【推荐】专题02 库仑力作用下的平衡及加速问题-2017-2018学年高二物理专题提升之电学

【推荐】专题02 库仑力作用下的平衡及加速问题-2017-2018学年高二物理专题提升之电学

一：专题概述 库仑力作用下的平衡及加速问题的分析方法与纯力学的分析方法是相同的，只是在原来受力的基础上多了电场力，本专题重点训练这方面的内容。‎ 解决库仑力作用下的平衡及加速问题，首先确定研究对象，根据问题的需要，选择“整体法”或“隔离法”，再受力分析，列平衡方程来求解。‎ 二：典例精讲 ‎1．库仑力作用下的平衡问题 典例1：如图所示，质量为m、电荷量为Q的带电小球A用绝缘细线悬挂于O点，另一个带电量也为Q的带电小球B固定于O点的正下方，已知绳长OA为2l，O到B点的距离为l，平衡时AB带电小球处于同一高度，已知重力加速度为g，静电力常量为k。则（ ）‎ A. A、B间库仑力大小为 B. A、B间库仑力大小为 C. 细线拉力大小为 D. 细线拉力大小为 ‎【答案】D ‎【解析】由几何关系可知，OA与OB的夹角为600，则AB间距离： ，则 A、B间库仑力大小为，选项A错误；根据平行四边形法则可知，AB间的库仑力为： ‎ ‎，细线的拉力，或者，选项BC错误，D正确；故选D.‎ ‎2．三个点电荷的平衡问题 典例2：如图所示，在光滑绝缘水平面上放置电荷量分别为q1、q2、q3的三个点电荷，三者位于一条直线上，已知q1与q2之间的距离为l1，q2与q3之间的距离为l2，三个点电荷都处于静止状态．‎ ‎(1) 若q2为正电荷，判断q1和q3的电性；‎ ‎(2)求q1、q2、q3三者电荷量大小之比．‎ ‎【答案】(1)负，负　(2)2∶1∶2‎ ‎3．库仑力作用下电荷的加速问题 典例3：光滑的绝缘水平面上的带电小球A和B，质量分别为m1＝2 g、m2＝1 g；它们的带电荷量相等，q1＝q2＝10－7 C，A球带正电，B球带负电，如图所示．‎ ‎ (1) 现有水平恒力F1向右作用于A球，此时A、B一起向右运动，且保持距离d＝0.1 m不变，如图所示，试问F1多大？它们如何运动？‎ ‎(2) 若水平恒力F2向左作用于B球，两球一起向左运动，也保持距离d＝0.1 m不变，试问F2多大？‎ ‎【答案】(1)2.7×10－2 N　两球一起向右做匀加速直线运动　(2)1.35×10－2 N ‎【解析】(1)A、B两球间相互作用的静电力为恒力，其大小为 F＝k＝9×109×N＝9×10－3 N F1作用于A时，两球一起向右做匀加速直线运动，由B的受力情况可求得加速度为 ‎ ‎ 以AB整体为研究对象，作用于A球向右的恒力为 F1＝(m1＋m2)a1＝(2×10－3＋1×10－3)×9 N＝2.7×10－2 N.‎ 三 总结提升 ‎1．静电场中带电体平衡问题的解题思路 ‎(1)确定研究对象．如果有几个物体相互作用时，要依据题意，适当选取“整体法”或“隔离法”，确定研究对象．‎ ‎(2) 对研究对象进受力分析．有些点电荷如电子、质子等可不考虑重力,而尘埃、液滴等一般需考虑重力. 注意多了一个库仑力.‎ ‎(3) 列平衡方程(F合=0或Fx=0,Fy=0)或用平衡条件推论分析。‎ ‎2．库仑定律及库仑力的两点注意 ‎(1)库仑定律适用于真空中的点电荷，其正负不表示力的大小，而表示力的性质．‎ ‎(2)库仑力具有力的共性，如两个点电荷间的库仑力满足牛顿第三定律．‎ ‎3.电荷平衡模型 ‎（1）模型构建 对由三个自由电荷组成的系统，且它们仅靠彼此间的静电力作用而处于平衡状态，该系统即为三电荷平衡模型．‎ ‎（2）模型条件 ‎(1)三个点电荷共线．‎ ‎(2)三个点电荷彼此间仅靠电场力作用达到平衡，不受其他外力．‎ ‎(3)任意一个点电荷受到其他两个点电荷的电场力大小相等，方向相反，为一对平衡力．‎ ‎（3）模型特点 ‎(1)“三点共线”——三个点电荷分布在同一直线上．‎ ‎(2)“两同夹异”——正负电荷相互间隔．‎ ‎(3)“两大夹小”——中间电荷的电荷量最小．‎ ‎(4)“近小远大”——中间电荷靠近电荷量较小的电荷．‎ 四 提升专练 ‎1. (多选) 下列选项中，A球系在绝缘细线的下端，B 球固定在绝缘平面上，它们带电的种类以及位置已在图中标出．A球能保持静止的是(　　)．‎ ‎【答案】AD ‎2. 两个大小相同的小球带有同种电荷，质量分别为m1和m2，带电荷量分别是q1和q2，用绝缘线悬挂后，因静电力而使两悬线张开，分别与中垂线方向成α1角和α2角，且两球处于同一水平线上，如图所示，若α1＝α2，则下述结论正确的是(　　)．‎ A．q1一定等于q2　　 B．一定满足＝ C．m1一定等于m2　 D．必须同时满足q1＝q2、m1＝m2‎ ‎【答案】C ‎【解析】分别对两小球进行受力分析，如图所示，‎ 由平衡条件得F－FTsin α1＝0；FTcos α1－m1g＝0.所以tan α1＝＝.同理tan α2＝＝.因为α1＝α2，所以m1＝m2.‎ ‎3. 如图所示，悬挂在O点的一根不可伸长的绝缘细线下端有一个带电荷量不变的小球A.在两次实验中，均缓慢移动另一带同种电荷的小球B.当B到达悬点O的正下方并与A在同一水平线上，A 处于受力平衡时，悬线偏离竖直方向的角度为θ.若两次实验中B的电荷量分别为q1和q2，θ分别为30°和45°，则为(　　)．‎ A．2　 B．3　‎ C．2　 D．3 ‎【答案】C ‎【解析】对A受力分析如图所示，‎ ‎4.如图所示，小球A、B质量均为m，初始带电量均为+q，都用长L的绝缘细线挂在绝缘的竖直墙上O点，A球紧靠绝缘的墙壁且其悬线刚好竖直，B球悬线偏离竖直方向 角而静止，如果保持B球的电量不变，使A球的电量缓慢减小，当两球间距缓慢变为原来的时，下列判断正确的是 A. 小球A受到细线的拉力大小不变 B. 小球B受到细线的拉力变小 C. 两球之间的库仑力大小不变 D. 小球A的电量减小为原来的 ‎【答案】D ‎【解析】小球B受力如图所示，‎ 两绝缘线的长度都是L，则△OAB是等腰三角形，如果保持B球的电量不变，使A球的电量缓慢减小，当两球间距缓慢变为原来的时，θ变小，F减小； 线的拉力T与重力G相等，G=T，即小球B受到细线的拉力不变；对物体A： ，则θ变小，TA变小；选项AB错误；小球静止处于平衡状态，当两球间距缓慢变为原来的1/3时，由比例关系可知，库仑力变为原来的1/3，因保持B球的电量不变，使A球的电量缓慢减小，由库仑定律 ，得：球A的电量减小为原来的 ，故C错误，D正确；故选：D．‎ ‎5. 如图所示，两个电荷量均为＋q的小球用长为l的轻质绝缘细绳连接，静止在光滑的绝缘水平面上．两个小球的半径r≪l，k表示静电力常量．则轻绳的张力大小为(　　)．‎ A．0　 B．　‎ C．　 D． ‎【答案】B ‎【解析】轻绳的张力大小等于两个带电小球之间的库仑力，由库仑定律知，F＝，B正确．‎ ‎6.如图所示三个点电荷q1、q2、q3在一条直线上，q2和q3的距离为q1和q2距离的两倍，每个点电荷所受静电力的合力为零，由此可以判定，三个点电荷的电荷量之比q1∶q2∶q3为(　　)．‎ A．(－9)∶4∶(－36)　 B．9∶4∶36‎ C．(－3)∶2∶(－6)　 D．3∶2∶6‎ ‎【答案】A ‎7. (多选)一根放在水平面内的绝缘光滑玻璃管，内部有两个完全相同的弹性金属小球A和B，带电荷量分别为＋9Q和－Q。两小球从图示位置由静止释放，那么在之后的运动过程中(　　)‎ A. 两小球在相碰前均做加速运动 B. 两小球在相碰后均做减速运动 C. 碰撞前A球的加速度一直增大 D. 两小球再次回到图示位置时A球所受库仑力为初始时的倍 ‎【答案】ACD ‎【解析】两小球在相碰前因受相互吸引的库仑力作用，则均做加速运动，且随距离的减小，加速度逐渐变大，选项AC正确；两小球在相碰后，由于电量中和后均分，则两球均带正电，从而相互排斥，则也均做加速运动，选项B错误；碰撞后两球的带电量均为=4Q，经过图示位置时两球间距离为r，则根据库仑定律和牛顿第二定律得, 碰撞前经过图示位置时： ；碰撞后经过图示位置时： ，则得F1：F2=9：16，即A球受到的库伦力为释放时的倍，故D正确；故选ACD.‎ ‎8. 如图所示，将两个摆长均为l的单摆悬于O点，摆球质量均为m，带电荷量均为q(q>0)．将另一个带电荷量也为q(q>0)的小球从O点正下方较远处缓慢移向O点，当三个带电小球分别处于等边三角形abc的三个顶点上时，摆线的夹角恰好为120°，则此时摆线上的拉力大小等于(　　)．‎ A.mg　 B．mg C．2·　 D．· ‎【答案】B ‎9. (多选)在光滑绝缘的水平面上，相距一定的距离放有两个质量分别为m和2m的带电小球(可视为质点)A和B.在t1＝0时，同时将两球无初速释放，此时A球的加速度大小为a；经一段时间后，在t2＝t时，B球的加速度大小也变为a.若释放后两球在运动过程中并未接触，且所带电荷量都保持不变，则下列判断正确的是(　　)‎ A. 两个小球带的是同种电荷 B. 两个小球带的是异种电荷 C. t2时刻两小球间的距离是t1时刻的倍 D. t2时刻两小球间的距离是t1时刻的倍 ‎【答案】BD ‎10.‎ ‎ 三个电荷量均为Q(正电)的小球，放在水平绝缘的桌面上，分别位于等边三角形的三个顶点，如图所示．在三角形的中心O点应放置什么性质的电荷，才能使三个带电小球都处于静止状态？其电荷量是多少？‎ ‎【答案】 负电荷 ‎【解析】由平衡条件知放置在O点应为带负电的电荷，设等边三角形的边长为L，则AO之间的距离为 ；‎ B、C两球对A球作用力的合力为F1＝2kcos30°＝.‎ 设O点放置的电荷的电荷量大小为q，对A球的作用力为F2＝k.‎ 由于A静止，故有F1＝F2.‎ 联立以上方程解得q＝Q(带负电)‎ 由于A、B、C三球受力情况一样，可知B、C两球也将处于平衡状态．即在O点处放置电荷量大小为Q的负电荷可使三球处于静止状态．‎ ‎11．如图所示，质量均为m的两个带电小球A和B放置在光滑的绝缘水平面上，彼此相距为l，A球带电荷量+Q，B球带电荷量-Q，若用一水平力拉动其中一个球，且要使另一个球与前面的球始终保持l的间距运动，则拉力F的大小为？‎ ‎【答案】‎ ‎【解析】如拉力F作用于B上水平向右,使系统做匀加速运动,对A，有：,‎ 对系统：,则:‎ ‎12. 水平距为Ｌ的点电荷AB的带电量分别为＋４Q和－Q, A在左侧B在右侧固定不动，要引进第三个点电荷C,使放入的C点电荷处于静止状态，则C应放在何处？其电量大小属性为多少？‎ ‎【答案】距离B电荷L处；属性为任意值.‎