解電場(chǎng)問(wèn)題中常見(jiàn)的“三類(lèi)”圖象

周房山

在考查電場(chǎng)中的基本概念時(shí)，往往給出與電場(chǎng)分布有關(guān)的圖象，如：E-x圖象、φ-x圖象，或v-t圖象。以下分別介紹解電場(chǎng)問(wèn)題中常見(jiàn)的“三類(lèi)”圖象。

一、電場(chǎng)中粒子運(yùn)動(dòng)的v-t圖象

當(dāng)帶電粒子只在電場(chǎng)力作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果給出了粒子運(yùn)動(dòng)的速度圖象，則從速度圖象上能確定粒子運(yùn)動(dòng)的加速度方向，加速度大小變化情況，進(jìn)而可將粒子運(yùn)動(dòng)中經(jīng)歷的各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)方向、場(chǎng)強(qiáng)大小、電勢(shì)高低及電勢(shì)能的變化等情況判定出來(lái)。

例1.兩個(gè)等量同種點(diǎn)電荷固定于光滑水平面上，其連線中垂線上有A、B、C三點(diǎn)，如圖1甲所示。一個(gè)電荷量為2C，質(zhì)量為1 kg的小物塊從C點(diǎn)靜止釋放，其運(yùn)動(dòng)的v-t圖象如圖乙所示，其中B點(diǎn)處為整條圖線切線斜率最大的位置（圖中標(biāo)出了該切線），則下列說(shuō)法正確的是（ ?）

[A][B][C][O][甲] [A][B][t/s][O][v/（m·s-1）][8

6

4][5 7][10 12 15][乙][圖1]

A.B點(diǎn)為中垂線上電場(chǎng)強(qiáng)度最大的點(diǎn)，場(chǎng)強(qiáng)E=2V/m

B.由C到A的過(guò)程中，物塊的電勢(shì)能先減小后變大

C.由C到A的過(guò)程中，電勢(shì)逐漸升高

D.A、B兩點(diǎn)電勢(shì)差UAB=-5V

解析：

（1）由v-t圖象可知，圖線的斜率表示加速度先增后減，因此，小物塊在B點(diǎn)加速度有最大值，根據(jù)牛頓第二定律，可知在B點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度最大。加速度大小為2 m/s2。

又根據(jù)qE=ma，得E=1 V/m，選項(xiàng)A錯(cuò);

（2）由v-t圖象可知，由C到A的過(guò)程中，小物塊的動(dòng)能一直在增大，由動(dòng)能定理，電場(chǎng)力也一直做正功，則小物塊的電勢(shì)能逐漸減小，由Ep=qφ，知電勢(shì)逐漸降低，選項(xiàng)B、C錯(cuò);

（3）由動(dòng)能定理，qUAB=mv2

B-mv2

A，解得UAB=-5 V，選項(xiàng)D正確。

例2.如圖2甲M、N是一條電場(chǎng)線上的兩點(diǎn)，在M點(diǎn)由靜止釋放一個(gè)正的點(diǎn)電荷，點(diǎn)電荷僅在電場(chǎng)力的作用下沿著電場(chǎng)線從M點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到N點(diǎn)，粒子的速度隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖2乙所示，以下判斷正確的是（ ?）

[甲 乙][圖2][M][N]

A.該電場(chǎng)可能是勻強(qiáng)電場(chǎng)

B.N點(diǎn)的電勢(shì)高于M點(diǎn)的電勢(shì)

C.M點(diǎn)到N點(diǎn)，點(diǎn)電荷的電勢(shì)能逐漸減小

D.點(diǎn)電荷在M點(diǎn)所受電場(chǎng)力大于在N點(diǎn)所受電場(chǎng)力

解析：

（1）由v-t圖象可知，點(diǎn)電荷從M點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到N點(diǎn)，圖線的斜率增大，故點(diǎn)電荷做加速度增大的加速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)牛頓第二定律，可知，其所受的電場(chǎng)力增大，電場(chǎng)不是勻強(qiáng)電場(chǎng)，選項(xiàng)A、D錯(cuò);

（2）點(diǎn)電荷從M點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到N點(diǎn)，點(diǎn)電荷做加速度增大的加速運(yùn)動(dòng)，故點(diǎn)電荷受到的電場(chǎng)力方向也是由M指向N，由“順電場(chǎng)線，電勢(shì)降”，則M點(diǎn)電勢(shì)大于N點(diǎn)電勢(shì)，選項(xiàng)B錯(cuò);

（3）點(diǎn)電荷從M點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到N點(diǎn)，做加速運(yùn)動(dòng)，由動(dòng)能定律，知電場(chǎng)力做正功，因此，電勢(shì)能減小，選項(xiàng)C正確。

二、電場(chǎng)中的E-x圖象

在給定了電場(chǎng)的E-x圖象后，可以由圖線確定場(chǎng)強(qiáng)的變化情況，電勢(shì)的變化情況，E-x圖線與x軸所圍圖形“面積”表示電勢(shì)差。在與粒子運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的題目中，可進(jìn)一步確定粒子的電性、動(dòng)能變化、電勢(shì)能變化等情況。在這類(lèi)題目中，還可以由E-x圖象假設(shè)某一種符合E-x圖線的電場(chǎng)，利用這種已知電場(chǎng)的電場(chǎng)線分布、等勢(shì)面分布或場(chǎng)源電荷來(lái)處理相關(guān)問(wèn)題。

例3.空間有一沿x軸對(duì)稱(chēng)分布的電場(chǎng)，其電場(chǎng)強(qiáng)度E隨x變化的圖象如圖3所示。下列說(shuō)法中正確的是（ ?）

[O][E][-x1][x][x1][x2][x3][圖3]

A.O點(diǎn)的電勢(shì)最低

B.x2點(diǎn)的電勢(shì)最高

C.x1和-x1兩點(diǎn)的電勢(shì)相等

D.x1和x3兩點(diǎn)的電勢(shì)相等

解析：

（1）由圖3可知，O點(diǎn)兩側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度方向相反，因電場(chǎng)強(qiáng)度的方向沿x軸，由“沿電場(chǎng)線，電勢(shì)降”規(guī)律，O點(diǎn)可能電勢(shì)最低，也可能電勢(shì)最高，選項(xiàng)A錯(cuò);

（2）由于O點(diǎn)兩側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度方向相反，x1、x2、x3三點(diǎn)在同一電場(chǎng)線上，由沿電場(chǎng)線方向電勢(shì)逐漸降低可知，無(wú)論O點(diǎn)右側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度沿x軸向右還是向左，x2點(diǎn)電勢(shì)都不是最高，x1、x3兩點(diǎn)的電勢(shì)也不相等，故選項(xiàng)B、D錯(cuò);

（3）由題圖3知，電場(chǎng)強(qiáng)度在O點(diǎn)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，故x1、-x1兩點(diǎn)電勢(shì)相等，選項(xiàng)C正確。

例4.如圖4所示，半徑為R，均勻帶正電荷的球體在空間產(chǎn)生球?qū)ΨQ(chēng)的電場(chǎng);場(chǎng)強(qiáng)大小沿半徑分布如圖所示，圖4中E0已知，E-r曲線下O～R部分的面積等于R～2R部分的面積。問(wèn)

[E0][E][O][r][R][2R][圖4]

（1）E-r曲線下面積的單位是什么？

（2）已知帶電球在r≥R處的場(chǎng)強(qiáng)E=，式中k為靜電力常量，該均勻帶電球所帶的電荷量Q為多大？

（3）求球心與球表面間的電勢(shì)差ΔU多大？

（4）質(zhì)量為m，電荷量為q的負(fù)電荷在球面處需具有多大的速度可以剛好運(yùn)動(dòng)到2R處？

解析：

（1）由公式E=，做類(lèi)比，可知E-r圖線下“面積”表示電勢(shì)差，“面積”的單位為伏特;

（2）由于帶電球在r≥R處的場(chǎng)強(qiáng)E=，，可見(jiàn)在r≥R處，帶點(diǎn)球可視為點(diǎn)電荷。如圖，在r=R時(shí)，E=E0，則由點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度公式，

E0=，

解得該均勻帶電球所帶的電荷量

Q=，

（3）由公式E=類(lèi)比，可知E-r圖線下“面積”表示電勢(shì)差，因此，球心與球表面間的電勢(shì)差

ΔU=

（4）根據(jù)題述E-r曲線下O～R部分的面積等于R～2R部分的面積，球體表面r=R到r=2R處的電勢(shì)差

ΔU=

由動(dòng)能定理，

qΔU=mv2

解得

v=

三、電場(chǎng)中的φ-x圖象

在電場(chǎng)的φ-x圖象中，除了可以直接從圖中了解各點(diǎn)電勢(shì)大小及變化情況，還可以從圖線的斜率上了解各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的大小及方向。當(dāng)φ-x圖象與粒子運(yùn)動(dòng)相結(jié)合時(shí)，可以涉及的方面有粒子電性、電勢(shì)能、電場(chǎng)力做功、動(dòng)能、速度、加速度等。也可以由φ-x圖線的特征先假設(shè)是某一具有相同φ-x變化規(guī)律的電場(chǎng)，進(jìn)而解決問(wèn)題。由公式E=做類(lèi)比，φ-x圖線各點(diǎn)切線的斜率為各點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度的大小。

例5.如圖5所示a、b是x軸上兩個(gè)點(diǎn)電荷，電荷量分別為q1和q2，沿x軸a、b之間各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電勢(shì)高低如圖5中曲線所示，a、p間距離大于p、b間距離。從圖中可以判斷以下說(shuō)法正確的是

（ ）

[O][a][p][b][x][φ] [圖5]

A.a和b均為負(fù)電荷且q1一定大于q2

B.電勢(shì)最低的p點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為零

C.將一正的檢驗(yàn)電荷從b處移到p處，電荷電勢(shì)能增加

D.a、p間的電場(chǎng)方向都指向a點(diǎn)

解析：

（1）由φ-x圖象可知，從a到b，電勢(shì)φ先減小再增加，可見(jiàn)a、b電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)方向均指向p，所以a、b應(yīng)均為正電荷，所以選項(xiàng)A、D錯(cuò);

（2）由于φ-x圖象的斜率表示電場(chǎng)強(qiáng)度E，故在p點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為零，選項(xiàng)B正確;

（3）將一正的檢驗(yàn)電荷從b處移到p處，電勢(shì)φ降低，由Ep=qφ知，電勢(shì)能減少，選項(xiàng)C錯(cuò)。

例6.兩電荷量分別為q1和q2的點(diǎn)電荷放在x軸上的O、M兩點(diǎn)，兩電荷連線上各點(diǎn)電勢(shì)φ隨x變化的關(guān)系如圖6所示，其中A、N兩點(diǎn)的電勢(shì)為零，ND段中C點(diǎn)電勢(shì)最高，則（ ）

[O][A][N][q2][D][C][x][M][φ][q1] [圖6]

A.C點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小不為零

B.A點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為零

C.NC間場(chǎng)強(qiáng)方向沿x軸正方向

D.將一負(fù)點(diǎn)電荷從N點(diǎn)移到D點(diǎn)，電場(chǎng)力先做正功后做負(fù)功

解析：

（1）由題圖可知，由O點(diǎn)到M點(diǎn)，電勢(shì)一直降低，且圖線在A點(diǎn)的斜率也不為零，故A點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小不為零，而C點(diǎn)向N、向D兩個(gè)方向電勢(shì)均降低，說(shuō)明C點(diǎn)兩側(cè)電場(chǎng)方向相反，且圖線在C點(diǎn)的切線斜率為零，故C點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度大小為零，選項(xiàng)A、B錯(cuò);

（2）由圖6可知，由N到C電勢(shì)升高，故CD間電場(chǎng)方向沿x軸負(fù)方向，選項(xiàng)C錯(cuò);

（3）同理可知，由C到D電勢(shì)降低，故NC間電場(chǎng)方向沿x軸正方向，因此，將負(fù)點(diǎn)電荷從N移到C，電場(chǎng)力做正功，將負(fù)點(diǎn)電荷從C移到D，電場(chǎng)力做負(fù)功，選項(xiàng)D正確。

從以上三類(lèi)圖象可以看出掌握各個(gè)圖象的特點(diǎn)，理解其斜率、截距、“面積”對(duì)應(yīng)的物理意義，就能順利解決有關(guān)問(wèn)題，此類(lèi)問(wèn)題一般以選擇題的形式出現(xiàn)，難度中等。

·編輯 楊兆東