電場、磁場易混易錯問題辨析
解析:由于圖中只畫出了一條電場線,無法判斷a、b、c各處電場線的相對疏密程度,故不能對各處場強大小做出判斷,也無法對相鄰兩點間的電勢差大小作出判斷;由于已知電場線方向,而沿電場線方向電勢逐漸降低,可以斷定a、b、c三點電勢逐漸降低。本題選A。
【易錯辨析】勻強電場中的電場線是直線,非勻強電場中(比如點電荷電場,等量正負點電荷電場中經(jīng)過兩電荷連線的電場線)也有直線電場線。若按勻強電場理解,將錯選CD;若按正點電荷電場理解,將錯B。
【點評】電場線的相對疏密程度代表場強的大小,沿電場線方向電勢降低。
4.電場力不做功與電場力的功等于零:這是兩回事,粒子運動過程中,電場力始終不做功(粒子沿某等勢面運動),電場力的功當然等于零。但粒子運動中,如果電場力先做正(負)功后做負(正)功,且兩功的絕對值相等,則電場力的總功等于零,這一過程中,電場力曾做功,電勢能也曾變化過。在電場中兩點間運動,電場力的功與粒子運動路徑無關(guān)。
5.電勢能變化與動能變化:粒子電勢能的變化與電場力的功相對應(yīng),依據(jù)電場力是否做功、功的正負運用電場力功與電勢能變化關(guān)系,可判斷粒子運動中的電勢能變化情況。粒子的動能變化與合力的功相對應(yīng),依據(jù)合力是否做功、功的正負運用動能定理可判斷粒子動能的變化情況。
6.電勢、電勢能與電勢差、電勢能變化量:電場中某點的電勢高低、帶電粒子在某點的電勢能的大小均與電勢參考位置(零位置)的選取有關(guān)系。電場中兩點間的電勢差、帶電粒子在兩點間運動時電勢能的變化與電勢參考位置無關(guān)。
例2.如圖2所示,虛線a、b和c是某靜電場中的三個等勢而,它們的電勢分別為φa、φb和φc,φa>φb>φc。一帶正電的粒子射入電場中,其運動軌跡如實線KLMN(粒子軌跡與各等勢面的交點)所示,由圖可知
A.粒子從K到L的過程中,電場力做負功
B.粒子從L到M的過程中,電場力做負功
C.粒子從K到N的過程中,電場力始終不做功
D.粒子從L到M的過程中,動能減少
解析:粒子從K到L的過程中,電場力的功
,由于q>0、φa>φb>φc,WKL<0,粒子從K到L的過程中,電場力做負功,電勢能增加;同理可知,粒子從L到M的過程中,電場力做正功,電勢能減少。由于K、N在同一等勢面上,電場力的功等于零,但這一過程中從K到L電場力做負功,從L到N電場力做正功,兩功絕對值相等,總功等于零,并非始終沒做功。由于不知粒子所受外力的合力做功正負或各力總功的正負,無法判斷粒子動能的變化。本題選A?!疽族e辨析】若不能對粒子從K到N的運動全過程中,電場力做功情況進行分段分析,只是利用公式
計算,將錯選C;若將電場力的功當成合力的功或各力的總功,將錯選D。
【點評】電場力是否做功,決定著電勢能是否變化,電場力功的正負決定著電勢能減少還是增加。外力的總功或合力的功是否等于零,決定著動能是否變化,總功或合力功的正負,決定著動能是增加還是減少。某過程中電場力做功為零與始終不做功是兩回事。
例3.如圖3所示,L1、L2、L3為等勢面,兩相鄰等勢面間電勢差相同,取L2的電勢為零,有一負電荷在L1處動能為30J,運動到L3處動能為10J,則電荷的電勢能為4J時,它的動能是(不計重力和空氣阻力)
A.6J B.4 C.16J D.14J
解析:負電荷由L1處到L3處,動能減少了20J,由于不計重力,電荷運動中只具有動能與電勢能,有能量守恒可知,這一過程中電勢能增加了20J。由于相鄰等勢面電勢差相等,負電荷由L1處到L2處電勢能將增加10J,由于取L2的電勢為零,則粒子經(jīng)過該等勢面時的電勢能為零。負電荷從L1處到L2處電勢能增加了10J后等于零,說明它在L1處時的電勢能為-10J,加上具有的動能30J,它的總能量為20J。由能量守恒定律可知,當它的電勢能為4J時的動能為20J-4J=16J。本題選C。
【易錯辨析】電荷在電場中運動,由于電場力做功,電荷的機械能肯定不守恒,但任何過程中,系統(tǒng)的總能量總守恒。若不能正確計算出電荷的總能量,并運用能量守恒定律,只能隨意拼湊題中的數(shù)據(jù)得出錯誤結(jié)論。比如:10J+4J=14J,錯選D;10J-4J=6J,錯選A;或認為電勢能與動能相等,錯選B。
【點評】任何過程中,系統(tǒng)的能量總是守恒的。對帶電粒子在電場中的運動,若涉及能量轉(zhuǎn)化或做功,可選用能量守恒定律、功能關(guān)系或動能定理分析求解。
7.電場力與洛倫茲力:電場力的大小只與粒子的電量及電場的場強大小有關(guān),與粒子是否運動、速度大小及方向無關(guān),電場力的方向總與場強方向在同一直線;洛倫茲力的大小與粒子的電量、磁場的磁感強度大小、運動速度(不等于零)大小及方向有關(guān),洛倫茲力方向總是垂直于由速度方向與磁場方向決定的平面,當粒子沿磁場方向或磁場反方向運動、相對磁場靜止時,不受洛倫茲力。帶電粒子在磁場中的平衡問題中,粒子肯定是勻速直線運動。電場力做功可引起速度大小的變化,洛倫茲力始終不做功,不會引力粒子速度大小變化,只能引起速度方向變化。靜電場中的平衡問題中,帶電體可以處在靜止狀態(tài),也可處于勻速直線運動狀態(tài);勻強磁場中的平衡問題中,帶電體只能處于勻速直線運動狀態(tài)。
例4.如圖4所示,在真空中勻強電場的方向豎直向下,勻強磁場方向垂直于紙面向里,3個油滴a、b、c帶有等量同種電荷,其中a靜止,b向右勻速運動,c向左勻速運動,比較它們重力的關(guān)系,正確的是
A.Ga最大 B.Gb最小 C.Gc最大 D.Gb最大
解析:油滴a靜止,不受洛倫茲力作用,所受電場力豎直向上,油滴帶負電。對油滴a由共點力平衡條件有:
;油滴b所受洛倫茲力豎直向下,由共點力平衡條件有:
;油滴c所受洛倫茲力豎直向上,由共點力平衡條件有:
。本題選BC。
【錯解辨析】不能正確辨析油滴帶電正負,不能正確判定洛倫茲力方向,或錯用右手,將錯選。
【方法總結(jié)】洛倫茲力大小與粒子相對磁場運動的速度大小及方向有關(guān),電場力的大小則與粒子相對電場的速度無關(guān)。電場力的方向一定在場強方向所在直線上,洛倫茲力方向一定與速度方向垂直。運用左手定則判定洛倫茲力方向時,對正電荷,四指指向粒子的速度方向,對負電荷則應(yīng)指向速度的反方向。
8.非勻強磁場中的安培力:由于通電導(dǎo)體上各小段所處位置磁場的強弱、方向不同,其所受安培力大小、方向不同。若是閉合線框放在非運強磁場中,各邊所受安培力的合力不等于零。
例5.通電矩形導(dǎo)線框abcd與無限長通電直導(dǎo)線MN在同一平面內(nèi),電流的方向如圖6所示,ab邊與MN平行,關(guān)于MN的磁場對線框的作用,下列敘述正確的是
A.線框有兩條邊所受的安培力方向相同
B.線框各邊所中,不可能有兩條邊受的安培力大小相等
C.線框所受安培力的合力朝左
D.線框所受安培力的合力為零
解析:由安培定則及直線電流的磁場分布規(guī)律可知,導(dǎo)線MN中的電流在其右方產(chǎn)生的磁場方向垂直紙面向里,但力導(dǎo)線越遠處磁感強度越小。由左手定則可知線框ab、cd邊所受安培力方向分別向左、向右。由公式
可知,線框ab邊所受的向左安培力大于cd邊所受的向右安培力,這兩個力的合力向左;用力可判知,線框bc、ad邊所受安培力方向分別向上、向下,這兩邊上離導(dǎo)線MN距離相等的電流元處的磁感應(yīng)強度相等,由此這兩邊所受安培力大小相等,這兩個力的合力等于零。本題選C。
【易錯辨析】若將磁場當成勻強磁場,將錯選D;若不能正確理解直線電流的磁場分布規(guī)律,正確運用左手定則將錯選AB。
【點評】直線電流周圍的磁場不是勻強磁場,離電流越遠處磁場越弱,磁感應(yīng)線是以電流為中心的同心圓環(huán)。判斷電流的磁場方向用右手,判斷磁場力方向用左手,所謂“左力右電”。