撤去电场，继续向上做匀减速运动直到速度为零.到达A板后，在重力作用下，自由下落直到A、B的中点，然后又加上电压2U0，使质点P向下做匀减速运动，至B板时，速度恰好减为零，然后反向加速，达到A、B中点时撤去电场，在重力作用下做匀减速运动到A板时，速度恰好为零，以后重复上述运动过程.综合以上分析，质点P的运动过程可用vt图象表示，如图所示.由匀变速直线运动规律有 其中a=g，解得设质点P从A板自由下落到AB两板中点所历经的时间为t，则答案：例6、解析：依题意，电子在电场中运动时，其加速度大小不变，方向在时刻发生突变.不同时刻进入的电子，其运动情况有所不同，如图中的a、b、c所
15、示，分别表示t=0时刻，时刻的和时刻进入的电子的vt图象(以从A板指向B板方向为正方向).从图象可以看出， t=0时刻进入的电子速度方向不变，一直向B板运动. 和时刻进入的电子运动一段时间后速度反向，这说明它们都是来回往复运动，但在一个周期内，前者的位移为正，即向B板运动了一段位移，最后一定打在B板上；而后者的位移为负，若在一个周期内未打到B板，电子将返回到A板而从小孔穿出. 时刻进入的电子受到指向A板的电场力，而初速为零，因此，它不可能进入两板间运动. 答案：AB 高考真题1、解析：(1)合上电键后，不同位置的烟尘颗粒在电场力作用下，向下极板加速运动，所以只要上板表面附近的烟尘被吸附到下板时，烟尘可认为被全部吸附，烟尘所受的电场力解得(2)由于板间烟尘颗粒均匀分布，可以认为烟尘的质心位于板间中点位置，因此，除尘过程中电场力对烟尘所做总功(3)解法一、设经过时间t1容器中烟尘颗粒的总动能达最大，此时烟尘颗粒下移的距离为x，对每个烟尘颗粒，由动能定理得而此时没有被吸附的烟尘颗粒数为NA(Lx)所以，在容器的上下板间的烟尘颗粒的总动能解法二、将所有烟尘颗粒等效集中于板中央，当烟尘运动到下板时，总动能最大，则 答案：(1)0.02S(2)2.5104J(3) 0.014S
