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第 51 讲 匀强电场中的场强、电势、电势能的定性分析与定量计
算
1.(2021•全国)如图,P、Q、M、N为菱形的四个顶点。若已知该空间存在一方向与此菱形平面
平行的匀强电场,则( )
A.P、Q、M、N四点中至少有两点电势相等
B.P、Q、M、N四点可能位于同一等势面上
C.P、Q间的电势差一定与N、M间的电势差相等
D.P、Q间的电势差一定与Q、M间的电势差相等
【解答】A.过Q点做PN的垂线,交于O点,当电场方向垂直于QO,则QO为一条等势线,匀
强电场中,各等势线互相平行,则P、Q、M、N四点电势都不相等,故A错误;
B.匀强电场的等势面是与电场方向垂直的平面,则 P、Q、M、N四点不可能位于同一等势面上,
故B错误;
C.由图可知,PQ与NM平行且相等,则PQ与NM沿电场线方向的距离相等,根据
U=Ed
可知
U =U
PQ NM
故C正确;
D.如果电场方向垂直于PO,则PQ为等势线,则
U =0
PQ
则电场线与QM不垂直,则QM不是等势线,则
U ≠0
QM
故D错误。故选:C。
(多选)2.(2021•河北)如图,四个电荷量均为q (q>0)的点电荷分别放置于菱形的四个顶点,
其坐标分别为(4l,0)、(﹣4l,0)、(0,y )和(0,﹣y ),其中x轴上的两个点电荷位
0 0
置固定,y轴上的两个点电荷可沿y轴对称移动(y ≠0)。下列说法正确的是( )
0
A.除无穷远处之外,菱形外部电场强度处处不为零
B.当y 取某值时,可使得菱形内部只存在两个电场强度为零的点
0
C.当y =8l时,将一带负电的试探电荷由点(4l,5l)移至点(0,﹣3l),静电力做正功
0
D.当y =4l时,将一带负电的试探电荷放置在点(l,l)处,其所受到的静电力方向与x轴正
0
方向成45°倾斜向上
【解答】解:A、在菱形外侧除无穷远处的任意点,四个点电荷在该点的产生的场强均指向菱形
的外侧,根据场强的叠加原理可知,合场强不可能为零,所以除无穷远处之外,菱形外部电场
强度处处不为零,故A正确;
B、根据场强的叠加及对称性,在O点场强为零,当y 取某值时,由对称性可知,在菱形内部
0
其它场强为零的点必定会成对出现,即在菱形内部场强为零的点一定是奇数个,故B错误;
C、根据对称性知,(0,﹣3l)和(0,3l)处场强大小相等,方向相反,两点电势相等,将试
探电荷由点(4l,5l)移至点(0,3l),在点(4l,5l),负电荷所受的电场力方向斜向左下方,
在(0,3l)处,由于该点到x轴上4l、﹣4l以及y轴上8l的点的距离相等为5l,此三处点电荷
在该点(0,3l)的场强大小相等,它们在此处合场强方向沿y轴向上,y轴上﹣8l处的点电荷在
(0,3l)处产生的场强方向也沿y轴向上,则(0,3l)的场强方向沿y轴向上,则负电荷在该
点所受的电场力方向沿y轴向下,所以一带负电的试探电荷从(4l,5l)沿直线移至点(0,
3l),静电力一直做正功,可知将一带负电的试探电荷由点(4l,5l)移至点(0,﹣3l),静电
力做正功,故C正确;
D、当y =4l时,根据对称性知,x轴和y轴上﹣4l处的点电荷在点(l,l)处产生的场强大小相
0等为E kq,
1=
r2
1
r2=(5l) 2+l2=26l2
1
这两个点电荷的合场强E′ =2E cos
1 1
α
由几何关系知: 3√2l 3√2l 3
cosα= = =
r √26l2 √13
1
3kq
解得E' = ,方向与x轴正方向成45°斜向上,
1 13√13l2
同理:x轴和y轴上4l处的点电荷在点(l,l)处产生的场强大小相等为E kq,
2=
r2
2
r2=(3l) 2+l2=10l2
2
这两个点电荷的合场强E′ =2E cos
2 2
β
由几何关系知: √2l 1
cosβ= =
√r √5
2
kq
解得E' = ,方向与x轴负方向成45°斜向下,
2 5√5l2
可知:E′ >E′ ,
2 1
则点(l,l)处产生的场强方向与x轴负方向成45°斜向下,则负的试探电荷在该点所受的静电
力方向与x轴正方向成45°倾斜向上,故D正确。
故选:ACD。一.知识回顾
1.匀强电场:
如果电场中各点的电场强度的大小相等、方向相同,这个电场叫作匀强电场。
2.匀强电场中电势差与电场强度的关系
U =Ed,其中d为匀强电场中A、B两点沿电场方向的距离。即:匀强电场中两点间的电势差
AB
等于电场强度与这两点沿电场方向的距离的乘积。沿电场强度方向电势降落得最快。
3.电场强度的另一表达式
(1)表达式:E=。(只适用于匀强电场)
(2)意义:在匀强电场中,电场强度的大小等于两点之间的电势差与两点沿电场强度方向的距
离之比。也就是说,场强在数值上等于沿电场方向单位距离上降低的电势。
(3)在匀强电场中U=Ed,即在沿电场线方向上,U∝d。推论如下:
推论①:如图甲,C点为线段AB的中点,则有φ=。
C
推论②:如图乙,AB∥CD,且AB=CD,则U =U 。即在匀强电场中两条平行且相等的线段两
AB CD
端点间的电势差相等。
推论③:在匀强电场中一条直线上(等势线除外),两点间的电势差与这两点间距离成正比。
4.E=在非匀强电场中的几点妙用
(1)解释等差等势面的疏密与电场强度大小的关系:当电势差 U一定时,电场强度E越大,则
沿电场强度方向的距离d越小,即等差等势面越密,电场强度越大。
(2)定性判断非匀强电场电势差的大小关系,如距离相等的两点间的电势差,E越大,U越大;
E越小,U越小。
(3)利用φx图像的斜率判断沿x方向电场强度E随位置变化的规律。在φx图像中斜率k==
x
=-E,斜率的绝对值表示电场强度的大小,斜率的正负表示电场强度的方向,斜率为正,表示电
x
场强度方向沿规定的负方向;斜率为负,表示电场强度方向沿规定的正方向。
(4)利用Ex图像与x轴围成的面积表示电势差,即S=Ex=Ed=U,分析计算两点间电势差。
AB AB AB
5.特殊解题方法:等分线段找等势点法
在匀强电场中,电势沿直线是均匀变化的,即直线上距离相等的线段两端的电势差相等。因此
将电势最高点和电势最低点连接后根据需要平分成若干段,找到与已知的第三个点的电势相等的点
这两个等势点的连线即等势线(或等势面),与等势线(或等势面)垂直的线即为电场线。解题思路:
二.例题回顾题型一:一题多种解法
例1:a、b、c、d是匀强电场中的四个点,它们正好是一个矩形的 四
个顶点。电场线与矩形所在平面平行。已知a点的电势为20 V,b 点
的电势为24 V,d点的电势为4 V,如图所示,由此可知c点的电势为( )
A.4 V B.8 V C.12 V D.24 V
解法一:(公式法)设ab间沿电场方向上的距离为d,则cd间沿电场方向的距离也为d。
由E=得:E==
解得:φ=8 V。
c
解法二:(推论①)
连接对角线ac和bd相交于O点,如图所示。由匀强电场的性质可
得
φ==,解得:φ=8 V。
O c
解法二:(推论②)
因为ab=cd且ab∥cd,所以φ-φ=φ-φ,解得φ=8 V。
b a c d c
三法比较
(1)公式法适用匀强电场中E或U的计算,过程较繁琐。
(2)推论①仅适用于匀强电场中两点连线中点的电势的计算。推论②适用于匀强电场中能构成平行
四边形的四个点之间电势的计算。
题型二:中点电势公式的运用
(多选)例2.(2018秋•香坊区校级月考)如图,同一平面内的a、b、c、d四点处于匀强电场中,
电场方向与此平面平行,M为a、c连线的中点,N为b、d连线的中点。一电荷量为q(q>0)
的粒子从a点移动到b点,其电势能减小W ;若该粒子从c点移动到d点,其电势能减小W .
1 2
下列说法正确的是( )
A.此匀强电场的场强方向一定与a、b两点连线平行
W +W
B.若该粒子从M点移动到N点,则电场力做功一定为 1 2
2W
C.a、b两点间的电势差U 一定为 2
ab
q
D.若W =W ,则a、M两点之间的电势差一定等于b、N两点之间的电势差
1 2
【解答】解:A、一电荷量为q(q>0)的粒子从a点移动到b点,其电势能减小W ,但ab连
1
线不一定沿着电场线,故A错误;
B、粒子从a点移动到b点,其电势能减小W ,故:q ﹣q =W ,粒子从c点移动到d点,
1 a b 1
其电势能减小W ,故:q ﹣q =W ,匀强电场中,沿φ着相φ同方向每前进相同距离电势的变化
2 c d 2
φ φ
1 1
相同,故 ﹣ = ﹣ ,即 = ( + ),同理 = ( + ),故 q ﹣q
a M M c M a c N b d M N
2 2
φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ
W +W
= 1 2,故B正确;
2
W
C、因带正电的粒子从a点移动到b点,其电势能减小W ,电场力做正功,故电势差U = 1,
1 ab
q
故C错误;
W
D、若W =W ,根据U= 可知,U =U ,故 ﹣ = ﹣ ,则 ﹣ = ﹣ ,故U
1 2 ab cd a b c d a c b d ac
q
φ φ φ φ φ φ φ φ
=U ;而U =2U ,U =2U ,故U =U ,故D正确;
bd ac aM bd bN aM bN
故选:BD。
题型三:等分线段找等势点法
(多选)例3.(2022•简阳市 校级开学)一匀强电场的方向平行于xOy平面,平面内a、b、c三
点的位置如图所示,三点的电势分别为10V、17V、26V。下列说法正确的是( )
A.电场强度的大小为1.75V/cm
B.电场强度的大小为1.25V/cm
C.电场强度的方向与y轴负方向成53°
D.电场强度的方向与x轴负方向成53°
【解答】解:如图所示:ad 10-17 7
设ac之间的d点电势与b点相同,则 = = ,所以d点的坐标为(7cm,12cm),过
dc 17-26 9
c 点作等势线 bd 的垂线,由几何关系可得 cf 的长度为 7.2cm,电场强度的大小为:E
U 26-17 7.2
= = V/cm=1.25V/cm,方向与x轴负方向夹角为 ,则cos = =0.8,则 =37°,则
d 7.2 9
θ θ θ
电场强度的方向与y轴负方向成53°,故AD错误,BC正确;
故选:BC。
题型四:E=在非匀强电场中的妙用
(多选)例4.(2020•城中区校级模拟)如图所示,实线为电场线,且AB=BC,电场中的A、
B、C三点的场强分别为E 、E 、E ,电势分别为 、 、 ,AB、BC间的电势差分别为
A B C A B C
U 、U .下列关系中正确的有( ) φ φ φ
AB BC
A.E >E >E B. > > C.U >U D.U =U
A B C A B C AB BC AB BC
【解答】解:A、由电场线φ的密φ集程φ度可看出电场强度大小关系为 E >E >E ,故A正确;
A B C
B、A、B、C三点处在一根电场线上,根据沿着电场线的方向电势逐渐降落,故有 > >
A B
,故B正确; φ φ
C
φC、电场线密集的地方电势降落较快,由U=Ed知:U >U ,故C正确,D错误。
AB BC
故选:ABC。
三.举一反三,巩固练习
1. 如图所示,立方体ABCDEFGH的四个顶点A、C、F、H处各固定着一个电荷量均为
Q的正点电荷,则B、D两点( )A.电势相同、电场强度大小相等
B.电势相同、电场强度大小不相等
C.电势不相同、电场强度大小相等
D.电势不相同、电场强度大小不相等
【解答】解:根据对称性可知,A、C、H三点处电荷在D点处产生的电场强度E 是三处点电荷
1
产生电场强度叠加的矢量合,A、C、F三点处电荷在B点处产生的电场强度E 是三处点电荷产
2
生电场强度叠加的矢量合;结合对称性可知A、C、H三点处电荷在D点处产生的电场强度E 的
1
大小刚好与A、C、F三点处电荷在B点处产生的电场强度E 的大小相等,而F处的点电荷在D
2
点处产生的电场强度E 的大小与H处点电荷在B点处产生的电场强度E 的大小也相等,并且E
3 1 1
与E 方向相同,E 与E 方向相同,故B、D两点处的电场强度大小相等但方向不同;根据对称
3 2 4
性可知,A、C、H三点处电荷在D点处产生的电势 刚好与A、C、F三点处电荷在B点处产
1
生的电势 相等,而F处的点电荷在D点处产生的电φ势 与H处点电荷在B点处产生的电势
2 3
也相等,φ故B、D两点的电势相同,故A正确,BCD错φ误。
4
φ故选:A。
2. 如图,一条电场线上有a、b、c三点,b为ac的中点,a、c两点的电势分别为4V和
﹣8V。则( )
A.a点的场强可能大于c点的场强
B.b点的电势可能为6V
C.a点的场强一定等于c点的场强
D.b点的电势一定为﹣2V
【解答】解:AC、只凭一条电场线无法判断出电场强弱,所以a点的场强可能比c点的场强大,
可能等于,也可能小于,故A正确,C错误;
BD、a点电势高于c点电势,所以电场线方向由a指向c,ac间各点的电势在4V至﹣8V之间,
若电场是匀强电场,根据U=Ed有U =U
ab bc知b点的电势为﹣2V。
若电场是非匀强电场,则U ≠U
ab bc
则b点的电势不等于﹣2V。故BD错误。
故选:A。
3. 沿电场线所在直线建立如图所示Ox轴,x轴上各点电势 随x的变化规律如图所示,
坐标点O、x 、x 和x 分别与x轴上O、A、B、C四点相对应,Oφ点电势为零。带电量为﹣e
1 2 3
的电子从O点由静止释放,仅受电场力作用,下列说法正确的是( )
A.在0~x 区间内,电场方向始终指向x轴正方向
3
eφ
B.电子到达B点时动能为 0
2
C.电子从A运动到C,加速度先增大后减小
D.若在B点给电子一个沿x轴方向的初速度,电子一定会在AC间做往复运动
【解答】解:A.沿电场线方向电势降低,在0~x 区间内,电势先升高、再降低、再升高,则
3
电场线方向没有始终指向x轴正方向,故A错误;
φ
B.根据动能定理﹣e(0- 0)=E
kB
2
电子到达B点时动能为
φ
E =e 0
kB
2
故B正确;
eE
C.电势 ﹣x图像的斜率大小等于电场强度,电子加速度大小为a=
m
φ
由图像可知,A、C间斜率先变小后变大,则加速度先变小后变大,故C错误;
D.若在B点电子的初速度为沿+x轴方向,BC间电势升高,电场线方向由C指向B,电场力由
B指向C,电子做加速运动;若在B点电子的初速度为沿﹣x轴方向,同理,电子也做加速运动。
故电子不会再AC间做往复运动,故D错误。
故选:B。1
4. 在水平面上固定了三个点电荷,分别放在等腰梯形的三个顶点上,AB=AD=DC=
2
BC=L,电量关系及电性如图所示,静电力常数为k。E点的场强大小为( )
kQ √3kQ 2kQ
A.0 B. C. D.
L2 L2 L2
【解答】解:连接AE,如下图所示
根据几何知识可知:AE=L
Q
则A点的点电荷在E点产生的场强大小为:E =k
A L2
Q
则B点的点电荷在E点产生的场强为:E =k
B L2
Q
则C点的点电荷在E点产生的场强为:E =2k
C L2
Q
故B、C两处点电荷的电场强度之和为E =k ,方向水平向右
BC L2
√3kQ
根据平行四边形定则,则有E点的场强大小为:E=
L2
故ABD错误,C正确
故选:C。
5. 如图,在匀强电场中,有边长为2cm的正六边形ABCDEF,其六个顶点均位于同一
个圆上,正六边形所在平面与匀强电场的电场线平行,O点为该正六边形的中心,B、D、F三
点电势分别为2V、6V、4V,下列说法不正确的是( )A.A点电势为2V
B.U 等于U
AF CD
200√3
C.匀强电场的电场强度大小为 V /m
3
D.将电子由A点移到C点,电场力做功为﹣2eV
【解答】解:A、如图所示,连接BD和CF交于G点
φ +φ 2+6
由于G为BD的中点,则G的电势为φ = B D= V =4V
G 2 2
可知F、G电势相等,故CF为等势线,电场方向垂直于CF向上,可知AB也为等势线,则有
= =2V
A B
φ故A正φ确;
B、A、F两点的电势差为U = ﹣ =2V﹣4V=﹣2VCD两点的电势差为U = ﹣ =4V
AF A F CD C D
﹣6V=﹣2V φ φ φ φ
故有U =U
AF CD
故B正确;
C、匀强电场的电场强度大小为 U 4 200√3
E= DB= V /m= V /m
d 0.02×√3 3
DB
故C正确;
D、将电子由A点移到C点,电场力做功为W =﹣eU =2eV
AC AC故D错误;
本题下选择错误选项;
故选:D。
6. 空间中两个电量均为+Q的点电荷,对称的放置在O点两侧,以O为几何中心,有一
正方形ABCD,四条边的中点分别为E、F、M、N,下列说法正确的是( )
A. > B. > C.U =U D.U =U
A B D B AO OC AE CF
【解φ答】φ解:根据电场线φ对称性φ和等势面的分布可知,在等量同种点电荷的电场中,A、B、
C、D在同一个等势面上,电势相等,故有
U =U =U =U
AE ME DF CF
U =U
AO CO
故D正确,ABC错误。
故选:D。
7. 如图所示,棱长为30cm的正面四体ABCD处在平行于BCD平面的匀强电场中,A点
固定一电荷量为4.0×10﹣9C的点电荷,将另一电荷量为﹣2.0×10﹣9C的点电荷从D点移动到B
点,静电力做功﹣1.2×10﹣7J,再把这个电荷从B点移动到C点,静电力做功2.4×10﹣7J。已知
静电力常量k=9.0×109N•m2/C2,下列说法正确的是( )
A.匀强电场的方向由B点指向C点
B.匀强电场的场强大小为300V/m
C.B点场强方向与棱AB间的夹角为30°
D.B点场强大小为400V/m
【解答】解:A.根据题意可知,从D到B和从B到C移动另一个电荷时,A点固定的点电荷对W
其做功为零,根据W=qU可得,DB间的电势差为U = DB,代入数据解得:U =﹣120V
DB DB
q
取BC的中点O,则根据题意可知U =U =60V
CO OB
可得
=
O D
φ连接φOD,则OD为匀强电场中的一条等势线,由几何关系可知,BC与DO垂直,则BC为匀强
电场的一条电场线,根据沿电场线方向电势降低可知,匀强电场的方向由 C点指向B点,故A
错误;
B.根据公式E U可得,匀强电场的场强大小为E U 120 V/m=400V/m,故B错误;
= = CB=
d CB 30×10-2
kQ
CD.根据点电荷场强公式 E= 可得,A 点固定的点电荷在 B 点产生的电场的场强为 E
r2 1
9×109×4×10-9
V/m=400V/m
=
(30×10-2
)
2
方向为AB连线的延长线方向,如图所示
则根据电场的叠加原理及几何关系可知,B点场强大小为E =E =E=400V/m
B 1
方向与棱AB间的夹角为120°,故C错误,D正确。
故选:D。
8. 电场中的a、b、c三点在同一直线上,如图所示,其中c为ab的中点,已知a、b两
点的电势分别为 和 ,且 < <0,则下列叙述正确的是( )
a b a b
φ φ φ φ
A.该电场a、b、c三点电势关系一定有 + =2
a b c
B.负电荷从b点运动到a点,电势能一定φ会φ增加 φC.负电荷只受电场力作用从a点运动到c点,动能一定增加
D.负电荷从b点运动到c点,电场力一定做正功
【解答】解:A、电场中的a、b、c三点在同一直线上,但电场不一定是匀强电场,所以不一定
有 + =2 ,故A错误;
a b c
B、φ负电φ荷从φb点运动到a点,由于 < ,根据公式E =q ,因q<0,故电势能一定增大,
a b p
故B正确; φ φ φ
C、负电荷只受电场力作用从a点运动到c点过程,因不知初速度情况,故电荷可能加速也可能
减速运动,则动能不一定增加,故C错误;
D、因不能判断b点和c点的电势高低关系,故不能确定电场力做功的正负,故D错误;
故选:B。
9. 如图甲,在某电场中的O点先后无初速度释放两个正点电荷Ⅰ和Ⅱ,电荷仅在电场力
的作用下沿直线向A运动,两电荷的动能E 随位移x变化的关系如图乙。若Ⅰ的电荷量为q,
1
则可知( )
q
A.电荷Ⅱ的电荷量为
2
E
B.电荷Ⅰ受到的电场力大小为FⅡ= k
0
x
0
E
C.此电场一定为匀强电场且场强大小E
= k 0
qx
0
E
D.选O点为电势零点,A点的电势为 = k 0
A
q
φ
【解答】解:B、由动能定理可知,电荷的动能E 随位移x的变化图线的斜率表示该电荷所受的
k
电场力,因此电荷Ⅰ和Ⅱ所受电场力分别为:
FⅠ= E
k0
,FⅡ= 2E
k0
,故B错误;
x x
0 0C、由图可知,电场力是恒力,即电场强度大小和方向均不变,根据 F=qE可知,匀强电场的电
场强度大小为:E F E ,故C正确;
= Ⅰ= k0
q qx
0
A、根据FⅡ= 2E
k0
且FⅡ =q'E可知,q'=2q,故A错误;
x
0
E
D、电荷Ⅰ由O到A的过程中,根据动能定理可知:qU =E ,解得:U = k0
0A k0 0A
q
E E
又O点为电势零点,所以 ﹣ = k0,解得: =- k0,故D错误;
o A A
q q
φ φ φ
故选:C。
10. 如图所示,匀强电场平面内有一个直角三角形MNP,其中∠M=90°,∠N=30°,
MP=3m。若在M点处沿该平面向不同方向射出动能为8eV的电子,有两电子分别经过P、N
两点时的动能分别为6eV和14eV。不考虑电子间的相互作用,则下列关于该匀强电场场强 E
的大小及P、N点电势高低的比较正确的是( )
4 4
A.E= (V/m);ϕ <ϕ B.E= (V/m);ϕ >ϕ
p N p N
3 3
2√3 2√3
C.E= (V/m);ϕ <ϕ D.E= (V/m);ϕ >ϕ
p N p N
3 3
【解答】解:匀强电场中,电势差与距离成正比;等势面为平面,且始终与电场线垂直。电子
从M运动到P,由动能定理及电场力做功与电势差之间的关系,有
W -2eV
U = ﹣ = MP= =2V
MP M P
-e -e
φ φ
同理可得
U = ﹣ =8V
MN M N
因此 φ φ
U =8V
NP将PN四等分,如图所示,
由几何关系知MK⊥PN,且
U =6V=U
KN MN
故可得
=
M K
φ故MKφ在匀强电场的等势面上,因此NP与匀强电场的电场线重合,且场强方向沿N指向P,即
< .且
P N
φ Uφ 8 4
E= NP= V/m= V/m
NP 6 3
故A正确,BCD错误;
故选:A。
11. 如图所示为某电场中x轴上电势 随x变化的图像,静电场方向平行于x轴。一质量
为m、带电荷量为+q的粒子仅在电场力作用φ下沿x轴正向运动,则下列说法正确的是( )
A.在本来x ~x 之间,电场方向先沿x轴负方向,后沿x轴正方向
1 4
B.若粒子在x 处由静止释放,则粒子在x 处和x 处不受电场力作用
1 2 4
C.若粒子在x 处由静止释放,则粒子运动到x 处时的动能为q
1 3 0
D.若粒子在x 处由静止释放,则粒子运动到x 处时的速度最大φ
1 3
【解答】解:A、在x ~x 之间,电场方向先沿x轴正向,再沿x轴负向,故A错误;
1 4
U Δφ
B、由E= = 可知,图像的斜率表示电场强度,所以x 处和x 处场强不为零,粒子仍受电
2 4
d Δx
场力作用,故B错误;
C、粒子运动到x
3
的过程中,根据能量守恒有q⋅2
0
=E
k
,故C错误;
φD、粒子在x 处由静止释放,粒子从x 运动到x 的过程中电势能减小,动能增大,从x 运动到
1 1 3 3
x 的过程中,电势能增大,动能减小,所以粒子运动到x 时速度最大,故D正确。
4 3
故选:D。