静电场及其应用精选试卷综合测试卷(word含答案)

静电场及其应用精选试卷综合测试卷（word含答案）

一、第九章静电场及其应用选择题易错题培优（难）

1．如图所示，y轴上固定有两个电荷量相等的带正电的点电荷，且关于坐标原点O对称。某同学利用电场的叠加原理分析在两电荷连线的中垂线（x轴）上必定有两个场强最强的点A、'A，该同学在得到老师的肯定后又在此基础上作了下面的推论，你认为其中正确的是（）

A．若两个点电荷的位置不变，但电荷量加倍，则x轴上场强最大的点仍然在A、'A两位置

B．如图(1)，若保持两个点电荷的距离不变、并绕原点O旋转90°后对称的固定在z轴上，则x轴上场强最大的点仍然在A、'A两位置

C．如图(2)，若在yoz平面内固定一个均匀带正电圆环，圆环的圆心在原点O。直径与(1)图两点电荷距离相等，则x轴上场强最大的点仍然在A、'A两位置

D．如图(3)，若在yoz平面内固定一个均匀带正电薄圆板，圆板的圆心在原点O，直径与(1)图两点电荷距离相等，则x轴上场强最大的点仍然在A、'A两位置

【答案】ABC

【解析】

【分析】

【详解】

A．可以将每个点电荷（2q）看作放在同一位置的两个相同的点电荷（q），既然上下两个点电荷（q）的电场在x轴上场强最大的点仍然在A、A＇两位置，两组点电荷叠加起来的合电场在x轴上场强最大的点当然还是在A、A＇两位置，选项A正确；

B．由对称性可知，保持两个点电荷的距离不变、并绕原点O旋转90°后对称的固定在z轴上，则x轴上场强最大的点仍然在A、'A两位置，选项B正确；

C．由AB可知，在yOz平面内将两点电荷绕O点旋转到任意位置，或者将两点电荷电荷量任意增加同等倍数，在x轴上场强最大的点都在A、A＇两位置，那么把带电圆环等分成一些小段，则关于O点对称的任意两小段的合电场在x轴上场强最大的点仍然还在A、A＇两位置，所有这些小段对称叠加的结果，合电场在x轴上场强最大的点当然还在A、A＇两位置，选项C正确；

D．如同C选项，将薄圆板相对O点对称的分割成一些小块，除了最外一圈上关于O点对称的小段间距还是和原来一样外，靠内的对称小块间距都小于原来的值，这些对称小块的合电场在x轴上场强最大的点就不再在A、A＇两位置，则整个圆板的合电场在x轴上场强最大的点当然也就不再在A、A＇两位置，选项D错误。

故选ABC。

2．如图所示，在圆心为O 、半径为R 的圆周上等间距分布着三个电荷量均为q 的点电荷

a 、

b 、

c ，其中a 、b 带正电，c 带负电。已知静电力常量为k ，下列说法正确的是

（ ）

A ．a 2

3kq B ．c 2

3kq

C ．a 、b 在O 点产生的场强为

2

3kq

R

，方向由O 指向c D ．a 、b 、c 在O 点产生的场强为22kq

R

，方向由O 指向c 【答案】BD 【解析】 【分析】 【详解】

AB ．根据几何关系得ab 间、bc 间、ac 间的距离

3r R =

根据库仑力的公式得a 、b 、c 间的库仑力大小

22

223q q F k k r R

==

a 受到的两个力夹角为120?，所以a 受到的库仑力为

2

23a q F F k R

==

c 受到的两个力夹角为60?，所以c 受到的库仑力为

2

2

333c kq F F R

== 选项A 错误，B 正确；

C ．a 、b 在O 点产生的场强大小相等，根据电场强度定义有

02

q E k

R =

a 、

b 带正电，故a 在O 点产生的场强方向是由a 指向O ，b 在O 点产生的场强方向是由

b 指向O ，由矢量合成得a 、b 在O 点产生的场强大小

2q E k R

=

方向由O →c ，选项C 错误；

D ．同理c 在O 点产生的场强大小为

02q

E k R

=

方向由O →c

运用矢量合成法则得a 、b 、c 在O 点产生的场强

22q

E k R

'=

方向O →c 。选项D 正确。 故选BD 。

3．如图所示，竖直平面内固定一倾斜的光滑绝缘杆，轻质绝缘弹簧上端固定，下端系带正电的小球A ，球A 套在杆上，杆下端固定带正电的小球B 。现将球A 从弹簧原长位置由静止释放，运动距离x 0到达最低点，此时未与球B 相碰。在球A 向下运动过程中，关于球A 的速度v 、加速度a 、球A 和弹簧系统的机械能E 、两球的电势能E p 随运动距离x 的变化图像，可能正确的有（ ）

A ．

B ．

C ．

D ．

【答案】CD 【解析】 【分析】 【详解】

令A 、B 小球分别带电量为1q 、2q ，释放A 球时A 、B 间距为r ，弹簧的劲度系数为K 。则 A ．在小球A 运动到最低点的过程中，受力分析如图所示

加速阶段有

12

2

sin ()kq q ma mg θKx r x =-

--

减速阶段有

12

2

sin ()kq q ma Kx mg θr x =

+--

所以小球先做加速度减小的加速运动，再做加速度增大的减速运动，越向下运动，弹力和电场力越大，所以减速阶段速度减小的更快，速度减为零的时间更短，和加速阶段不对称，A 错误；

B ．小球做加速度减小的加速运动时，

122

sin ()kq q K

a g θx m r x m

=-

-- 对a 求导则

1232d d ()kq q a K x m r x m

=-- 则加速阶段，加速度随着运动距离x 的增加而减小，且加速减小得越来越快（即a -x 曲线越来越陡峭）。 同理，减速阶段

122sin ()kq q K

a x g θm r x m =

+--

123

2d d ()kq q a K

x m m r x =-- 在减速阶段加速度运动距离x 的增加而减加而增大，且加速度增加得越来越慢（即a -x 曲线越来越平缓），故B 错误；

C ．小球向下运动过程中，由于要克服电场力做功，所以球A 和弹簧系统的机械能E 逐渐减小，越靠近B 小球，电场力越大，机械能减小的越快，所以图像的斜率的绝对值越来越大，C 正确；

D ．小球向下运动过程中，电场力做负功，所以电势能逐渐增大，越靠近B 小球，电场力越大，电势能增大的越快，所以图像的斜率越来越大，D 正确。 故选CD 。

4．如图所示，某电场的电场线分布关于 y 轴（沿竖直方向）对称，O、M、N 是 y 轴上的三个点，且 OM=MN。P 点在 y 轴右侧，MP⊥ON。则

A．M 点场强大于 N 点场强

B．M 点电势与 P 点的电势相等

C．将正电荷由 O 点移动到 P 点，电场力做负功

D．在 O 点静止释放一带正电粒子，该粒子将沿 y 轴正方向做直线运动

【答案】AD

【解析】

【详解】

A、从图像上可以看出，M点的电场线比N点的电场线密集，所以M 点场强大于 N 点场强，故A对；

B、沿着电场线电势在降低，由于电场不是匀强电场，所以M和P点不在同一条等势线上，所以M 点电势与 P 点的电势不相等，故B错；

C、结合图像可知：O点的电势高于P点的电势，正电荷从高电势运动到低电势，电场力做正功，故C错；

D、在 O 点静止释放一带正电粒子，根据电场线的分布可知，正电荷一直受到向上的电场力，力与速度在一条直线上，故粒子做直线运动，故D对；

故选AD

5．真空中相距L的两个固定点电荷E、F所带电荷量大小分别是Q E和Q F，在它们共同形成的电场中，有一条电场线如图中实线所示，实线上的箭头表示电场线的方向．电场线上标出了M、N两点，其中N点的切线与EF连线平行，且∠NEF＞∠NFE．则（）

A．E带正电，F带负电，且Q E >Q F

B．在M点由静止释放一带正电的检验电荷，检验电荷将沿电场线运动到N点

C．过N点的等势面与EF连线垂直

D．负检验电荷在M点的电势能大于在N点的电势能

【答案】C

【解析】

【分析】

根据电场线的指向知E带正电，F带负电；N点的场强是由E、F两电荷在N点产生场强的叠加，电荷E在N点电场方向沿EN向上，电荷F在N点产生的场强沿NF向下，合场强水平向右，可知F电荷在N点产生的场强大于E电荷在N点产生的场强，而，所

以由点电荷场强公式知,A错误；只有电场线是直线，且初速度为0或初

速度的方向与电场平行时，带电粒子的运动轨迹才与电场线重合．而该电场线是一条曲线，所以运动轨迹与电场线不重合．故在M点由静止释放一带正电的检验电荷，不可能沿电场线运动到N点，B错误；因为电场线和等势面垂直，所以过N点的等势面与过N点的切线垂直，C正确；沿电场线方向电势逐渐降低，，再根据，q为负电荷，知，D错误；故选C．

【点睛】

只有电场线是直线，且初速度为0或初速度的方向与电场平行时，带电粒子的运动轨迹才与电场线重合．电场线和等势面垂直．N点的切线与EF连线平行，根据电场线的方向和场强的叠加，可以判断出E、F的电性及电量的大小．先比较电势的高低，再根据，比较电势能．

6．如图所示，a、b、c、d四个质量均为m的带电小球恰好构成“三星拱月”之形，其中a、b、c三个完全相同的带电小球在光滑绝缘水平面内的同一圆周上绕O点做半径为R的匀速圆周运动，三小球所在位置恰好将圆周等分，小球d位于O点正上方h处，且在外力F作用下恰处于静止状态。已知a、b、c三小球的电荷量均为q，d球的电荷量为-6q，2

h R

，重力加速度为g，静电力常量为k，则（）

A．小球a

2 3 kq Rm

B．小球b

2

2

3

3

kq R m

C．小球c

2 3kq

D．外力F

2 26kq

【答案】C 【解析】

【详解】

A ．通过分析，a

、b

、c 一定带同种电荷，d 与a 、b 、c 一定带异种电荷，对小球a 受力分析，在水平面上和竖直面分别如下图，小球最终的合力为

2

2

21222

3322(3)3(3)

R

kq F F F k k R R R R =-=?-??= 合力提供小球做圆周运动的向心力，有

22

3=kq v m R

可得233kq v mR

=

，A 错误；

B ．合力提供小球做圆周运动的向心力，有

2

23kq m ωR 解得23

33kq ωmR

=

，B 错误；

C ．合力提供小球做圆周运动的向心力，有

2

3kq ma 解得2

3kq a =C 正确； D ．对d 球受力分析，由平衡条件得：

22223(2)3R

F mg R R R

=+

解得2

2

26kq mg R

F +=，D 错误。 故选C 。

7．物理学中有些问题的结论不一定必须通过计算才能验证，有时只需通过一定的分析就可以判断结论是否正确．如图所示为两个彼此平行且共轴的半径分别为R 1和R 2的圆环，两

圆环上的电荷量均为q(q>0)，而且电荷均匀分布．两圆环的圆心O1和O2相距为2a，连线的中点为O，轴线上的A点在O点右侧与O点相距为r(r

A．

()

()

()

()

33

22

22

22

12

kq a r kq a r

E

R a r R a r

+-

=-

????

+++-

????

B．

()

()

()

()

33

22

22

22

12

kq a r kq a r

E

R a r R a r

+-

=+

????

+++-

????

C．

()()

12

22

22

12

kqR kqR

E

R a r R a r

=-

????

+++-

????

D．

()()

12

33

22

22

22

12

kqR kqR

E

R a r R a r

=-

????

+++-

????

【答案】A

【解析】

【分析】

题目要求不通过计算，只需通过一定的分析就可以判断结论，所以根据点电荷场强的公式

E=k

2

Q

r

，与选项相对比，寻找不同点，再用极限分析问题的思想方法就可以分析出结果．【详解】

与点电荷的场强公式E=k

2

Q

r

，比较可知，C表达式的单位不是场强的单位，故可以排除C；

当r=a时，右侧圆环在A点产生的场强为零，则A处场强只由左侧圆环上的电荷产生，即场强表达式只有一项，故可排除选项D；

左右两个圆环均带正电，则两个圆环在A点产生的场强应该反向，故可排除B，综上所

述，可知A 正确．故选A ．

8．如图所示，光滑绝缘半球形的碗固定在水平地面上，可视为质点的带电小球1、2的电荷分别为Q 1、Q 2，其中小球1固定在碗底A 点，小球2可以自由运动，平衡时小球2位于碗内的B 位置处，如图所示．现在改变小球2的带电量，把它放置在图中C 位置时也恰好能平衡，已知AB 弦是AC 弦的两倍，则（ ）

A ．小球在C 位置时的电量是

B 位置时电量的一半 B ．小球在

C 位置时的电量是B 位置时电量的四分之一

C ．小球2在B 点对碗的压力大小等于小球2在C 点时对碗的压力大小

D ．小球2在B 点对碗的压力大小大于小球2在C 点时对碗的压力大小 【答案】C 【解析】 【详解】

AB ．对小球2受力分析，如图所示，小球2受重力、支持力、库仑力，其中F 1为库仑力F 和重力mg 的合力，根据三力平衡原理可知，F 1=F N ．由图可知，△OAB ∽△BFF 1

设半球形碗的半径为R ，AB 之间的距离为L ，根据三角形相似可知，

1F mg F

OA OB AB

== 即

1F mg F

R R L

== 所以

F N =mg ①

L

F mg R

=

② 当小球2处于C 位置时，AC 距离为

2

L

，故 '1

2

F F =

， 根据库仑定律有：

2

A

B

Q Q F k

L = '21()2

A C Q Q F k

L = 所以

1

8

C B Q Q = ， 即小球在C 位置时的电量是B 位置时电量的八分之一，故AB 均错误；

CD ．由上面的①式可知F N =mg ，即小球2在B 点对碗的压力大小等于小球2在C 点时对碗的压力大小，故C 正确，D 错误。 故选C 。

9．如图所示,导体球A 与导体球壳B 同心,原来都不带电,也不接地,设M 、N 两点的场强大小为E M 和E N ,下列说法中正确的是

A ．若使A 带电,则E M ≠0,E N =0

B ．若使B 带电,则E M ≠0,E N ≠0

C ．若使A ，B 两球分别带上等量异种电荷,则E M ≠0,E N =0

D ．若使A 球带电,B 球接地,则

E M =0,E N =0 【答案】C 【解析】 【详解】

A ．如果A 带电，则会感应

B 内部带异种电荷，外部电性与A 相同，那么E M ≠0，E N ≠0；故A 错误；

B ．如果B 带电，由于同种电荷的排斥，电荷只分布在外表面E 内=0，即E M ＝0，E N ≠0，B 错误；

C ．如果A 、B 带等量异种电荷，A 与B 的静电感应使B 外表面恰好无电荷量，则E M ≠0，E N =0，故C 正确；

D ．如使A 球带电，B 球接地，是接地屏蔽，

E M ≠0，E N =0，D 错误。

10．如图所示，有两对等量异种电荷，放在正方形的四个顶点处，a 、b 、c 、d 为正方形四个边的中点，o 为正方形的中心，下列说法中正确的是

A．o点电场强度为零

B．a、c两个点的电场强度大小相等方向相反

C．将一带正电的试探电荷从b点沿直线移动到d点，电场力做功为零

D．将一带正电的试探电荷从a点沿直线移动到c点，试探电荷具有的电势能增大

【答案】C

【解析】

【详解】

A. 两个正电荷在O点的合场强水平向右，两个负电荷在O点的合场强也水平向右，所以O 点电场强度不等于零，方向水平向右。故A不符合题意；

B. 设正方形边长为L，每个电荷的电量大小为Q，对A点研究，两个正电荷在A点的合场强为零，根据平行四边形法则，两个负电荷在A点的合场强方向水平向右。则A点的电场强度方向水平向右。对C点研究，两个负电荷在C点的合场强为零，根据平行四边形法则，两个正电荷在C点的合场强方向水平向右，所以A、C两个点的电场强度方向相同。故B不符合题意；

C. 在上面两个等量异种电荷的电场中，B、D连线是一条等势线。在下面两个等量异种电荷的电场中，B、D连线是也一条等势线，所以B、D两点的电势相等，将一带正电的试探电荷从B点沿直线移动到D点，电场力做功为零，故C符合题意；

D. 根据电场的叠加原理可知，AC连线上场强方向水平向右，则将一带正电的试探电荷匀速从A点沿直线移动到C点，电场力做正功，则试探电荷具有的电势能减小，故D不符合题意。

11．如图所示，半径为R的光滑绝缘的半圆形轨道ABC，A点与圆心等高，B点在圆心正下方，轨道固定于电场强度为E的匀强电场中．两个带等量同种电荷小球刚好能静止在轨道的A点和B点．己知两小球质量皆为m，重力加速度为g，静电力常量为k．下列说法正确的是

A．小球带正电

B．小球的带电量为mg/E

C．小球的带电量为2mg k

D ．在A 点小球对轨道的压力大于在B 点小球对轨道的压力 【答案】B 【解析】

若两球均带正电，则球B 不能平衡，则小球带负电，选项A 错误；对小球A 受力分析可知，竖直方向：0

cos45mg F =库；对小球B 受力分析可知，水平方向：

0cos45qE F =库；解得mg=qE ，则 q=mg/E ，选项B 正确；根据对A 竖直方向的方程0

cos45mg F =库，即202cos 45(2)mg R =，解得22mg q R k

=，选项C 错误；对AB 的整体受力分析可知：2NA F Eq =，2NB F mg = 因mg=qE 可知，在A 点小球对轨道的压力等于在B 点小球对轨道的压力，选项D 错误；故选B.

点睛：此题关键是灵活选择研究对象，灵活运用整体法和隔离法列方程；注意轨道对球的弹力方向指向圆心.

12．如图所示，绝缘水平面上一绝缘轻弹簧一端固定在竖直墙壁上，另一端栓接一带负电小物块，整个装置处在水平向右的匀强电场中。现保持匀强电场的场强大小不变，仅将其方向改为指向左偏下方向，物块始终保持静止，桌面摩擦不可忽略，则下列说法正确的是 （ ）

A ．弹簧一定处于拉伸状态

B ．相比于电场变化前，变化后的摩擦力的大小一定减小

C ．变化后的摩擦力不可能为零

D ．相比于电场变化前，变化后弹簧的弹力和摩擦力的合力大小一定变小 【答案】D 【解析】 【分析】 【详解】

A ．如果电场力和弹力都远小于最大静摩擦力，那么无论怎么样改变电场，物块都是静止，弹簧可以处于压缩也可以处于伸长状态，故 A 错误；

B ．不知道弹簧处于拉伸还是压缩状态，不知道电场力和弹力的大小和方向，故无法判断摩擦力方向及大小变化，故B ；

C ．如果变化后电场力的水平分力与弹簧的弹力等大反向，摩擦力为零，故C 错误；

D ．由题根据三个力的平衡可知，弹簧的弹力和摩擦力的合力与水平方向电场力等大反向，水平方向电场力变小，弹簧的弹力和摩擦力的合力必定变小，故D 正确。 故选D 。

13．如图所示，三个质量均为m 的带电小球（球A 、球B 和球C ）被三根不可伸长的绝缘细绳（绳①、绳②和绳③）系于O 点，三球平衡时绳②处于竖直方向，且悬点O 、球A 、球B 和球C 所在位置正好组成一个边长为a 的正方形。已知球A 、球B 和球C 均带正电，

电荷量分别为1q 、2q 和3q ，若2

12kq mg a

=，静电力常量为k ，重力加速度为g ，则下列说

法正确的是（ ）

A ．1q 和3q 可以不相等

B ．绳①和绳②的拉力之比为1:2

C ．绳②的拉力为2mg

D ．122:1q q =: 【答案】B 【解析】 【分析】 【详解】

A ．因②竖直，可知两边电荷AC 对

B 的库仑力相等，因距离相等可知A

C 带电量必然相等，选项A 错误；

BC ．因为2

12kq mg a

=，且13q q =，则

132

1

2(2)

CA F mg a =

= 对A 受力分析可知绳①的拉力

1132

cos 45cos 452T mg mg mg =

+= 对ABC 整体受力分析可得

212cos 453T T mg +=

解得

23

2

T mg =

则

122T T =：

选项B 正确，C 错误；

D ．对球B ，设A 对B 以及C 对B 的库仑力均为F ，则

22cos 45T mg F =+

解得

24

mg

F =

又

12

224

q q mg

k

F a == 结合2

12kq mg a

=可得

1222:1q q =:

选项D 错误。 故选B 。

14．如图所示，按A 、B 、C 、D 四种方式在一个正方形的四个顶点分别放置一个点电荷，所带电量已在图中标出，其中正方形中心场强最大的是（ ）

A ．

B ．

C ．

D ．

【答案】A 【解析】 【分析】

先分析各点电荷在中心处的场强大小和方向，再根据矢量合成法则，即可求出中心处的场强。 【详解】

A ．根据点电荷电场强度公式2kQ

E r

=

，结合矢量合成法则，正方形对角线异种电荷的电场强度，为各自点电荷在中心处相加，因此中心处的合电场强度大小为2

22

kQ E r =； B ．两个负电荷在正方形中心处场强为零，两个正点电荷在中心处电场强度为零，因此中心处的合电场强度大小为0；

C ．同理，正方形对角线的两负电荷的电场强度在中心处相互抵消，而正点电荷在中心处，叠加后电场强度大小为2kQ E r

=

； D ．同理，在中心处的电场强度大小2

2

kQ E r =； 综上比较，正方形中心场强最大的是A ，所以A 正确。 故选A 。 【点睛】

考察点电荷在某点场强的矢量合成。

15．已知均匀带电球壳内部电场强度处处为零，电势处处相等．如图所示，正电荷均匀分布在半球面上，Ox 为通过半球顶点与球心O 的轴线．A 、B 为轴上的点，且OA =OB ．C 、D 为直径上的两点，且OC =OD ．则下列判断正确的是( )

A ．A 点的电势与

B 点的电势相等

B ．

C 点的电场强度与

D 点的电场强度不相同 C ．A 点的电场强度与B 点的电场强度相同

D ．在A 点由静止开始释放重力不计的带正电粒子，该粒子将沿AB 做匀加速直线运动 【答案】C 【解析】 【分析】 【详解】

试题分析：由题意可知半球面右边的电场线是水平向右的，沿电场线方向电势逐渐降低，A 点电势高于B 点电势，A 错误；有对称性原理及电场叠加可知C 点和D 点场强一样；B 错误；B 错误；均匀带电半球相当于一个均匀带正电的球和半个均匀带负电的球，这个半球放在图的另一边．然后看AB 两点，可以看到，AB 两点在在上述涉及到的正电半球和负电半球中的相同的位置上．而由题目给出的条件，正电球在AB 两点产生的电场为零．所以，A 点正电半球产生的电场强度相当于负电半球产生的电场强度，而与B 点的环境比较，唯一的区别是电荷符号相反，从而电场大小相同，只有可能有方向的区别，而分析可知，方向是相同的，故电场强度相等，C 正确；电场线方向水平向右，所以在A 点释放静止带正电的微粒（重力不计），微粒将作加速运动，距离远后电场力减小，所以是变加速运动，D 错误；

二、第九章 静电场及其应用解答题易错题培优（难）

16．如图所示，两块竖直放置的平行金属板A 、B ，两板相距d ，两板间电压为U ，一质量为m 的带电小球从两板间的M 点开始以竖直向上的初速度v 0运动，当它到达电场中的N 点时速度变为水平方向，大小变为2v 0 求（1）M 、N 两点间的电势差

（2）电场力对带电小球所做的功（不计带电小球对金属板上电荷均匀分布的影响，设重力加速度为g ）

【答案】20MN Uv U dg

=；

【解析】 【详解】

竖直方向上小球受到重力作用而作匀减速直线运动，则竖直位移大小为h =20

2v g

小球在水平方向上受到电场力作用而作匀加速直线运动，则 水平位移x =0

22

v t ? h =

2

v t ? 联立得，x =2h =20

v g

故M 、N 间的电势差为U MN =-Ex =-20v U d g =-2

0Uv gd

从M 运动到N 的过程，由动能定理得 W 电+W G =

12m 20(2)v -2

012

mv 所以联立解得W 电=2

02mv

答：M 、N 间电势差为-2

0Uv gd

，电场力做功2

02mv ．

17．(1)科学家发现，除了类似太阳系的恒星-行星系统，还存在许多双星系统，通过对它们的研究，使我们对宇宙有了较深刻的认识．双星系统是由两个星体构成，其中每个星体的线度（直径）都远小于两星体间的距离，一般双星系统距离其他星体很远，可以当做孤立

系统处理．已知某双星系统中每个星体的质量都是M 0，两者相距L ，它们正围绕两者连线的中点做匀速圆周运动，引力常量为G ． 求： ①该双星系统中星体的加速度大小a ； ②该双星系统的运动周期T ．

(2)微观世界与宏观世界往往存在奇妙的相似性．对于氢原子模型，因为原子核的质量远大于电子质量，可以忽略原子核的运动，形成类似天文学中的恒星-行星系统，记为模型Ⅰ．另一种模型认为氢原子的核外电子并非绕核旋转，而是类似天文学中的双星系统，核外电子和原子核依靠库仑力作用使它们同时绕彼此连线上某一点做匀速圆周运动，记为模型Ⅱ．已知核外电子的质量为m ，氢原子核的质量为M ，二者相距为r ，静电力常量为k ，电子和氢原子核的电荷量大小均为e ．

①模型Ⅰ、Ⅱ中系统的总动能分别用E k Ⅰ、 E k Ⅱ表示，请推理分析，比较E k Ⅰ、 E k Ⅱ的大小关系；

②模型Ⅰ、Ⅱ中核外电子做匀速圆周运动的周期分别用T Ⅰ、T Ⅱ表示，通常情况下氢原子的研究采用模型Ⅰ的方案，请从周期的角度分析这样简化处理的合理性．

【答案】(1) ①02GM a L =

②2T = (2) ①2

k k II =2ke E E r =Ⅰ

②T T ⅠⅡ

为M >>m ，可得T Ⅰ≈T Ⅱ，所以采用模型Ⅰ更简单方便． 【解析】 【详解】

(1)①根据万有引力定律和牛顿第二定律有：2

002GM M a L

=

解得0

2

GM a L =

②由运动学公式可知，224π2

L

a T =?

解得2T =(2)①模型Ⅰ中，设电子绕原子核的速度为v ，对于电子绕核的运动，根据库仑定律和牛顿

第二定律有22

2ke mv r r

=

解得：2

2k 122ke E mv r

==Ⅰ

模型Ⅱ中，设电子和原子核的速度分别为v 1、v 2，电子的运动半径为r 1，原子核的运动半径为r 2．根据库仑定律和牛顿第二定律 对电子有：22121mv ke r r =，解得2

2k11121=22ke E mv r r

=

对于原子核有：2

2222=Mv ke r r ，解得22

k22221=22ke E Mv r r

=

系统的总动能：E k Ⅱ=E k1+ E k2=()22

12222ke ke r r r r

+=

即在这两种模型中，系统的总动能相等．

②模型Ⅰ中，根据库仑定律和牛顿第二定律有

22224πke m r r T =Ⅰ

，解得232

24πmr T ke =Ⅰ 模型Ⅱ中，电子和原子核的周期相同，均为T Ⅱ 根据库仑定律和牛顿第二定律

对电子有221224πke m r r T =?Ⅱ， 解得22

122

4πke T r r m =Ⅱ

对原子核有222224πke M r r T =?Ⅱ， 解得22222

4πke T r r M

=Ⅱ

因r 1+r 2=r ，可解得：()

23

22

4πmMr T ke M m =+Ⅱ

所以有

T M m T M

+=Ⅰ

Ⅱ 因为M >>m ，可得T Ⅰ≈T Ⅱ，所以采用模型Ⅰ更简单方便．

18．如图所示的绝缘细杆轨道固定在竖直面内，半径为R 的1/6圆弧段杆与水平段杆和粗糙倾斜段杆分别在A 、B 两点相切，圆弧杆的圆心O 处固定着一个带正电的点电荷．现有一质量为m 可视为质点的带负电小球穿在水平杆上，以方向水平向右、大小等于8

3

gR 的速度通过A 点，小球能够上滑的最高点为C ，到达C 后，小球将沿杆返回．若

∠COB =30°，小球第一次过A 点后瞬间对圆弧细杆向下的弹力大小为83

mg ，从A 至C 小球克服库仑力做的功为

23

mgR -，重力加速度为g ．求：

(1)小球第一次到达B 点时的动能； (2)小球在C 点受到的库仑力大小；

(3)小球返回A 点前瞬间对圆弧杆的弹力．（结果用m 、g 、R 表示） 【答案】（1）56mgR （2）34mg （3）2(833)- 【解析】

【分析】

（1）由动能定理求出小球第一次到达B 点时的动能．

（2）小球第一次过A 点后瞬间，由牛顿第二定律和库仑定律列式．由几何关系得到OC 间的距离，再由库仑定律求小球在C 点受到的库仑力大小．

（3）由动能定理求出小球返回A 点前瞬间的速度，由牛顿运动定律和向心力公式求解小球返回A 点前瞬间对圆弧杆的弹力． 【详解】

（1）小球从A 运动到B ，AB 两点为等势点，所以电场力不做功，由动能定理得：

()

02

11cos602

KB A mgR E mv --=-

代入数据解得：5

6

KB E mgR =

（2）小球第一次过A 时，由牛顿第二定律得：

22A v Qq

N k mg m R R

+-=

由题可知：8

3

N mg =

联立并代入数据解得：

2Qq

k

mg R

= 由几何关系得，OC 间的距离为：

cos30R r R =

=?

小球在C 点受到的库仑力大小 ：

22Qq Qq

F k

k r ==????

库

联立解得3

=

4

F mg 库 （3）从A 到C ，由动能定理得：

2

102

f A W mgR W mv ---=-电

从C 到A ，由动能定理得：

212

f A W mgR W mv +=

'-电

由题可知：22

W mgR -=

电 小球返回A 点时，设细杆对球的弹力方向向上，大小为N ′，由牛顿第二定律得：

22A

v Qq N k mg m

R R

'-'+= 联立以上解得： (

)2833

3

N mg -'=

，

根据牛顿第三定律得，小球返回A 点时，对圆弧杆的弹力大小为(

)2833

3

mg -，方向向

下．

19．如图，在足够大的平行金属板间的水平匀强电场中，有一长为L 的轻质绝缘棒OA ，一端可绕O 点在竖直平面内自由转动，另一端A 处有一带负电、电量为q 、质量为m 的小球，当变阻器滑片在P 点处时，棒静止在与竖直方向成30°角的位置，如图所示。已知此时BP 段的电阻为R ，平行金属板间的水平距离为d 。 （1）求此时金属板间电场的场强大小E 1；

（2）若金属板旋转30°（图中虚线表示），并移动滑片P 的位置，欲使棒能静止的位置与竖直方向的夹角不变，BP 段的电阻R ’应调节为多大？

（3）若金属板不转动，将BP 段的电阻突然调节为3R ，则棒摆动中小球最大动能为多少？

【答案】(1)3mg

(2)32

R (3) (2-3)mgL 【解析】 【详解】

（1）由平衡可知

E 1q =mg tan30°

解得

E 1=

3mg

（2）金属板旋转30°后电场强度方向也相应旋转30°，而合力方向仍与竖直方向成30°角，受力如右图所示。

E 1q =mg