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第3 课时 专题强化:电场中的图像问题 电场中的功能
关系
目标要求 1.掌握静电力做功的计算方法及电场中常用的功能关系。2.掌握电场中的几种常
见图像。
考点一 电场中的功能关系
几种常见的功能关系:
(1)合外力做功等于动能的变化,即W 合=Ek2-Ek1=ΔEk(动能定理)。
(2)重力做功等于物体重力势能的变化,即WG=EpG1-EpG2=-ΔEp。
(3)静电力做功等于电势能的变化,即W 电=Ep 电1-Ep 电2=-ΔEp 电。
(4)弹簧弹力做功等于弹性势能的变化,即W 弹=Ep1-Ep2=-ΔEp 弹。
(5)除了重力和弹簧弹力之外其他力做的总功等于物体机械能的变化,即W 其他力=E 机2-E 机1
=ΔE 机。
说明:动能定理可以把不同力对物体做的功联系起来;能量守恒定律可以把系统中参与变化
的所有能量联系起来。
例1 (2023·四川泸州市期末)如图所示,带正电小球A 固定在绝缘天花板上,绝缘轻弹簧
的下端固定在水平地面上,弹簧处于自由状态,现将与A 完全相同的带正电小球B 放在弹
簧上端并由静止释放,若A、B 球心和弹簧轴线始终在一条竖直线上,则小球B 从释放到第
一次运动到最低点的过程中,下列说法中正确的是( )
A.小球B 速度最大时所受弹簧弹力和库仑力的合力为零
B.小球B 的加速度先减小后增大
C.小球B 与弹簧组成系统的机械能一定减小
D.小球A 与B 组成系统的电势能一定先减小后增大
答案 B
解析 小球B 向下运动的过程中受到重力、库仑力、弹簧的弹力作用,当弹簧的弹力、重
力、库仑力的合力为0 时,小球B 的加速度为0,速度最大,故A 错误;开始运动时,弹簧
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的弹力小于重力和库仑力之和,合力竖直向下,小球向下做加速运动,由于弹簧的弹力逐渐
增大,库仑力减小,合力减小,加速度减小,当合力减小为0 时,速度最大,之后弹簧的弹
力大于重力与库仑力之和,合力竖直向上,小球向下做减速运动,弹簧的弹力逐渐增大,库
仑力减小,合力竖直向上,加速度增大,因此小球B 的加速度先减小后增大,故B 正确;
由于库仑力对小球B 做正功,由功能关系可知,小球B 与弹簧组成系统的机械能一定增大,
故C 错误;库仑力对小球B 做正功,小球A 与B 组成系统的电势能一直减小,故D 错误。
例2 如图所示,在水平向右的匀强电场中,质量为m 的带电小球,以初速度v 从M 点竖
直向上运动,通过N 点时,速度大小为2v,方向与电场方向相反,则小球从M 运动到N 的
过程( )
A.动能增加mv2
B.机械能增加2mv2
C.重力势能增加mv2
D.电势能增加2mv2
答案 B
解析 小球动能的增加量为ΔEk=m(2v)2-mv2=mv2,A 错误;小球在竖直方向上的分运动
为匀减速直线运动,到N 时竖直方向的速度为零,则M、N 两点之间高度差为h=,小球重
力势能的增加量为ΔEp=mgh=mv2,C 错误;静电力对小球做正功,则小球的电势能减少,
由能量守恒定律可知,小球减小的电势能等于重力势能与动能的增加量之和,则电势能的减
少量为ΔEp′=mv2+mv2=2mv2,D 错误;由功能关系可知,除重力外的其他力对小球所做
的功在数值上等于小球机械能的增加量,即2mv2,B 正确。
考点二 电场中的图像问题
1.电场中的v-t 图像
根据v-t 图像的速度变化、斜率变化(即加速度大小的变化),可确定电荷所受静电力的方向
与静电力的大小变化情况,进而确定电场的方向、电势的高低及电势能的变化。
例3 (多选)(2023·宁夏银川市一中模拟)一带负电粒子仅在静电力的作用下从A 点沿直线运
动到B 点,速度由v1变为v2,其速度—时间图像如图所示,下列说法正确的是( )
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A.A、B 两点的电势关系为φA>φB
B.A 点附近的等势面要比B 点附近的等势面稀疏
C.A、B 两点的电场强度大小关系为EA>EB
D.粒子从A 点到B 点的过程中,可能两次经过同一个等势面
答案 AC
解析 根据速度由v1变为v2,速度减小,可知静电力对粒子做负功,电势能增加。根据带
电粒子在电场中的运动规律可知,负电荷高势低能,则φA>φB,故A 正确;电场线密集的位
置等势面密集,电场强度更大,则带电粒子受到的静电力更大,加速度大,在v-t 图像中
斜率的绝对值更大,A 处斜率的绝对值大于B 处斜率的绝对值,则电场强度的关系EA>EB,
A 点附近的等势面要比B 点附近的等势面密集,故B 错误,C 正确;粒子从A 点到B 点的过
程中,速度一直减小,则静电力一直做负功,电势能一直增大,故不可能两次经过同一个等
势面,故D 错误。
2.φ-x 图像(电场方向与x 轴平行)
(1)电场强度的大小等于φ-x 图线的切线斜率的绝对值,如果图线是曲线,电场为非匀强电
场;如果图线是倾斜的直线,电场为匀强电场(如图)。切线的斜率为零时沿x 轴方向电场强
度为零。
(2)在φ-x 图像中可以直接判断各点电势的高低,并可根据电势大小关系确定电场强度的方
向,进而可以判断电荷在电场中的受力方向。(如图)
(3)电场中常见的φ-x 图像
①点电荷的φ-x 图像(取无限远处电势为零),如图。
②两个等量异种点电荷连线上的φ-x 图像,如图。
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③两个等量同种点电荷的φ-x 图像,如图。
例4 (多选)(2023·贵州贵阳市一中检测)如图所示,在x 轴上的O 点(x=0)和b 点(x=15 cm)
分别固定放置两点电荷q1、q2,其静电场的电势φ 在x 轴上分布如图所示,取无穷远处的电
势为零,下列说法正确的是( )
A.a、c 两点的电场强度相同
B.q1所带电荷量是q2所带电荷量的4 倍
C.将一负电荷从a 点移到c 点,静电力做功为零
D.将一负电荷从c 点移到d 点,电势能增大
答案 BC
解析 φ-x 图像的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,
由题图可知,a、c 两点电势相等,但电场强度大小和方向均不同,故A 错误;由题图可知,
d 点图像斜率为零,表明该点的合电场强度为零,而d 点到两点电荷q1、q2的距离之比为
2∶1,根据点电荷电场强度公式E=可得,q1、q2电荷量之比为4∶1,故B 正确;a、c 两点
电势相等,电势差为零,负电荷从a 点移到c 点,静电力做功为零,故C 正确;c、d 间电场
方向向左,负电荷从c 点移到d 点,静电力做正功,电势能减小,故D 错误。
3.E-x 图像(电场方向与x 轴平行)
(1)E-x 图像为静电场在x 轴上的电场强度E 随x 的变化关系,若规定x 轴正方向为电场强度
E 的正方向,则E>0,电场强度E 沿x 轴正方向;E<0,电场强度E 沿x 轴负方向。
(2)E-x 图线与x 轴所围图形“面积”表示电势差(如图所示),两点的电势高低根据电场方向
判定。在与粒子运动相结合的题目中,可进一步确定粒子的电性、动能变化、电势能变化等
情况。
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(3)电场中常见的E-x 图像(沿x 轴正方向为电场强度正方向)
①点电荷的E-x 图像
正点电荷及负点电荷的电场强度E 随坐标x 变化关系的图像大致如图所示。
②两个等量异种点电荷的E-x 图像,如图。
③两个等量正点电荷的E-x 图像,如图。
例5 (2023·辽宁大连市一模)如图甲所示,在真空中固定的两个相同点电荷A、B 关于x 轴
对称,它们在x 轴上的E-x 图像如图乙所示(规定x 轴正方向为电场强度的正方向)。若在坐
标原点O 由静止释放一个正点电荷q,它将沿x 轴正方向运动,不计重力。则( )
A.A、B 带等量正电荷
B.点电荷q 在x1处电势能最大
C.点电荷q 在x3处动能最大
D.点电荷q 沿x 轴正方向运动的最远距离为2x2
答案 D
解析 由E-x 图像可知,在x 轴上的P 点对应x2点,在P 点的左侧电场强度为正值,沿x
轴正方向,右侧为负值,可知A、B 带等量负电荷,A 错误;电荷量为q 的正点电荷,从O
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点到P 点,静电力做正功,电势能减小,从P 点沿x 轴正方向运动,静电力做负功,电势能
增加,因此点电荷q 在x1处电势能不是最大,且点电荷q 在x2处动能最大,B、C 错误;由
对称性可知,点电荷q 沿x 轴正方向最远能到达O′处,由动能定理qUOO′=ΔEk=0,则
UOO′=0,由对称性知O′与O 关于P 点对称,故点电荷q 沿x 轴正方向运动的最远距离为
2x2,D 正确。
4.Ep-x 图像、Ek-x 图像
(1)Ep-x 图像
由静电力做功与电势能变化关系F 电x=Ep1-Ep2=-ΔEp知Ep-x 图像的切线斜率k=,其绝
对值等于静电力大小,正负代表静电力的方向。
(2)Ek-x 图像
当只有静电力对带电体做功,由动能定理F 电x=Ek-Ek0=ΔEk 知Ek-x 图像的切线斜率k
=,斜率表示静电力。
例6 (2023·北京市北师大实验中学检测)一带负电的粒子只在静电力作用下沿x 轴正方向运
动,其电势能Ep随位置x 变化的关系如图所示,其中0~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0~x2段做匀变速运动,x2~x3段做匀速直线运动
C.若x1、x3处电势分别为φ1、φ3,则φ1<φ3
D.x2~x3段的电场强度大小、方向均不变
答案 D
解析 Ep-x 图像的斜率表示粒子所受静电力F,根据F=qE 可知x1处电场强度最小且为零,
选项A 错误;粒子在0~x2段切线的斜率发生变化,静电力发生变化,所以加速度也在变化,
做变速运动,x2~x3段斜率不变,所以做匀变速直线运动,选项B 错误;带负电的粒子从x1
到x3的过程中电势能增加,说明电势降低,即φ1>φ3,选项C 错误;x2~x3段斜率不变,所
以这段电场强度大小、方向均不变,选项D 正确。
课时精练
1.(2024·湖北省模拟)如图所示,空间有一带正电的点电荷,图中的实线是以该点电荷为圆心
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的同心圆,这些同心圆位于同一竖直平面内,MN 为一粗糙直杆,A、B、C、D 是杆与实线
圆的交点,一带正电的小球(视为质点)穿在杆上,以速度v0从A 点开始沿杆向上运动,到达
C 点时的速度为v,则小球由A 点运动到C 点的过程中,下列说法正确的是( )
A.小球减少的机械能一定等于克服摩擦力做的功
B.小球减少的机械能一定大于克服摩擦力做的功
C.小球的机械能守恒
D.小球的机械能增大
答案 B
解析 小球由A 点运动到C 点,重力做负功,重力势能增加,静电力做的总功为负功,电
势能增加,摩擦力做负功,产生热量,由能量守恒定律知,小球减少的机械能等于增加的电
势能与产生的热量之和,故A 错误,B 正确;静电力和摩擦力都做负功,机械能一定减少,
故C、D 错误。
2.如图甲所示,两个点电荷Q1、Q2固定在x 轴上距离为L 的两点,其中Q1带正电,位于原
点O,a、b 是它们连线延长线上的两点,其中b 点与O 点相距3L。现有一带电的粒子q 以
一定的初速度沿x 轴从a 点开始经b 点向远处运动(粒子只受静电力作用),设粒子经过a、b
两点时的速度分别为va、vb,其速度随坐标x 变化的图像如图乙所示,则以下判断正确的是(
)
A.Q1∶Q2=4∶9
B.b 点的电场强度一定为零
C.a 点的电势比b 点的电势高
D.粒子在a 点的电势能比在b 点的电势能小
答案 B
解析 由图像可知,粒子在b 点之前做加速运动,b 点之后做减速运动,可知在b 点加速度
为0,由于粒子只受静电力,所以b 点电场强度为0,且Q2 带负电,因此k-k=0,解得
Q1∶Q2=9∶4,故A 错误,B 正确;
因为Q1带正电、Q2带负电,所以在ab 段电场线方向由b 指向a,沿电场线方向电势逐渐降
低,故a 点的电势比b 点的电势低,故C 错误;粒子从a 到b 过程中在做加速运动,故静电
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力做正功,电势能在减小,所以粒子在a 点的电势能比在b 点的电势能大,故D 错误。
3.(2023·江西赣州市模拟)带电球体的半径为R,以球心O 为原点建立x 轴,轴上各点电势
φ 随x 变化如图所示,下列说法正确的是( )
A.球体带正电荷
B.球心处电场强度最大
C.A、B 两点电场强度相同
D.一带负电的试探电荷在B 点的电势能比在C 点的电势能大
答案 D
解析 从球边缘出发向两侧电势升高,而沿着电场线电势降低,故球带负电荷,A 错误;球
是等势体,故内部任意两点间的电势差为零,故电场强度为零,B 错误;A 点与B 点的电场
强度大小相等,但方向相反,C 错误;从B 到C,电势升高,根据Ep=qφ,故负电荷在B 点
的电势能比在C 点的电势能大,D 正确。
4.(多选)一带正电微粒只在静电力作用下沿x 轴正方向运动,其电势能随x 变化的关系如图
所示,其中O~x1段是曲线,x1~x2段是平行于x 轴的直线,x2~x3段是倾斜直线,则下列说
法正确的是( )
A.O~x1段电势逐渐升高
B.O~x1段微粒做加速度逐渐减小的加速运动
C.x1~x2段电场强度为零
D.x2~x3段的电势沿x 轴均匀降低
答案 ACD
解析 电势能Ep=φq,由于微粒带正电,O~x1段电势能变大,所以电势升高,A 正确;根
据ΔEp=FΔx,图线斜率反映静电力,O~x1段图线斜率变小,静电力减小,加速度逐渐减小,
由于电势能增加,静电力做负功,则微粒做减速运动,即微粒做加速度减小的减速运动,B
错误;x1~x2段斜率为零,不受静电力,即电场强度为零,C 正确;x2到x3,电势能均匀减
小,微粒带正电,所以电势沿x 轴均匀降低,D 正确。
5.(2023·山东潍坊市模拟)如图所示,在方向竖直向下的匀强电场中,两个质量相同、带电荷
量分别为-q 和+q 的小球a、b 固定于绝缘轻杆的两端,轻杆可绕中点O 处的固定轴在竖直
面内无摩擦转动。已知O 点电势为0,不考虑带电小球间的相互作用力,以O 点所在水平面
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为零势能面,杆从静止开始由水平位置顺时针转动180°的过程中( )
A.小球a、b 总动能一直增加
B.小球a、b 系统机械能始终不变
C.小球a、b 系统电势能始终不变
D.小球a、b 任一时刻的电势能相等
答案 D
解析 静电力对a 球先做正功再做负功,对b 球也是先做正功再做负功,所以杆从静止开始
由水平位置顺时针转动90°的过程中小球a、b 与轻杆组成的系统电势能减小,总动能增加,
机械能增加;杆从90°转到180°的过程中,系统电势能增大,总动能减小,机械能减小,最
后与初始位置的电势能相等,机械能也相等,总动能为零,故A、B、C 错误;由于O 点处
电势为零,由W 电=0-Ep,在匀强电场中W 电=Eqx
因为两小球运动过程中在任一时刻竖直方向上的位移大小相同,所以小球a、b 任一时刻的
电势能相等,D 正确。
6.(多选)真空中,点电荷a、b 分别位于x 轴上的x=-L 处的P 点和x=L 处的Q 点,它们之
间连线上电场强度E 随位置x 变化的图像如图所示。一带正电的试探电荷由x=-0.5L 处的
M 点由静止释放后能通过x=0.5L 处的N 点。不计试探电荷的重力,O 为坐标原点,以下判
断正确的是( )
A.a、b 均带正电
B.a 电荷量大于b 电荷量
C.x 轴上从P 至Q 电势先降低再升高
D.M、O 间的电势差大于O、N 间的电势差
答案 BD
解析 由题图可知,从P 到Q 电场强度方向不变,带正电的试探电荷从M 点由静止释放后
能通过N 点,说明a 带正电、b 带负电,故A 错误;a 带正电、b 带负电,合电场强度最小
时,a、b 在该点产生的电场强度相等,设合电场强度最小时横坐标为x,则有Ea=k,Eb=
k,可知Qa>Qb,故B 正确;从P 到Q 电场强度方向不变,从正电荷指向负电荷,沿着电场
线的方向电势降低,可知x 轴上从P 至Q 电势逐渐降低,故C 错误;M、O 间的平均电场强
度大于O、N 间的平均电场强度,M、O 间距离和O、N 间距离相等,根据E=,可知M、O
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间的电势差大于O、N 间的电势差,故D 正确。
7.有一电场在x 轴上各点的电场强度分布如图所示。现将一带正电的粒子(不计重力)从O 点
由接近于0 的速度释放,仅在静电力的作用下,带电粒子沿x 轴向右运动,则关于该电场在
x 轴上各点的电势(φ)、带电粒子的电势能(Ep)、动能(Ek)以及动能与电势能之和(E0)随x 变化
的图像,正确的是( )
答案 C
解析 根据x 轴上各点电场强度的分布特点可知,该电场的分布类似于等量正电荷中垂线上
电场强度的分布,电场线的方向与x 轴正方向一致。在x 轴上,沿电场线的方向,电势逐渐
降低,所以O 点的电势最高,故A 错误;带电粒子的电势能Ep=qφ,由题意知带电粒子带
正电,所以粒子在O 点的电势能最大,故B 错误;由动能定理知,静电力做的功等于动能
的变化量,有qEx=Ek-Ek0,由题意知带电粒子的初动能Ek0=0,得Ek=qEx,静电力始终
做正功,动能一直增大。由于电场强度随x 先增大后减小,所以动能随x 变化的图像的切线
斜率先增大后减小,故C 正确;带电粒子在运动过程中,只有静电力做功,故电势能与动
能的总和保持不变,故D 错误。
8.如图甲,粗糙绝缘的水平地面上,电荷量为QA、QB的两个点电荷分别固定于相距为6L
的A、B 两处。一质量为m、电荷量为q 的带负电小滑块(可视为质点)从x=-L 处由静止释
放后沿x 轴正方向运动,在x=2L 处开始反向运动。滑块与地面间的动摩擦因数为μ,滑块
在不同位置所具有的电势能Ep如图乙所示,P 点是图线最低点,重力加速度为g。下列说法
正确的是( )
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A.两固定点电荷均为正电荷
B.QA=2QB
C.x=L 处电势最低
D.从-L 到2L,电势升高
答案 D
解析 小滑块带负电,结合题意可知两固定点电荷均为负电荷,在x=L 处电势能最低,则
x=L 处电势最高,故A、C 错误;根据功能关系知Ep-x 图像的斜率表示静电力,可知在x
=L 处静电力为零,则k=k,解得QA=4QB,故B 错误;对滑块,从-L 到2L,由动能定理
有-qU-μmg·3L=0-0,解得U=,则从-L 到2L,电势差为负,电势升高,故D 正确。
9.(多选)(2023·福建厦门市质检)空间中有水平方向上的匀强电场,一质量为m、带电荷量为
q 的微粒在某平面内运动,其电势能和重力势能随时间的变化如图所示,则该微粒( )
A.一定带正电
B.0~3 s 内静电力做的功为-9 J
C.运动过程中动能不变
D.0~3 s 内除静电力和重力外所受其他力对微粒做的功为12 J
答案 BCD
解析 由于不清楚电场强度的方向,故无法确定微粒的电性,故A 错误;由题图可知,0~
3 s 内电势能增加9 J,则0~3 s 静电力做的功为-9 J,故B 正确;由题图可知,电势能均匀
增加,即静电力做的功与时间成正比,说明微粒沿静电力方向做匀速直线运动,同理,沿重
力方向也做匀速直线运动,则微粒的合运动为匀速直线运动,所以运动过程中速度不变,动
能不变,故C 正确;由功能关系可知,0~3 s 内重力势能与电势能共增加12 J,又微粒的动
能不变,故0~3 s 内除静电力和重力外所受其他力对微粒做的功为12 J,故D 正确。
10.(2021·山东卷·6)如图甲所示,边长为a 的正方形,四个顶点上分别固定一个电荷量为+
q 的点电荷;在0≤x<a 区间,x 轴上电势φ 的变化曲线如图乙所示。现将一电荷量为-Q 的
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点电荷P 置于正方形的中心O 点,此时每个点电荷所受库仑力的合力均为零。若将P 沿x 轴
向右略微移动后,由静止释放,以下判断正确的是( )
A.Q=q,释放后P 将向右运动
B.Q=q,释放后P 将向左运动
C.Q=q,释放后P 将向右运动
D.Q=q,释放后P 将向左运动
答案 C
解析 对在y 轴正半轴上的点电荷,由平衡条件可得k+k=k,解得Q=q,因在0≤x<a 区
间内沿x 轴正方向电势升高,则电场强度方向沿x 轴负方向,则将P 沿x 轴向右略微移动后
释放,P 受到向右的库仑力而向右运动,故选C。
11.(2023·广东中山市模拟)如图,固定于同一条竖直线上的点电荷A、B 相距为2d,电荷量
分别为+Q 和-Q。MN 是竖直放置的光滑绝缘细杆,另有一个穿过细杆的带电小球,质量
为m、电荷量为+q(可视为点电荷,q 远小于Q),现将小球从与点电荷A 等高的C 处由静止
开始释放,小球向下运动到距C 点距离为d 的O 点时,速度为v。已知MN 与AB 之间的距
离也为d。静电力常量为k,重力加速度为g。求:
(1)从C 到O 过程静电力对小球做的功WCO与C、O 间的电势差UCO;
(2)小球经过O 点时加速度的大小;
(3)小球经过与点电荷B 等高的D 点时速度的大小。
答案 (1)mv2-mgd
(2)+g (3)v
解析 (1)根据动能定理有mgd+WCO=mv2,得WCO=mv2-mgd,C、O 间的电势差为
UCO==
(2)点电荷A、B 在O 点的电场强度大小均为
E=k
则合电场强度大小E′=E,小球经过O 点时加速度的大小为a,由牛顿第二定律得qE′+
mg=ma,解得a==+g
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(3)小球在CO 和OD 两个过程中,静电力做功相同,则根据动能定理有2WCO+mg·2d=
mv′2
则小球经过与点电荷B 等高的D 点时速度的大小为v′=v。
12.(多选)(2023·重庆西南大学附属中学模拟)某同学用如图甲所示装置研究带电小球在重力
场和电场中具有的势能E(重力势能、电势能之和)情况。两个带同种电荷的小球1、2 放在竖
直放置的绝缘圆筒中,1 固定在圆筒底部,2 从靠近1 位置处释放,测出2 的位置x 和速度,
利用能量守恒可以得到势能E-x 图像。图乙中Ⅰ图线是小球2 的E-x 图像,Ⅱ图线是计算
机拟合的图线Ⅰ的渐近线,实验中一切摩擦可忽略,小球的电荷量不会发生变化,g=10
m/s2,则小球2( )
A.上升过程速度一直变大
B.上升过程速度先变大后变小
C.质量为0.5 kg
D.从x=6.0 cm 处运动至x=20.0 cm 处电势能减少0.3 J
答案 BCD
解析 上升过程系统能量守恒E+Ek=E 总,结合图像可知,上升过程中势能先变小后变大,
因此,小球2 的动能先变大后变小,速度也先变大后变小,A 错误,B 正确;根据库仑定律
FC=可知,当r→∞时,FC→0,此时系统势能的变化量主要取决于重力做功ΔE=mgΔx,即
mg=,由此可知小球2 的重力等于题图中渐近线的斜率,结合图像可知mg===5 N,解
得m=0.5 kg,C 正确;从x=6.0 cm 处运动至x=20.0 cm 过程中,根据系统能量守恒得ΔEk
=-0.4 J,即ΔEp+ΔE 电=0.4 J,因为WG=-mgΔx′=-0.7 J,解得W 电=0.3 J,即从x=
6.0 cm 处运动至x=20.0 cm 过程中,静电力做0.3 J 正功,电势能减少0.3 J,D 正确。
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