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静电场闯关

从“隔空推拉”到“电场里飞行”

不用硬背。先看见场,再把公式装进去。

第 1 关电荷会隔空推拉

头发被气球吸起来,不是“碰巧粘住”,是电荷在动手。

摩擦会让电子从一个物体跑到另一个物体。失去电子,物体带正电;得到电子,物体带负电。电荷量用 q 表示,单位库仑(C)。

电荷不是随便切的最小的一份叫元电荷e = 1.60×10−19 C。任何带电体的电荷量都是 e 的整数倍。电子带 −e,质子带 +e;e 本身说的是正的“大小”。

两个很小、距离又比自身尺寸大得多的带电体,可以看成点电荷。它们之间遵守库仑定律:

F = k |q₁q₂| /
k = 9.0×10⁹ N·m²/C²;大小用绝对值,方向另判断:同号排斥,异号吸引。若 q₁、q₂ 表示电荷量大小,也常写成 F=kq₁q₂/r²。
关系
互相吸引
力的大小
0.60 N
双方受力
等大反向

过关题:q₁、q₂ 不变,距离变成原来的 2 倍,静电力变成多少?

第 2 关别盯着试探电荷:看“场”

电荷没接触也能受力,中间传话的就是电场。

把很小的正试探电荷 q 放到某点,它受到电场力 F。用“每 1 C 正电荷能分到多少力”描述那一点:

E = F / q
单位 N/C(也等于 V/m)。方向就是正电荷在该点的受力方向。
最要紧的一句E 描述的是场本身。换试探电荷,F 会变,但 F/q 不变。不能说“q 越大,那点的 E 越大”。
这里的 E(固定)
300 N/C
q
2 nC
F = qE
600 nN

如果场源是一个点电荷 Q,离它 r 远的地方:

E = k |Q| / r²
Q 是“造场的人”;Q 为正,E 向外;Q 为负,E 向内。

过关题:同一点,把 +2 nC 试探电荷换成 +6 nC,E 怎样变?

第 3 关电场可视化台

放电荷、拖电荷。看不见的场,今天让它显形。

拖动电荷;移动指针查看该点 E
指针位置
场强 |E|
E 的方向
图上的每样东西在说什么画布宽度按 1.0 m,每颗电荷是 ±1.0 μC。蓝色带箭头曲线是电场线:切线方向就是 E 的方向,越密处场越强;它从正电荷或无穷远出发,到负电荷或无穷远结束。橙色线是等势面的二维截线。
别把电场线当跑道它是为了画场而造的线,不是带电粒子的运动轨迹。粒子还带着原来的速度,轨迹由速度和受力一起决定。

过关题:关于电场线,哪句话对?(先拖一次电荷再答)

第 4 关电势:给电场画“海拔”

只看力还不够。从高处滑到低处,用“能量账本”更省事。

电势 φ 像地形的海拔,是电场给出的“电学高度”,单位伏特(V)。正电荷更愿意往低电势走;负电荷反过来。

UAB = φA − φB
WAB = qUAB
UAB 是电势差;WAB 是电场力把电荷从 A 移到 B 做的功。
能量账本电势能 Ep = qφ。电场力做正功,电势能减少:ΔEp = −WAB
WAB = qUAB
+300 nJ
ΔEp
−300 nJ
电场力
做正功

匀强电场:每个地方的 E 都一样

平行金属板中间(忽略边缘),电场线是等距平行直线。沿电场方向走距离 d:

U = Ed
d 必须是沿电场线方向的距离。斜着走,要用两点沿 E 方向的距离。

过关题:等势面和电场线是什么关系?

第 5 关粒子进电场:加速与偏转

电场给速度“掰方向”。横着飞进去,就会拐出一条抛物线。

沿电场线进入,电场力持续做功:qU = ΔEk。垂直电场线进入匀强电场,横向匀速、竖向匀加速:

a = qE/m  x = v₀t  y = ½at²
合起来:y = qU x² / (2mdv₀²),所以轨迹是抛物线。
板间场强 |E|
1667 V/m
飞过极板用时
2.00 μs
出口偏移 y
3.33 cm
本模拟固定正粒子 q/m = 1.0×10⁷ C/kg,板间距 d = 0.12 m。U 为正时,上板电势高,E 向下,正粒子向下偏。

过关题:其他都不变,v₀ 变成 2 倍,出口偏移 y 变成多少?

第 6 关坑点排雷

这些话看着顺眼,考试时最会骗人。逐个拆。

挑战关一发擦中极板边缘

只调电压。让正粒子刚好打中标记的极板边缘,拿 10 附加分。

固定 v₀ = 2.0×10⁵ m/s、L = 0.40 m、d = 0.12 m。

通关测随机 10 题

覆盖前面全部内容。数字每套会换,交卷后逐题拆错因。

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