高中物理奥林匹克竞赛-电势(共55张)课件.ppt
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- 高中物理 奥林匹克 竞赛 电势 55 课件
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1、1第第 11 章章 211-1 静静电场的保守性电场的保守性一、静电场力作功的一、静电场力作功的特点特点 bababababaabrrqqrrqqlrqqlEqlFA114d4dcos4dd002002000 在点电荷在点电荷q 的电场中移动的电场中移动 q0,由,由 a 点点b 点过程中电场点过程中电场力作功:力作功:静电场力作功只与始末位置有关,与路径无关静电场力作功只与始末位置有关,与路径无关.1.1.点电荷电场力的功点电荷电场力的功 Erld rarbabqdr3静电场力做功与路径无关静电场力做功与路径无关,仅与始末位置有关仅与始末位置有关.bababaablEqlEqlEqAddd2
2、0100 结论结论:静电力是保守力静电力是保守力,静电场是保守力场静电场是保守力场.将带电体视为点电荷系将带电体视为点电荷系.点电荷系点电荷系q1,q2,的电场中的电场中移动移动 q0,电场力作功:,电场力作功:二、静电场的环流定理二、静电场的环流定理在静电场在静电场中,沿闭合路径移动中,沿闭合路径移动 q0,电场力作功:,电场力作功:0212100000 baLbaLabLbaLlEqlEqlEqlEqlEqlFAdddddd)()()()(2.任意带电体电场力的功任意带电体电场力的功 (离散或连续带电体离散或连续带电体)L1L2ab4静电场静电场中的环流定理:中的环流定理:0d lE静电场
3、中电场强度沿任意闭合路径线积分(环流)为零静电场中电场强度沿任意闭合路径线积分(环流)为零.环路定理要求电力线不能闭合环路定理要求电力线不能闭合.静电场是静电场是有源有源,无旋无旋场场(有势场有势场).11.2 11.2 电势差和电势电势差和电势1.1.静电力是保守力,可引入电势能的概念静电力是保守力,可引入电势能的概念.静电力(保守力)作功和电势能(势能)增量的关系为静电力(保守力)作功和电势能(势能)增量的关系为 babaabablEqlFWWAdd)(05把把q0 从从a 点移至点移至b 点过程中电场力所作的功等于静电势点过程中电场力所作的功等于静电势能能增量的负值增量的负值.3.讨论:
4、讨论:电势能是属于电势能是属于q0 和产生电场的源电荷系统所共有;和产生电场的源电荷系统所共有;电势能电势能的的大小是大小是相对相对的,的,电势能差电势能差才有才有绝对绝对意义意义.W 为为标量标量.单位单位:J或或 eV.标aalEqWd0q0 在电场中在电场中a 点电势点电势2.电势能的计算电势能的计算 选取势能零点选取势能零点 0 标标W当电场源分布在当电场源分布在有限有限范围内时范围内时,一般选一般选 0 W等于将等于将q0由该点沿任意路径移至零势点电场力所作的功由该点沿任意路径移至零势点电场力所作的功 ab6 当电场源分布在有限范围内当电场源分布在有限范围内例:点电荷例:点电荷q0
5、在点电荷在点电荷q 的电场中某点的电势能的电场中某点的电势能rqqlEqlEqWaa00004 dd 标0 W选选 aalEqWd0电势电势0qWUaa 电场中某点的电势等于把单位正电荷自该点电场中某点的电势等于把单位正电荷自该点 “标准点标准点”过程中电场力作的功过程中电场力作的功 标aalEUd单位单位:J/C=V7例例:点电荷场的电势:点电荷场的电势 rraarrrqlElEUd4dd20 常用的公式:常用的公式:静电场中任意两点静电场中任意两点a,b 的电势差在量值上等于把的电势差在量值上等于把单位正电单位正电荷荷从从a b 过程中电场力作的功过程中电场力作的功 bababalEqWW
6、UUd0)(0baabUUqA 2.电势差电势差 (电压电压)注意注意:电势差与电势零点的选取无关电势差与电势零点的选取无关.rqrrqr0204d4 81)电势是描述电场能量性质的物理量,与试验荷无关电势是描述电场能量性质的物理量,与试验荷无关;2)电势电势只具有只具有相对相对意义意义,决定于电势零点的选择决定于电势零点的选择.电势电势 差差具有具有绝对绝对意义意义.3)电势零点的选取是任意的电势零点的选取是任意的.有限有限区域带电体一般选区域带电体一般选 无穷远无穷远为电势零点为电势零点;无限大带电体一般只能取有限无限大带电体一般只能取有限 范围内某点为零势点范围内某点为零势点.4)一般在
7、同一问题中一般在同一问题中,电势能和电势的零点选取一致电势能和电势的零点选取一致.5)已知电势分布已知电势分布,可求电势能及作功可求电势能及作功.讨论:讨论:)(baabaaUUqAUqW 009五、电势的计算五、电势的计算1.1.已知电荷分布已知电荷分布 1)点电荷的电势点电荷的电势 (选无穷远为电势零点选无穷远为电势零点)rqrrqlrrqlEUrraa0200204d4d4d q0,U0;距距 q 越近越近U 越高越高 q0,U0;距距 q 越近越近U 越低越低 2)点电荷系的电势点电荷系的电势 (选无穷远为电势零点选无穷远为电势零点)niaianaalElEEElEU121dd)(d
8、niniiaiiaUrqU1104 10电势的叠加原理电势的叠加原理 :在点电荷系的电场中在点电荷系的电场中,任一点的电势等于任一点的电势等于 各点电荷各点电荷单独单独存在时在该点产生电势的存在时在该点产生电势的代数和代数和.3)连续分布电荷的电势连续分布电荷的电势 (选无穷远处为电势零点选无穷远处为电势零点)niiaaUU1qdP rq qrquu04dd 由电势叠加原理由电势叠加原理 2.已知场强分布求电势已知场强分布求电势 零势点零势点aalEUd两个关键两个关键:1)选零势点选零势点 2)沿方便路径积分沿方便路径积分(积分与路径无关积分与路径无关)11例例1 求均匀带电圆环轴线上一点的
9、电势(电量求均匀带电圆环轴线上一点的电势(电量 q 半径半径 R)解解:叠加法:叠加法lqdd rlrqUd41d41d00 22020041d4RxqrlUR 求均匀带电圆盘轴线上一点的电势求均匀带电圆盘轴线上一点的电势 解解:叠加法:叠加法 取半径为取半径为r,宽为宽为dr 的圆环的圆环rrqd2d )(22141d2200220 xRxdrrrxUUR 取电荷元取电荷元 ROx xqPrdqROx xqPrdr12 解解:设带电球面的半径为设带电球面的半径为R,总电荷量为,总电荷量为q,求电场中,求电场中P 处的处的 电势,电势,P点与球心的距离为点与球心的距离为r.用电势与场强的积分关
10、系式求解,已知均匀带电球面在用电势与场强的积分关系式求解,已知均匀带电球面在空间激发的场强沿半径方向,其大小为空间激发的场强沿半径方向,其大小为 RrRrrqE 0 420 并沿半径方向积分,则并沿半径方向积分,则P P点的电势为点的电势为 rrPrErEVdd例例2:计算均匀带电球面电场中的电势分布计算均匀带电球面电场中的电势分布.当当 r R 时时rqrrqVrP0204d4 当当r 1 m处处,U UP P为负值;在为负值;在r 1 m处处,UP为正值为正值.这个例题的结果再次表明,在静电场中只有两点的电势差有这个例题的结果再次表明,在静电场中只有两点的电势差有绝对的意义,而各点的电势值
11、却只有相对的意义绝对的意义,而各点的电势值却只有相对的意义.16课堂练习课堂练习 :1.1.求等量异号的同心带电球面的电势差求等量异号的同心带电球面的电势差 已知已知q q ARBR ARBRq q 解解:由高斯定理由高斯定理 ARr BRr 204rq BARrR E0由电势差定义由电势差定义 BAABuuu BARRBABARRqrrqlE)11(4d4d020 法二法二:利用叠加原理:利用叠加原理 内球面处的电势:内球面处的电势:BAAAARqRqUUU0044 外外内内外球面处的电势:外球面处的电势:04400 BBBBBRqRqUUU外外内内两球面的电势差:两球面的电势差:)(BAB
12、AABRRqUUU1140 17一一、等势面等势面 等势面等势面 电场中电场中由电势相等的点组成的面由电势相等的点组成的面。等势面的等势面的性质:性质:1.1.等势面的疏密等势面的疏密与电场线的疏密成正比;与电场线的疏密成正比;0)(d00 babaUUqlEq3.3.等势面等势面与电场线与电场线处处正交处处正交。d lE 2.2.电荷沿等势面移动时电场力不做功电荷沿等势面移动时电场力不做功;E等势面等势面 abld 等势面画法规定:等势面画法规定:任两相邻等势面间的电势差相等。任两相邻等势面间的电势差相等。由上式知:由上式知:18+19+电偶极子的等势面电偶极子的等势面20二二、场强与电势的
13、关系场强与电势的关系 电势梯度电势梯度U dUU 0nE 规定:规定:将将 q0 由由 a b,电场力的功:电场力的功:nEqAdd0 dd nUE dd 0nnUE =电势沿等势面正法向的方向导数的负值。电势沿等势面正法向的方向导数的负值。电场强度电场强度“”号表示场强号表示场强恒恒指向指向电势降落电势降落的方向的方向。等势面的正法向等势面的正法向 恒指向恒指向电势升高电势升高的方向。的方向。0nnEqd0 Uq d 0 band电势沿等势面正法向的方向导数称电势沿等势面正法向的方向导数称“电势梯度电势梯度”。其中:其中:21电场中某点的场强沿某方向的分量电场中某点的场强沿某方向的分量 dd
14、 0nnUE 大小:大小:nUEdd 方向:方向:恒指向电势降落的方向。恒指向电势降落的方向。cos EEl lUEldd ldbaUUUd 0ncndElE场强场强=负电势梯度。负电势梯度。结论:结论:ddddlnnU =该点处电势沿该方向的方向导数的负值。该点处电势沿该方向的方向导数的负值。22 说明:说明:zUEyUExUEzyx ,grad UUE 直角坐标系中:直角坐标系中:)(kzUjyUixUE (负电势梯度负电势梯度)只与只与 的空间变化率有关,与的空间变化率有关,与 值本身无关!值本身无关!EUU例:例:0 oE-o o 0 oU 0 oE 0 oU23(1)积分关系:积分关
15、系:(2)微分关系:微分关系:)0(d UlEUaa dd 0nnUUE 三三、场强与电势的关系应用举例场强与电势的关系应用举例1 1.点电荷的点电荷的 和和 UE 4 0rqU 4 dd 02 00rrqrrUE 场强与电势的关系:场强与电势的关系:242.2.均匀带电细圆环轴线上的均匀带电细圆环轴线上的 U 和和 (已知已知 q,R)。E RoP xxqd解解:先用叠加原理求先用叠加原理求 ,U再用微分关系求再用微分关系求 。E 4dd0rqU 21220)(4dxRq Er)(4d d 21220 xRqUU 21220)(4xRq d )(4121220 qxR ,)(4 23220
16、xRxqxUEx 0 ,0 zyEE)(4 23220ixRxqE 253.3.求两个同心均匀带电球面的求两个同心均匀带电球面的 和和 的分布。的分布。UE 1R2Ro1q2q 已知:内球面:,外球面:,已知:内球面:,外球面:,1R2R1q2q 解:解:方法一:方法一:先用高斯定理求先用高斯定理求,E再用积分关系求再用积分关系求。U区:区:2Rr 20211 4rqqE ,4d021211 qqrESES rqqU 4021 1 r d 11rEU r d 4 2021 rrqq ,4021rqq 26区区:21RrR 1R2Ro1q2q ,4d0 1222 qrESES 42012rqE
17、d2rEUr d d 12 rErEr2R2R rrqqrrqd 4 d 42021201 r2R2R 2021201 4)11(4RqqRrq 202012 4 4 RqrqU 27区:区:1Rr 1R2Ro1q2q rEUrd3 0 0 4d0233 rESES 03 E rErErEd d d123 r1R 1R 2R 2R rrqqrrqd 4 d 4 2021201 1R 2R 2R 20212101 4)11(4RqqRRq 44 2021013RqRqU 028 1R2Ro1q2q U方法二:方法二:先用叠加原理求先用叠加原理求,再用微分关系求再用微分关系求 。E区:区:2Rr
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