第六章 静电场

第1讲　电场的力的性质

1．两个等量点电荷P、Q在真空中产生的电场的电场线(方向未画出)如图7所示，一电子在A、B两点所受的电场力分别为FA和FB，则它们的大小关系为(　　)．

图1

A．FA＝FB B．FA

C．FA>FB D．无法确定

解析　因A处电场线比较密，电场强度大，由F＝qE知，电子受到的电场力大，选项C正确．

答案　C

2．一带负电荷的质点，仅在电场力作用下沿曲线abc从a运动到c，已知质点的速率是递减的．关于b点电场强度E的方向，下列图示中可能正确的是(虚线是曲线在b点的切线)(　　)

解析 质点所带电荷是负电荷，电场方向应与负电荷受到的电场力方向相反，又因为质点的速度是递减的，因此力的方向与速度方向夹角应大于90°，故D正确．

答案 D

3．如图所示，电荷量为Q1、Q2的两个正点电荷分别置于A点和B点，两点相距L.在以AB为直径的光滑绝缘半圆上，穿着一个带电小球＋q(可视为点电荷)，在P点平衡．不计小球的重力，那么，PA与AB的夹角α与Q1、Q2的关系应满足(　　)

图2

A．tan3α＝　　　　 B．tan2α＝

C．tan3α＝ D．tan2α＝

解析

对小球受力分析如图所示，则F1＝k，F2＝k，tan Iα＝＝，整理得tan3α＝，选项A正确．

答案 A

4．A、B、C三点在同一直线上，AB∶BC＝1∶2，B点位于A、C之间，在B处固定一电荷量为Q的点电荷．当在A处放一电荷量为＋q的点电荷时，它所受到的电场力为F；移去A处电荷，在C处放一电荷量为－2q的点电荷，其所受电场力为(　　)．

图3

A．－ B. C．－F D．F

解析　

如图所示，设B处的点电荷带电荷量为正，AB＝r，则BC＝2r，根据库仑定律F＝，F′＝，可得F′＝，故选项B正确．

答案　B

5．一带负电荷的质点，在电场力作用下沿曲线abc从a运动到c，已知质点的速率是递减的．关于b点电场强度E的方向，下列图示中可能正确的是(虚线是曲线在b点的切线)(　　)．

解析　由题意知，质点沿曲线abc运动时只受电场力作用，根据曲线运动中力与速度的关系，电场力应指向曲线的凹侧．因为质点的速度是递减的，所以电场力的方向与速度方向的夹角应大于90°，又因为质点带负电荷，故选项D正确．

答案　D

6．如图4所示，实线表示电场线，虚线表示只受电场力作用的带电粒子的运动轨迹．粒子先经过M点，再经过N点．可以判定(　　)．

图4

A．粒子在M点受到的电场力大于在N点受到的电场力

B．M点的电势高于N点的电势

C．粒子带正电

D．粒子在M点的动能大于在N点的动能

解析　

电场线的疏密表示场强的大小，电场线越密集，场强越大．M点所在区域电场线比N点所在区域电场线疏，所以M点的场强小，粒子在M点受到的电场力小．故A错误．

沿电场线方向，电势逐渐降低．从总的趋势看，电场线的方向是从M到N的，所以M点的电势高于N点的电势．故B正确．

如图所示，用“速度线与力线”的方法，在粒子运动的始点M作上述的两条线，显然电场力的方向与电场线的方向基本一致，所以粒子带正电，C正确．

“速度线与力线”夹角为锐角，所以电场力做正功．粒子的电势能减小，由能量守恒知其动能增加．故D错误．

答案　BC

7．静电除尘器是目前普遍采用的一种高效除尘器．某除尘器模型的收尘板是很长的条形金属板，图中直线ab为该收尘板的横截面．工作时收尘板带正电，其左侧的电场线分布如图所示，粉尘带负电，在电场力作用下向收尘板运动，最后落在收尘板上．若用粗黑曲线表示原来静止于P点的带电粉尘颗粒的运动轨迹，下列四幅图中可能正确的是(忽略重力和空气阻力)(　　)

解析

根据力和运动的关系知，当粒子运动至电场中某一点时，运动速度方向与受力方向如图所示，又据曲线运动知识知粒子运动轨迹夹在合外力与速度之间，可判定粉尘颗粒的运动轨迹如A选项中图所示．

答案 A

8．如图5所示，光滑绝缘细杆与水平面成θ角固定，杆上套有一带正电小球，质量为m，带电荷量为q，为使小球静止在杆上，可加一匀强电场，所加电场的场强满足什么条件时，小球可在杆上保持静止(　　)．

图5

A．垂直于杆斜向上，场强大小为mgcos θ/q

B．竖直向上，场强大小为mg/q

C．垂直于杆斜向上，场强大小为mgsin θ/q

D．水平向右，场强大小为mgcot θ/q

解析　若所加电场的场强垂直于杆斜向上，对小球受力分析可知，其受到竖直向下的重力、垂直于杆斜向上的电场力和垂直于杆方向的支持力，在这三个力的作用下，小球沿杆方向上不可能平衡，选项A、C错误；若所加电场的场强竖直向上，对小球受力分析可知，当E＝mg/q时，电场力与重力等大反向，小球可在杆上保持静止，选项B正确；若所加电场的场强水平向右，对小球受力分析可知，其共受到三个力的作用，假设小球此时能够静止，则根据平衡条件可得Eq＝mgtan θ，所以E＝mgtan θ/q，选项D错误．

答案　B

9．如图6所示，质量分别为mA和mB的两小球带有同种电荷，电荷量分别为qA和qB，用绝缘细线悬挂在天花板上．平衡时，两小球恰处于同一水平位置，细线与竖直方向间夹角分别为θ1与θ2(θ1>θ2)．两小球突然失去各自所带电荷后开始摆动，最大速度分别为vA和vB，最大动能分别为EkA和EkB，则(　　)．

图6

A．mA一定小于mB B．qA一定大于qB

C．vA一定大于vB D．EkA一定大于EkB

解析　以A小球为研究对象有：TAcos θ1＝mAg，TA sin θ1＝FBA，以B小球为研究对象有：TBcos θ2＝mBg，TBsin θ2＝FAB，且FAB＝FBA、因θ1>θ2，故TB>TA，而cos θ2>cos θ1，故mB>mA，选项A正确．因A、B两球摆到最低点时：A小球下降的高度hA大于B小球下降的高度hB.由mv2＝mgh有v＝ ，所以vA>vB，故选项C正确．由库仑定律FAB＝，故无法确定qA和qB的大小，选项B错误．EkA＝mAv＝mAgLA(1－cos θ1)＝FABLA＝FABLAcos θ1tan，同理：EkB＝FABLBcos θ2tan ，LAcos θ1＝LBcos θ2，又θ1>θ2，所以tan >tan ，即EkA>EkB，故选项D正确．

答案　ACD

10．如图7所示，两质量均为m的小球A和B分别带有＋q和－q的 电量，被绝缘细线悬挂，两球间的库仑引力小于球的重力mg.现加上一个水平向右的匀强电场，待两小球再次保持静止状态时，下列结论正确的是(　　)

图7

A．悬线OA向右偏，OA中的张力大于2mg

B．悬线OA向左偏，OA中的张力大于2mg

C．悬线OA不发生偏离，OA中的张力等于2mg

D．悬线AB向左偏，AB线的张力比不加电场时要大

解析 首先应用整体法对A、B整体受力分析，悬线OA张力大小为2mg，并且OA处于竖直方向，选项C正确，A、B错误；然后再采用隔离法以B为研究对象分析，悬线AB向左偏，其张力等于电场力、库仑力与重力的合力，比不加电场时要大，选项D正确，故答案为C、D.

答案CD

11．在竖直平面内固定一半径为R的金属细圆环，质量为m的金属小球(视为质点)通过长为L的绝缘细线悬挂在圆环的最高点．当圆环、小球都带有相同的电荷量Q(未知)时，发现小球在垂直圆环平面的对称轴上处于平衡状态，如图8所示．已知静电力常量为k.则下列说法中正确的是(　　)．

图8

A．电荷量Q＝ 

B．电荷量Q＝ 

C．线对小球的拉力F＝

D．线对小球的拉力F＝

解析　以小球为研究对象，进行受力分析，小球受到三个力的作用：细线的拉力F、库仑斥力F′、重力G作用，则Fsin θ＝mg，sin θ＝，解得F＝，C、D错误；水平方向上Fcos θ＝kcos θ，解得Q＝ ，A正确、B错误．

答案　A

12．如图9所示，有三根长度均为L＝0.3 m的不可伸长的绝缘细线，其中两根的一端分别固定在天花板上的P、Q点，另一端分别拴有质量均为m＝0.12 kg的带电小球A和B，其中A球带正电，电荷量为q＝3×10－6 C，B球带负电，与A球带电荷量相同．A、B之间用第三根线连接起来．在水平向左的匀强电场作用下，A、B保持静止，悬线仍处于竖直方向，且A、B间细线恰好伸直．(静电力常量k＝9×109 N·m2/C2)

图9

(1)求此匀强电场的电场强度E的大小．

(2)现将PA之间的线烧断，由于有空气阻力，A、B球最后会达到新的平衡位置．求此时细线QB所受的拉力T的大小，并求出A、B间细线与竖直方向的夹角θ.

(3)求A球的电势能与烧断前相比改变了多少(不计B球所带电荷对匀强电场的影响)．

解析　(1)B球水平方向合力为零，所以qBE＝k，可得E＝k＝9×109× N/C＝3×105 N/C.

(2)两球及细线最后位置如图所示，利用整体法可得FT＝2mg＝2×0.12×10 N＝2.4 N，

因为小球受力平衡，所以qE＝mgtan θ，代入数据，可得θ＝37°.

(3)A球克服电场力做功W＝qEL(1－sin θ)＝3×10－6×3×105×0.3×(1－0.6) J＝0.108 J，所以A球的电势能增加了0.108 J.

答案　(1)3×105 N/C　(2)2.4 N；37°　(3)0.108 J

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