高中生物一轮复习教案

高考物理第一轮总复习电场中的导体电容器教案32。

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高考物理第一轮基础知识电容器、静电现象的应用复习教案

第4课时电容器静电现象的应用

基础知识归纳
1.静电感应现象
导体放入电场后，导体内部自由电荷在电场力作用下做定向移动，使导体两端出现等量的正、负电荷的现象.
2.静电平衡
(1)状态：导体中(包括表面)没有电荷定向移动.
(2)条件：导体内部场强处处为零.
(3)导体处于静电平衡状态的特点：
①导体表面上任何一点的场强方向跟该点外表面垂直；
②电荷只分布在导体外表面；
③整个导体是一个等势体，导体表面是一个等势面.
3.静电屏蔽
导体球壳内(或金属网罩内)达到静电平衡后，内部场强处处为零，不受外部电场的影响，这种现象叫静电屏蔽.
4.尖端放电
导体尖端的电荷密度很大，附近场强很强，能使周围气体分子电离，与尖端电荷电性相反的离子在电场力作用下奔向尖端，与尖端电荷中和，这相当于导体尖端失去电荷，这一现象叫尖端放电.如高压线周围的“光晕”就是尖端放电现象，所以高压设备尽量做得光滑，防止尖端放电，而避雷针则是利用尖端放电的实例.
5.电容器
(1)两块互相靠近又彼此绝缘的导体组成的电子元件.
(2)电容器的带电量：一个极板所带电荷量的绝对值.
(3)电容器的充、放电：使电容器带电的过程叫做充电，使电容器失去电荷的过程叫做放电.
6.电容
(1)定义：电容器所带电荷量与两极板间电势差的比值叫电容，定义式为.
(2)单位：法拉，符号F，换算关系为1F＝106μF＝1012pF.
(3)物理意义：电容是描述电容器储存电荷本领大小的物理量，可与卡车的载重量类比.
7.平行板电容器的电容
电容C与平行板正对面积S成正比，与电介质的介电常数εr成正比，与两极板的距离d成反比，即C＝.
重点难点突破
一、处理平行板电容器内部E、U、Q变化问题的基本思路
1.首先要区分两种基本情况；
(1)电容器始终与电源相连时，电容器两极板电势差U保持不变；
(2)电容器充电后与电源断开时，电容器所带电荷量Q保持不变.
2.赖以进行讨论的物理依据有三个：
(1)平行板电容器电容的决定式C＝；
(2)平行板电容器内部为匀强电场，所以场强E＝Ud；
(3)电容器所带电荷量Q＝CU.
二、带电粒子在平行板电容器内运动和平衡的分析方法
带电粒子在平行板电容器中的运动与平衡问题属力学问题，处理方法是：先作受力分析和运动状态分析，再结合平衡条件、牛顿运动定律、功能观点进行分析和求解.
三、电容器在直流电路中的处理方法
电容器是一个储存电荷的元件，在直流电路中，当电容器充放电时，电路中有充放电电流，一旦达到稳定状态，电容器在电路中相当于一个阻值无限大的元件，在电容器处看做断路，简化电路时可去掉它，简化后若要求电容器所带电荷量时，可以在相应的位置补上.
典例精析
1.平行板电容器内部E、U、Q的关系
【例1】一平行板电容器电容为C，两极板间距为d，接到一电压一定的电源上，电容器的带电量为Q，电容器与电源始终保持连接.把两极板距离变为，则电容器的电容为，两极板电压为，电容器带电荷量为，两极板的场强为.
【解析】由于电容器始终接在电源上，因此两极板间电压保持不变，由C＝，有C∝，即C′C＝，所以C′＝2C
由公式Q＝CU，U不变，则Q∝C
Q′Q＝C′C＝2，即Q′＝2Q
由E＝Ud，U一定，则E∝
E′E＝＝2，E′＝2E＝2Ud＝
【答案】2C；U；2Q；
【思维提升】若上题中平行板电容器充电后，切断与电源的连接，电容器d、S、εr变化，将引起电容器C、Q、U、E怎样变化？可根据切断电源后Q不变，再由以下几式讨论C、U、E的变化.
C＝∝
U＝＝＝∝
E＝Ud＝＝＝∝
【拓展1】一平行板电容器充电后S与电源断开，负极板接地，在两极间有一正电荷(电荷量很小)固定在P点，如图所示.以U表示两极板间的电压，E表示两极板间的场强，ε表示该正电荷在P点的电势能，若保持负极板不动，而将正极板移至图中虚线所示位置，则(AC)
A.U变小，ε不变B.E变大，ε不变C.U变小，E不变D.U不变，ε不变
【解析】根据充电后与电源断开，Q不变和C＝，有d↓，C↑，又U＝，即C↑，U↓
因E＝Ud＝Qcd＝＝
所以E不变，P点到极板的距离不变，则P点下极板的电势差不变，P点的电势φP不变，P点电势能ε＝φPq不变，所以A、C选项正确.
2.带电粒子在平行板电容器内运动和平衡的分析
【例2】如图所示，在空气中水平放置的两块金属板，板间距离d＝5.0mm，电源电压U＝150V.当开关S断开，金属板不带电时，极板中的油滴匀速下落，速度为v0，然后闭合S，则油滴匀速上升，其速度大小也是v0，已测得油滴的直径D＝1.10×10－6m，油滴密度ρ＝1.05×103kg/m3.已知油滴运动时所受空气阻力与油滴速度成正比，不计空气浮力，元电荷e＝1.6×10－19C，求油滴的带电荷量.
【解析】油滴匀速下降，受竖直向下的重力mg和向上的空气阻力Ff而平衡，有
mg＝Ff①
油滴的质量为m＝ρV＝ρπ6D3②
阻力Ff＝kv③
把②③式代入①式得
π6D3ρg＝kv0④
S闭合后油滴匀速上升，油滴受向上电场力FE和向下的重力mg、空气阻力Ff′平衡，即：
FE＝mg＋Ff′⑤
电场力FE＝Eq＝Udq⑥
空气阻力Ff′＝kv0⑦
将⑥⑦式代入⑤式得
Udq＝π6D3ρg＋kv0⑧
由④⑧两式得
Udq＝π3D3ρg
解得q＝＝4.8×10－19C
【思维提升】本题考查了带电粒子在平行板电容器间的运动，属于力学问题.处理方法是：受力分析后利用平衡条件求解.
【拓展2】如图所示，A，B为平行金属板，两板相距为d，分别与电源两极相连，两板中央各有一小孔M、N，今有一带电质点，自A板上方相距为d的P点由静止自由下落(P、M、N三点在同一竖直线上)，空气阻力不计，到达N点的速度恰好为零，然后按原路径返回，若保持两板间的电压不变，则(AD)
A.若把A板向上平移一小段距离，质点自P点下落仍能返回
B.若把B板向下平移一小段距离，质点自P点下落仍能返回
C.若把A板向上平移一小段距离，质点自P点下落后将穿过N孔继续下落
D.若把B板向下平移一小段距离，质点自P点下落后将穿过N孔继续下落
【解析】当开关S一直闭合时，A、B两板之间的电压保持不变，当带电质点从M向N运动时，要克服电场力做功，W＝qUAB，由题设条件知：质点由P到N的运动过程中，重力做的功与物体克服电场力做的功相等，即mg2d－qUAB＝0.A、C选项中，因UAB保持不变，上述等式仍成立，故沿原路返回；B、D选项中，因B板下移一段距离，保持UAB不变，而重力做功增加，所以它将一直下落.综上所述，正确选项为A和D.
3.电容器在直流电路中的处理方法
【例3】如图所示，电源电压恒为10V，R1＝4Ω，R2＝6Ω，C＝30μF，求：
(1)闭合开关S，电路稳定后通过R1的电流；
(2)电流稳定后，断开开关S，求通过R1的带电量.
【解析】(1)以U0表示电源电压，则S闭合，电路稳定时电路中的电流强度为
I＝＝104＋6A＝1A
(2)由欧姆定律得R2两端电压U2为
U2＝IR2＝1×6V＝6V，此时电容两端电压也为U2，则其带电量Q＝CU2，Q＝30×10－6×6C＝1.8×10－4C
断开S后，电容器两端电压为U0，其带电量则变为Q′＝CU0＝30×10－6×10C＝3.0×10－4C
故得S断开后通过R1的总电量为
ΔQ＝Q′－Q＝3.0×10－4C－1.8×10－4C
即ΔQ＝1.2×10－4C
【思维提升】电路稳定后，由于电容器所在支路无电流通过，因此与电容器串联的电阻上无电压，当电容器和电阻并联后接入电路时，电容器两端的电压与其并联电阻两端电压相等，电路中的电流电压变化时，会引起充放电.
【拓展3】一平行板电容器C，极板是水平放置的，它与三个可变电阻及电源连接如图电路，有一个质量为m的带电油滴悬浮在电容器的两极板之间，静止不动.现要使油滴上升，可采用的办法是(CD)
A.增大R1B.增大R2C.增大R3D.减小R2
易错门诊
4.理解导体静电平衡的特点
【例4】如图，当带正电的绝缘空腔导体A的内部通过导线与验电器的小球B连接时，验电器的指针是否带电？
【错解】因为静电平衡时，净电荷只分布在空腔导体的外表面，内部无电荷，所以，导体A内部通过导线与验电器小球连接时，验电器不带电.
【错因】关键是对“导体的外表面”含义不清，结构变化将要引起“外表面”的变化，这一点要分析清楚.
【正解】空腔导体A的内部通过导线与验电器的小球B连接后，A、B两者便构成了一个整体.验电器的金箔成了导体的外表面的一部分，改变了原来导体结构，净电荷要重新分布，即电荷分布于新的导体的外表面，因而金箔将带电.
【思维提升】“内表面”与“外表面”是相对(整体)而言的，要具体情况具体分析，如本题中平衡后空腔内的小球仍不带电，只是空腔表面的电荷通过小球移动到了金箔外表面上.

高考物理第一轮总复习电场能的性质教案31

电场能的性质(电势)
一、电势差U（是指两点间的）
①定义：电场中两点间移动检验电荷q（从A→B），电场力做的功WAB跟其电量q的比值叫做这两点间的电势差，UAB=WAB/q是标量．UAB的正负只表示两点电势谁高谁低。UAB为正表示A点的电势高于B点的电势。
②数值上=单位正电荷从A→B过程中电场力所做的功。
③等于A、B的电势之差,即UAB=φA－φB
④在匀强电场中UAB=EdE(dE表示沿电场方向上的距离)
意义：反映电场本身性质，取决于电场两点，与移动的电荷无关，与零电势的选取无关，
电势差对应静电力做功，电能其它形式的能。
电动势对应非静电力做功电能其它形式的能
点评：电势差很类似于重力场中的高度差．物体从重力场中的一点移到另一点，重力做的功跟其重量的比值叫做这两点的高度差h＝W/G．
二、电势（是指某点的）描述电场能性质的物理量。
必须先选一个零势点，（具有相对性）相对零势点而言，常选无穷远或大地作为零电势。
正点电荷产生的电场中各点的电势为正，负点电荷产生的电场中各点的电势为负。
①定义：某点相对零电势的电势差叫做该点的电势，是标量．
②在数值上=单位正电荷由该点移到零电势点时电场力所做的功.
特点：
⑴标量：有正负，无方向，只表示相对零势点比较的结果。
⑵电场中某点的电势由电场本身因素决定，与检验电荷无关。与零势点的选取有关。
⑶沿电场线方向电势降低，逆。。。。。。（但场强不一定减小）。沿E方向电势降得最快。
⑷当存在几个场源时，某处合电场的电势等于各个场源在此处产生电势代数和的叠加。
电势高低的判断方法：1根据电场线的方向判断；2电场力做功判断；3电势能变化判断。
点评：类似于重力场中的高度．某点相对参考面的高度差为该点的高度．
注意：(1)高度是相对的．与参考面的选取有关，而高度差是绝对的与参考面的选取无关．同样电势是相对的与零电势的选取有关，而电势差是绝对的，与零电势的选取无关．
(2)一般选取无限远处或大地的电势为零．当零电势选定以后，电场中各点的电势为定值．
(3)电场中A、B两点的电势差等于A、B的电势之差,即UAB=φA－φB,沿电场线方向电势降低.
三、电势能E
1概念：由电荷及电荷在电场中的相对位置决定的能量，叫电荷的电势能。
电势能具有相对性，与零参考点的选取有关(通常选地面或∞远为电势能零点)
特别指出：电势能实际应用不大，常实际应用的是电势能的变化。
电荷在电场中某点的电势能=把电荷从此点移到电势能零处电场力所做的功。E=qφA→0
四、电场力做功与电势能
1．电势能：电场中电荷具有的势能称为该电荷的电势能．电势能是电荷与所在电场所共有的。
2．电势能的变化：电场力做正功电势能减少；电场力做负功电势能增加．
重力势能变化：重力做正功重力势能减少；重力做负功重力势能增加．
3.电场力做功：由电荷的正负和移动的方向去判断(4种情况)功的正负电势能的变化（重点和难点知识）
正、负电荷沿电场方向和逆电场方向的4种情况。（上课时一定要搞清楚的，否则对以后的学习带来困难）
电场力做功过程就是电势能与其它形式能转化的过程（电势差），做功的数值就是能量转化的多少。
W=FSCOS(匀强电场)W=qEd(d为沿场强方向上的距离)
W=qU=-△Ep，U为电势差，q为电量．
重力做功：W＝Gh，h为高度差，G为重量．
电场力做功跟路径无关，是由初末位置的电势差与电量决定
重力做功跟路径无关，是由初末位置的高度差与重量决定．

四、等势面、线、体
1．电场中电势相等的点所组成的面为等势面．
2．特点
(1)各点电势相等，等势面上任意两点间的电势差为零，
在特势面上移动电荷(不论方式如何,只要起终点在同一等势面上)电场力不做功
电场力做功为零，路径不一定沿等势面运动，但起点、终点一定在同一等势面上。
(2)画法规定：相领等势面间的电势差相等等差等势面的蔬密可表示电场的强弱．
(3)处于静电平衡状态的导体：整个导体是一个等势体，其表面为等势面．E内=0，任两点间UAB=0
越靠近导体表面等势面越密，形状越与导体形状相似，等势面越密电场强度越大，曲率半径越小(越尖)的地方，等势面(电场线)都越密,这就可解释尖端放电现象，如避雷针。
(4)匀强电场，电势差相等的等势面间距离相等，点电荷形成的电场，电势差相等的等势面间距不相等，越向外距离越大．
(5)等势面上各点的电势相等但电场强度不一定相等．
(6)电场线⊥等势面，且由电势高的面指向电势低的面，没电场线方向电势降低。
(7)两个等势面永不相交．
规律方法1、一组概念的理解与应用
电势、电势能、电场强度都是用来描述电场性质的物理，，它们之间有十分密切的联系，但也有很大区别，解题中一定注意区分，现列表进行比较
（1）电势与电势能比较：
电势φ电势能ε
1反映电场能的性质的物理量荷在电场中某点时所具有的电势能
2电场中某一点的电势φ的大小，只跟电场本身有关，跟点电荷无关电势能的大小是由点电荷q和该点电势φ共同决定的
3电势差却是指电场中两点间的电势之差，ΔU=φA－φB，取φB=0时，φA=ΔU电势能差Δε是指点电荷在电场中两点间的电势能之差Δε=εA－εB=W，取εB=0时，εA=Δε
4电势沿电场线逐渐降低，取定零电势点后，某点的电势高于零者，为正值．某点的电势低于零者，为负值正点荷（十q）：电势能的正负跟电势的正负相同
负电荷（一q）：电势能的正负限电势的正负相反
5单位：伏特单位：焦耳
6联系：ε=qφ，w=Δε=qΔU

（2）电场强度与电势的对比
电场强度E电势φ
1描述电场的力的性质描述电场的能的性质
2电场中某点的场强等于放在该点的正点电荷所受的电场力F跟正点电荷电荷量q的比值E=F/q，E在数值上等于单位正电荷所受的电场力电场中某点的电势等于该点跟选定的标准位置（零电势点）间的电势差，φ=ε/q，φ在数值上等于单位正电荷所具有的电势能
3矢量标量
4单位：N/C;V/mV（1V=1J/C）
5联系：①在匀强电场中UAB=Ed(d为A、B间沿电场线方向的距离）．②电势沿着电场强度的方向降落
2、公式E=U/d的理解与应用
(1)公式E=U/d反映了电场强度与电势差之间的关系，由公式可知，电场强度的方向就是电势降低最快的方向．
(2)公式E=U/d只适用于匀强电场，且d表示沿电场线方向两点间的距离，或两点所在等势面的范离．
(3)对非匀强电场，此公式也可用来定性分析，但非匀强电场中，各相邻等势面的电势差为一定值时，那么E越大处，d越小，即等势面越密．
3、电场力做功与能量的变化应用
电场力做功，可与牛顿第二定律，功和能等相综合，解题的思路和步骤与力学中的完全相同，但要注意电场力做功的特点——与路径无关

高考物理第一轮导学案复习:电场

20xx届高三物理一轮复习导学案
七、电场（3）

【课题】带电粒子在电场中的直线运动
【导学目标】
1、会分析带电粒子在电场中直线运动的有关规律
2、掌握带电粒子在电场中直线运动问题的分析方法
【导入】
一.平行板电容器的两种典型情况的讨论：
1.若两板始终跟电源连接——U保持不变
a.d增大，C将减小，Q将减小，E将减小
b.S增大，C将增大，Q将增大，E将保持不变。
c.插入介质ε，C将增大，Q将增大，E将保持不变。
d.插入一定厚度的导体板，相当于d减小，C将增大，Q将增大，E将增大。
2.若充电后与电源断开——Q保持不变
a.d增大，C将减小，U将增大，E将保持不变
b.S增大，C将增大，U将减小，E将减小。
c.插入介质ε，C将增大，U将减小，E将减小。
d.插入一定厚度的导体板，相当于d减小，C将增大，U将减小，E将保持不变。

二．带电粒子在电场的直线运动
1．运动状态分析：带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场，受到的电场力与___________在同一直线上，做_________________运动．
2．用功能观点分析：粒子只受电场力作用，动能变化量等于电场力做的功．即：_____________（初速度为零时）；____________（初速度不为零时）．
注意：以上公式适用于一切电场（包括匀强电场和非匀强电场）
【典型剖析】
[例1]（09年福建卷）15.如图所示，平行板电容器与电动势为E的直流电源（内阻不计）连接，下极板接地。一带电油滴位于容器中的P点且恰好处于平衡状态。现将平行板电容器的上极板竖直向上移动一小段距离（）
A.带点油滴将沿竖直方向向上运动
B.P点的电势将降低
C.带点油滴的电势能将减少
D.若电容器的电容减小，则极板带电量将增大

[例2]（南通市2009届高三第一次调研测试）4．如图所示，水平放置的平行板电容器与一直流电源相连，在两板中央有一带电液滴处于静止状态．现通过瞬间平移和缓慢平移两种方法将A板移到图中虚线位置．下列说法中正确的是（）
A．上述两种方法中，液滴都向B板做匀加速直线运动
B．采用瞬间平移的方法，液滴运动到B板经历的时间短
C．采用缓慢平移的方法，液滴运动到B板时速度大
D．采用缓慢平移的方法，液滴运动到B板过程中电场力做功多

[例3]A、B两导体板平行放置，在t＝0时将电子从A板附近由静止释放．则在A、B板间加上下列哪个图所示的电压时，有可能使电子到不了B板()

[例4]（四川省内江市20xx届高三二模模拟）如图所示，A、B均为半个绝缘正方体，质量均为m，在A、B内部各嵌入一个带电小球，A带电量为+q，B带电量为－q，且两个小球的球心连线垂直于AB接触面。A、B最初靠在竖直的粗糙墙上。空间有水平向右的匀强电场，场强大小为E，重力加速度为g。现将A、B无初速度释放，下落过程中始终相对静止，忽略空气阻力，则下列说法中正确的是（）
A．两物块下落的加速度大小均为g
B．两物块下落的加速度大小应小于g
C．A、B之间接触面上的弹力为零
D．B受到A的摩擦力作用，方向沿接触面向上

[例5]（江苏省盐城、泰州联考20xx届高三学情调研）如图所示，空间有竖直向下的匀强电场，电场强度为，在电场中处由静止下落一质量为、带电量为的小球(可视为质点)。在的正下方处有一水平弹性绝缘挡板(挡板不影响电场的分布)，小球每次与挡板相碰后电量减小到碰前的倍()，而碰撞过程中小球的机械能不损失，即碰撞前后小球的速度大小不变，方向相反。设在匀强电场中，挡板处的电势为零，则下列说法正确的是()
A．小球在初始位置处的电势能为
B．小球第一次与挡板相碰后所能达到的最大高度大于
C．小球第一次与挡板相碰后所能达到最大高度时的电势能小于
D．小球第一次与挡板相碰后所能达到的最大高度小于

[例6]（09年浙江卷）如图所示，相距为d的平行金属板A、B竖直放置，在两板之间水平放置一绝缘平板。有一质量m、电荷量q（q0）的小物块在与金属板A相距l处静止。若某一时刻在金属板A、B间加一电压UAB=-，小物块与金属板只发生了一次碰撞，碰撞后电荷量变为-q/2，并以与碰前大小相等的速度反方向弹回。已知小物块与绝缘平板间的动摩擦因素为μ，若不计小物块电荷量对电场的影响和碰撞时间。则
（1）小物块与金属板A碰撞前瞬间的速度大小是多少？
（2）小物块碰撞后经过多长时间停止运动？停在何位置？

【训练设计】
1、（南通市2009届高三年级统考）如图甲所示，一个带正电的物体m,由静止开始从斜面上A点滑下,滑到水平面BC上的D点停下来,已知物体与斜面及水平面之间的动摩擦因数相同，不计物体经过B处时的机械能损失。现在ABC所在空间加上竖直向下的匀强电场，再次让物体m由A点静止开始下滑，结果物体在水平面上的D，点停下来，如图乙所示，则一下说法正确的是（）
A．D，点一定在D点左侧
B．D，点一定在D点右侧
C．D，点一定在D点重合
D．无法确定
2、如图所示，D是一只理想二极管，电流只能从a流向b，而不能从b流向a．平行板电容器的A、B两极板间有一电荷，在P点处于静止状态．以Ｅ表示两极板间的电场强度，Ｕ表示两极板间的电压，Ｅp表示电荷在P点的电势能．若保持极板B不动，将极板A稍向上平移，则下列说法中正确的是（）
A．E变小B．U变大
C．Ｅp不变D．电荷仍保持静止

3、如图所示，可视为质点的三物块A、B、C放在倾角为30、长为L＝2m的固定斜面上，物块与斜面间的动摩擦因数＝73/80，A与B紧靠在一起，C紧靠在固定挡板上，三物块的质量分别为mA＝0.80kg、mB＝0.64kg、mC＝0.50kg，其中A不带电，B、C的带电量分别为qB＝＋4.010－5C、qC＝＋2.010－5C且保持不变，开始时三个物块均能保持静止且与斜硕间均无摩擦力作用。如果选定两个电荷相距无穷远的电势能为零，则相距为r时，两点电荷具有的电势能可表示为EP＝kq1q2r。现给A施加一平行于斜面向上的力F，使A在斜面上做加速度为a＝1.5m/s2的匀加速直线运动，经过时间t0、力F变为恒力，当A运动到斜面顶端时撤去力F，已知静电力常量k＝9109Nm2/C2，g＝10m/s2，试求：
（1）未施加力F时物块B、C间的距离；
（2）t0时间内A上滑的距离；
（3）t0时间内库仑力做的功；
（4）力F对A物块做的总功。

如图所示，在光滑绝缘水平面上，两个带等量正电的点电荷
M、N，分别固定在A、B两点，O为AB连线的中点，CD为AB的垂直平分线.在CO之间的F点由静止释放一个带负电的小球P（设不改变原来的电场分布），在以后的一段时间内，P在CD连线上做往复运动.则（BCD）
A.小球P的带电量缓慢减小，则它往复运动过程中振幅不断减小
B.小球P的带电量缓慢减小，则它往复运动过程中每次经过O点时的速率不断减小
C.点电荷M、N的带电量同时等量地缓慢增大，则小球P往复运动过程中周期不断减小
D.点电荷M、N的带电量同时等量地缓慢增大，则小球P往复运动过程中振幅不断减小

浙江省金华一中20xx届高三12月联考如图所示，一竖直固定且光滑绝缘的直圆筒底部放置一可视为点电荷的场源电荷A，其电荷量Q=+4×10—3C，场源电荷A形成的电场中各点的电势表达式为，其中为静电力恒量，为空间某点到场源电荷A的距离。现有一个质量为kg的带正电的小球B，它与A球间的距离为m，此时小球B处于平衡状态，且小球B在场源电荷A形成的电场中具有的电势能的表达式为，其中为与之间的距离。另一质量为的不带电绝缘小球C从距离B的上方H=0.8m处自由下落，落在小球B上立刻与小球B粘在一起以2m/s的速度向下运动，它们到达最低点后又向上运动，向上运动到达的最高点为P。（取g=10m/s2，k=9×109Nm2/C2），求
（1）小球C与小球B碰撞前的速度的大小？小球B的带电量为多少？
（2）小球C与小球B一起向下运动的过程中，最大速度为多少？
解：（1）小球C自由下落H距离的速度：4m/s2分
小球B在碰撞前处于平衡状态，对B球由平衡条件知：1分
代入数据得：C1分
（2）设当B合C向下运动的速度最大时，与A相距x，对B和C整体，由平衡条件得：
2分
代入数据得：1分
由能量守恒得：2分
代入数据得m/s1分

上海市六校20xx届高三第一次联考在光滑绝缘的水平面上，用长为2L的绝缘轻杆连接两个质量均为m的带电小球A和B。A球的带电量为+2q，B球的带电量为-3q，组成一带电系统，如图所示，虚线MP为AB两球连线的垂直平分线，虚线NQ与MP平行且相距5L。最初A和B分别静止于虚线MP的两侧，距MP的距离均为L，且A球距虚线NQ的距离为4L。若视小球为质点，不计轻杆的质量，在虚线MP，NQ间加上水平向右的匀强电场E后，试求：
（1）B球刚进入电场时，带电系统的速度大小；
（2）带电系统向右运动的最大距离；
（3）带电系统从开始运动到速度第一次为零时，B球电势能的变化量。
解析：（1）设带电系统开始运动时，系统的速度为v1
对A、B系统应用动能定理2qEL=122mv12则v1=2qELm（4分）
（2）设球A向右运动s时，系统速度为零
由动能定理A球电场力做功等于B球克服电场力做功
则2qEs=3qE(s-L)，则s=3L（4分）
（3）B球进入电场距离为2L，B球克服电场力做功WFB=6qEL
则B球电势能增加了6qEL（4分）

（湖南省雅礼中学20xx届高三上学期第五次月考）在真空中上、下两个区域均为竖直向下的匀强电场，其电场线分布如图所示，有一带负电的微粒，从上边区域沿平行电场线方向以速度v0匀速下落，并进入下边区域（该区域的电场足够广），在下图所示的速度一时间图象中，符合粒子在电场内运动情况的是()

高考物理第一轮总复习教案032

第32讲动量守恒定律及其应用

教学目标
1.掌握冲量、动量、动量定理、动量守恒定律及其应用
2.理解弹性碰撞和非弹性碰撞，并会计算相关问题
重点：动量定理与动量守恒定律的应用
难点：动量守恒定律
知识梳理
一、基本概念比较
1.冲量与功的比较
(1)定义式冲量的定义式：I＝Ft(作用力在时间上的积累效果)功的定义式：W＝Fscosθ(作用力在空间上的积累效果)
(2)属性冲量是矢量，既有大小又有方向(求合冲量应按矢,量合成法则来计算)功是标量，只有大小没有方向(求物体所受外力的,总功只需按代数和计算)
2.动量与动能的比较
(1)定义式动量的定义式：p＝mv动能的定义式：Ek＝12mv2
(2)属性动量是矢量(动量的变化也是矢量,求动量的变化,应按矢量运算法则来计算)动能是标量(动能的变化也是标量,求动能的变化,只需按代数运算法则来计算)
(3)动量与动能量值间的关系p＝2mEkEk＝p22m＝12pv
(4)动量和动能都是描述物体状态的量，都有相对性(相对所选择的参考系)，都与物体的受力情况无关．动量的变化和动能的变化都是过程量，都是针对某段时间而言的．
3.动量定理
（1）动量定理的基本形式与表达式：I＝Δp．
分方向的表达式：Ix合＝Δpx，Iy合＝Δpy．
（2）动量定理推论：动量的变化率等于物体所受的合外力，即ΔpΔt＝F合．

二、动量守恒定律
1.动量守恒定律的内容
一个系统不受外力或者受外力之和为零，这个系统的总动量保持不变。
即：守恒是指整个过程任意时刻相等（时时相等,类比匀速）定律适用于宏观和微观高速和低速
2.动量守恒定律的表达形式
（1），即p1+p2=p1/+p2/，
（2）Δp1+Δp2=0，Δp1=-Δp2
3.理解：（1）正方向（2）同参同系（3）微观和宏观都适用

4.动量守恒定律的适用条件
（1）标准条件：系统不受外力或系统所受外力之和为零．
（2）近似条件：系统所受外力之和虽不为零，但比系统的内力小得多(如碰撞问题中的摩擦力、爆炸问题中的重力等外力与相互作用的内力相比小得多)，可以忽略不计．
（3）分量条件：系统所受外力之和虽不为零，但在某个方向上的分量为零，则在该方向上系统总动量的分量保持不变．
5.使用动量守恒定律时应注意：
（1）速度的瞬时性；
（2）动量的矢量性；
（3）时间的同一性．
6.应用动量守恒定律解决问题的基本思路和方法
（1）分析题意，明确研究对象．在分析相互作用的物体总动量是否守恒时，通常把这些被研究的物体统称为系统．对于比较复杂的物理过程，要采用程序法对全过程进行分段分析，要明确在哪些阶段中，哪些物体发生相互作用，从而确定所研究的系统是由哪些物体组成的．
（2）对各阶段所选系统内的物体进行受力分析，弄清哪些是系统内部物体之间相互作用的内力，哪些是作用于系统的外力．在受力分析的基础上根据动量守恒定律的条件，判断能否应用动量守恒定律．
（3）明确所研究的相互作用过程，确定过程的始末状态，即系统内各个物体的初动量和末动量的值或表达式．(注意：在研究地面上物体间相互作用的过程时，各物体运动的速度均应取地球为参考系)
（4）确定正方向，建立动量守恒方程求解．

三、碰撞
两个物体在极短时间内发生相互作用，这种情况称为碰撞。由于作用时间极短，一般都满足内力远大于外力，所以可以认为系统的动量守恒。碰撞又分弹性碰撞、非弹性碰撞、完全非弹性碰撞三种。
1.弹性碰撞：碰撞过程中不但系统的总动量守恒，而且碰撞前后动能也守恒。一般地两个硬质小球的碰撞，都很接近弹性碰撞。
如两个物体弹性正碰，碰前速度分别为v1、v2，碰后速度分别为v1′、v2′，则有：
；可以解得碰后速度。

2.非弹性碰撞：碰撞过程中只有动量守恒，动能并不守恒。
3.完全非弹性碰撞：两个物体碰撞后粘在一起。
4.碰撞过程的三个基本原则
（1）动量守恒。
（2）动能不增加。
（3）碰撞后各物体运动状态的合理性。

四、反冲、爆炸现象
反冲指在系统内力作用下，系统内一部分物体向某方向发生动量变化时，系统内其余部分物体向相反的方向发生动量变化的现象。喷气式飞机、火箭等都是利用反冲运动的实例。在反冲现象里，系统的动量是守恒的。内力远大于外力，过程持续时间很短，即使系统所受合外力不为零，但合外力的冲量很小，可以忽略不计，可认为动量守恒。
爆炸过程中虽然动量守恒，但由于其他形式的能转化为机械能，所以爆炸前后机械能并不守恒，其动能要增加。

题型讲解
1.动量定理的应用问题
如图所示，一个下面装有轮子的贮气瓶停放在光滑的水平地面上，瓶的底端与竖直墙壁接触．现打开右端阀门，气体向外喷出，设喷口的面积为S，气体的密度为ρ，气体向外喷出的速度为v，则气体刚喷出时贮气瓶底端对竖直墙壁的作用力大小是()
A．ρvSB．ρv2SC．12ρv2SD．ρv2S
【解析】Δt时间内喷出气体的质量Δm＝ρSvΔt
对于贮气瓶、瓶内气体及喷出的气体所组成的系统，由动量定理得：
FΔt＝Δmv－0
解得：F＝ρv2S．
【答案】D
点评：动量定理对多个物体组成的系统也成立，而动能定理对于多个物体组成的系统不适用．

2.动量定理对生活中一些现象的解释
玻璃杯同一高度下落下，掉在水泥地上比掉在草地上容易碎，这是由于玻璃杯与水泥地撞击的过程中
A.玻璃杯的动量较大B.玻璃杯受到的冲量较大
C.玻璃杯的动量变化较大D.玻璃杯的动量变化较快
【解析】玻璃杯从相同的高度落下，落地时的速度大小是相同的，经过与地面撞击，最后速度都变为零，所以无论是落在水泥地上还是落在草地上，玻璃杯动量的变化是相同的，由动量定理可知，两种情况下玻璃杯受到的合外力的冲量也是相同的，所以选项A、B和C都是错误的；但由于掉在水泥地上时，作用的时间较短，所以玻璃杯受到的合外力的冲力较大，若把动量定理的表达式写成，就可以得出玻璃杯易碎的原因是“玻璃杯的动量变化较快”，所以选项D是正确的。
点评：本题利用动量定理解释了一个生活中很常见的例子，解决问题的关键在于抓住了两种情况中“动量变化相等”，而“作用时间不等”这两个特点。类似的现象还有很多，如跳高时落在海绵垫上，跳远时落在沙坑里，船靠码头时靠在车胎上，电器包装在泡沫塑料垫上，人从高处跳下时先用脚尖着地等等，道理都是如此。

3.求变力的冲量
如图所示，长为的轻绳的一端固定在点，另一端系一质量为的小球，将小球从点正下方处以一定的初速度水平向右抛出，经一定时间的运动轻绳被拉直，以后小球将以点为圆心在竖直平面内摆动。已知轻绳刚被拉直时绳与竖直方向成角，试求
⑴小球被水平抛出时的初速度；
⑵在轻绳被拉直的瞬间，圆心点受到的冲量。
【解析】⑴设经过时间轻绳被拉直，则由平抛运动的规律可得
解以上两式，得
，
⑵轻绳刚被拉直的瞬间，小球的瞬时速度为
设速度与竖直方向的夹角为，则
所以
显然，这与轻绳和竖直方向的夹角是相同的，则小球该时刻的动量为
设轻绳被拉直的方向为正方向，则由动量定理得
故，圆心点受到的冲量大小为，方向沿轻绳斜向下。
点评：本题涉及了平抛运动和动量定理两部分的知识，特别是第⑵问求解圆心点受到的冲量大小时，由于轻绳张力是变力，况且大小也不知道，无法用直接求解，所以根据动量定理用物体动量的变化量等效代替变力的冲量是非常方便的。

4.流体问题
一艘帆船在静水中由于风力的推动而做匀速直线运动，帆面的面积为，风速为，船速为（＜），空气密度为，帆船在匀速前进的过程中帆面所受到的平均风力大小为多少？
【解析】依题意画出示意图如图所示，以帆船为参考系，从帆面开始逆着风的方向取长度为的一段空气柱为研究对象，这部分空气的质量为
这部分空气经过时间后，相对于帆面速度都变为，设帆船前进的方向为正方向，对这部分空气柱则由动量定理得
式中的为帆面对空气柱的平均作用力大小，由牛顿第三定律可知，帆面所受到的平均风力大小为[来
点评：对于象气体、液体这种没有形状和大小的流体而言，解决的方法就是根据题意取出与一段时间相对应的一定长度的这种物体，即，想办法“找出”形状和大小，求出其质量，然后根据其动量变化，利用动量定理列出方程进行求解。

5.动量守恒定律的判断
把一支枪水平固定在小车上，小车放在光滑的水平地面上，枪发射出子弹时，关于枪、子弹和小车的下列说法中正确的是
.枪和子弹组成的系统动量守恒
.枪和小车组成的系统动量守恒
.只有在忽略子弹和枪筒之间的摩擦的情况下，枪、子弹和小车组成的系统动量才近似守恒
.枪、子弹和小车组成的系统动量守恒
【解析】对于枪和子弹自成的系统，在发射子弹时由于枪水平方向上受到小车对它的作用力，所以动量是不守恒的，选项错；同理，对于枪和小车所组成的系统，在发射子弹的瞬间，枪受到火药对它的推力作用，因此动量也是不守恒的，选项错；对于枪、子弹和小车组成的系统而言，火药爆炸产生的推力以及子弹和枪筒之间的摩擦力都是系统的内力，没有外力作用在系统上，所以这三者组成的系统动量是守恒的，选项错，正确。
【答案】
点评：判断动量是否守恒，首先要看清系统是由哪些物体所组成的，然后再根据动量守恒的条件进行判断(具备下列条件之一即可)：
①系统不受外力；
②系统受外力，但外力的合力为零；
③系统在某一方向上不受外力或合外力为零；
④系统所受的外力远小于内力或某一方向上外力远小于内力。
满足前三条中的任何一个条件，系统的动量都是守恒的，满足第四个条件时系统的动量是近似守恒。动量守恒是自然界普遍适用的基本规律之一，它既适用于宏观、低速的物体，也适用于微观、高速的物体。

6.人、船模型
一质量为、底边长为的三角形斜劈静止于光滑的水平桌面上，如图所示。有一质量为的小球由斜劈的顶部无初速滑到底部，试求斜劈发生的位移为多大？
【解析】小球和斜劈组成的系统在整个的运动过程中都不受水平方向的外力作用，所以水平方向上系统的平均动量守恒。
设在小球由斜劈顶部滑到底部的过程中，斜劈发生的位移大小为，画出示意图如图所示，并规定斜劈的运动方向为正，则由动量守恒定律得
解得
点评：①小球和斜劈所组成的系统水平方向上是平均动量守恒，这是对全过程来说的，其实任意时刻水平方向上的总动量等于零。
②对这样的人、船模型，如果设全过程中两者对地位移大小分别为和，则根据上题中的分析结果，可得到下面的等式
这样，就把原来动量守恒定律表达式中物体质量与速度的关系转化成了物体质量与对地位移的关系，求解位移时就可以直接利用这个结论。但要注意这个表达式适用的条件是相互作用的这两个物体原来都静止。

7.子弹打木块类问题
设质量为m的子弹以初速度v0射向静止在光滑水平面上的质量为M的木块，并留在木块中不再射出，子弹钻入木块深度为d。求木块对子弹的平均阻力的大小和该过程中木块前进的距离。
【解析】子弹和木块最后共同运动，相当于完全非弹性碰撞。
从动量的角度看，子弹射入木块过程中系统动量守恒：
从能量的角度看，该过程系统损失的动能全部转化为系统的内能。设平均阻力大小为f，设子弹、木块的位移大小分别为s1、s2，如图所示，显然有s1-s2=d
对子弹用动能定理：……①
对木块用动能定理：……②
①、②相减得：……③
点评：这个式子的物理意义是：fd恰好等于系统动能的损失；根据能量守恒定律，系统动能的损失应该等于系统内能的增加；可见，即两物体由于相对运动而摩擦产生的热（机械能转化为内能），等于摩擦力大小与两物体相对滑动的路程的乘积（由于摩擦力是耗散力，摩擦生热跟路径有关，所以这里应该用路程，而不是用位移）。
由上式不难求得平均阻力的大小：
至于木块前进的距离s2，可以由以上②、③相比得出：
从牛顿运动定律和运动学公式出发，也可以得出同样的结论。由于子弹和木块都在恒力作用下做匀变速运动，位移与平均速度成正比：
[学科
一般情况下，所以s2d。这说明，在子弹射入木块过程中，木块的位移很小，可以忽略不计。这就为分阶段处理问题提供了依据。象这种运动物体与静止物体相互作用，动量守恒，最后共同运动的类型，全过程动能的损失量可用公式：…④
当子弹速度很大时，可能射穿木块，这时末状态子弹和木块的速度大小不再相等，但穿透过程中系统动量仍然守恒，系统动能损失仍然是ΔEK=fd（这里的d为木块的厚度），但由于末状态子弹和木块速度不相等，所以不能再用④式计算ΔEK的大小。

8.反冲问题
总质量为M的火箭模型从飞机上释放时的速度为v0，速度方向水平。火箭向后以相对于地面的速率u喷出质量为m的燃气后，火箭本身的速度变为多大？
【解析】火箭喷出燃气前后系统动量守恒。喷出燃气后火箭剩余质量变为M-m，以v0方向为正方向，

9.爆炸问题
抛出的手雷在最高点时水平速度为10m/s，这时突然炸成两块，其中大块质量300g仍按原方向飞行，其速度测得为50m/s，另一小块质量为200g，求它的速度的大小和方向。
分析：手雷在空中爆炸时所受合外力应是它受到的重力G=(m1+m2)g，可见系统的动量并不守恒。但在爆炸瞬间，内力远大于外力时，外力可以不计，系统动量近似守恒。
设手雷原飞行方向为正方向，则整体初速度；m1=0.3kg的大块速度为m/s、m2=0.2kg的小块速度为，方向不清，暂设为正方向。
由动量守恒定律：
m/s

第33讲实验：验证动量守恒定律

教学目标
理解实验原理及操作注意事项，理解用测量水平位移代替测量水平速度的原理.
重点：掌握实验原理及注意事项
难点：掌握用测量水平位移代替测量水平速度的原理
知识梳理
实验：验证动量守恒定律
1.实验目的：验证动量守恒定律．
2.实验原理
（1）质量分别为的两小球发生正碰，若碰前运动，静止，根据动量守恒定律应有：
（2）若能测出及代入上式，就可验证碰撞中动量是否守恒．
（3）用天平测出，用小球碰撞前后运动的水平距离代替．(让各小球在同一高度做平抛运动．其水平速度等于水平位移和运动时间的比，而各小球运动时间相同，则它们的水平位移之比等于它们的水平速度之比)则动量守恒时有：．
3.实验器材
重锤线一条，大小相等、质量不同的小球两个，斜槽，白纸，复写纸，刻度尺，天平一台(附砝码)，圆规一个．
4.实验步骤
（1）先用天平测出小球质量．
（2）按要求安装好实验装置，将斜槽固定在桌边，使槽的末端点切线水平，把被碰小球放在斜槽前边的小支柱上，调节实验装置使两小球碰撞时处于同一水平高度，确保碰后的速度方向水平．
（3）在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸．
（4）在白纸上记下重垂线所指的位置O，它表示入射小球碰前的球心位置．
（5）先不放被碰小球，让入射小球从斜槽上同一高度处滚下，重复10次，用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面，圆心就是入射小球不碰时的落地点平均位置P．
（6）把被碰小球放在小支柱上，让入射小球从同一高度滚下，使它们发生正碰，重复10次，仿步骤(5)求出入射小球落点的平均位置M和被碰小球落点的平均位置N．
（7）过O、N在纸上作一直线，取OO′＝2r，O′就是被碰小球碰撞时的球心竖直投影位置．
（8）用刻度尺量出线段OM、OP、O′N的长度，把两小球的质量和相应的水平位移数值代入看是否成立．
（9）整理实验器材放回原处．
5.注意事项
（1）斜槽末端必须水平．
（2）调节小支柱高度使入射小球和被碰小球球心处于同一高度；调节小支柱与槽口间距离使其等于小球直径．
（3）入射小球每次都必须从斜槽上同一高度滚下．
（4）白纸铺好后不能移动．
（5）入射小球的质量应大于被碰小球的质量，且．
题型讲解
1.实验原理
应用以下两图中的装置都可以验证动量守恒定律，试比较两个装置的异同点．
【解析】如图甲乙都可以验证动量守恒定律，但乙图去掉支柱，所以有异同点如下：
共同点：入射球每次都必须从斜槽上同一位置由静止开始滚下以保证小球在碰撞前速度相等；被碰小球的质量必须小于入射小球的质量，以保证它们碰撞后都向前做平抛运动；用直尺测水平位移；天平测质量；在实验过程中，实验桌、斜槽、记录的白纸的位置要始终保持不变，式中相同的量要取相同的单位．
区别点：图甲中入射小球飞出的水平距离应从斜槽的末端点在纸上的垂直投影点O算起(如图甲所示)而被碰小球飞出的水平距离应从它的球心在纸上垂直投影O′算起，所以要测小球的直径，验证的公式是

2.实验知识运用
某同学用实验图1所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来验证动量守恒定律．图中PQ是斜槽，QR为水平槽．实验时先使A球从斜槽上某—固定位置G由静止开始滚下，落到位于水平地面的记录纸上，留下痕迹．重复上述操作10次，得到10个落点痕迹．再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，让A球仍从位置G由静止开始滚下，和B球碰撞后，A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹．重复这种操作10次，实验图1中O点是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点．B球落点痕迹如实验图2所示，其中米尺水平放置，且平行于G、R、O所在的平面，米尺的零点与O点对齐．
(1)碰撞后B球的水平射程应取为__________cm．
(2)在以下选项中，哪些是本次实验必须进行的测量？答：________(填选项号)．
A．水平槽上未放B球时，测量A球落点位置到O点的距离
B．A球与B球碰撞后，测量A球落点位置到O点的距离
C．测量A球或B球的直径
D．测量A球和B球的质量(或两球质量之比)
E．测量G点相对水平槽面的高度

【解析】(1)将10个点圈在内的最小圆的圆心作为平均落点，可由刻度尺测得碰撞后B球的水平射程为64.7cm，因最后一位数字为估计值，所以允许误差±0.1cm，因此64.6cm和64.8cm也是正确的．
(2)由动量守恒定律①
如果，则同方向，均为正．
将式①×t，则得
从同一高度做平抛运动飞行时间t相同，所以需要测出的量有：为未碰A球的水平射程，为碰后A球的水平射程，为B球碰后的水平射程，的大小或的值．选项A，B，D是必要的．
点评：此题考查验证动量守恒定律实验中的测量方法和实验原理．重点是用最小圆法确定平均落点，实验要认真细心，不能马虎，否则(1)问很可能错为65cm．通常实验中是分别测出A、B的质量，此题出了点新意，变为两球质量之比；由动量守恒式来看，显然是可以的．

碰撞的恢复系数的定义为，其中v10和v20分别是碰撞前两物体的速度，v1和v2分别是碰撞后物体的速度．弹性碰撞的恢复系数e=1，非弹性碰撞的e1．某同学借用验证动力守恒定律的实验装置（如图所示）验证弹性碰撞的恢复系数是否为1，实验中使用半径相等的钢质小球1和2（它们之间的碰撞可近似视为弹性碰撞），且小球1的质量大于小球2的质量．
实验步骤如下：
安装好实验装置，做好测量前的准备，并记下重锤线所指的位置O．
第一步，不放小球2，让小球1从斜槽上A点由静止滚下，并落在地面上．重复多次，用尽可能小的圆把小球的所落点圈在里面，其圆心就是小球落点的平均位置．
第二步，把小球2放在斜槽前端边缘处C点，让小球1从A点由静止滚下，使它们碰撞．重复多次，并使用与第一步同样的方法分别标出碰撞后小球落点的平均位置．
第三步，用刻度尺分别测量三个落地点的平均位置离O点的距离，即线段OM、OP、ON的长度．
上述实验中，
①P点是平均位置，
M点是平均位置，
N点是平均位置
②请写出本实验的原理
写出用测量物理量表示的恢复系数的表达式．
③三个落地点距O点的距离OM、OP、ON与实验所用的小球质量是否有关系？
【解析】①在实验的第一步中小球1落点的；
小球1与小球2碰后小球1落点的；
小球2落点的
②小球从槽口C飞出后作平抛运动的时间相同，假设为t，则有，，，小球2碰撞前静止，即；
③OP与小球的质量无关，OM和ON与小的质量有关