场强和电势能是高考真题。
场强就不用说了。电势:描述电场(带电)势能的物理量,也描述电场(带电)做功的能力。电场中某一点的电势等于电势能与电荷之比;它也等于当电荷从这一点移动到零电势点时,电场力所做的功与电荷量之比。由此可以分析出,某一点的电势不仅与该点的场强有关,还与零势能点的选取有关。
零势能点的选择是任意的。但我们通常会选择“无穷大”。所谓“正电荷周围的正电位”和“负电荷周围的负电位”也是基于这个假设。根据你的问题描述,第一个问题显然是选择“无穷大”作为零势能点。
那么零电位点选定后,某一点的电位似乎只与该点的场强有关。这在均匀电场中是正确的,这可以通过简单地推导公式而得知,即:
φ=?ES?(φ:势;e:场强;s:从“测试点”到“零电位点”的“有效位移”)。
但是,在其他情况下,就没那么简单了。的确,零电位点选定后,电场中各点的电位都是一个固定值。一个点的势确实只与该点的位置有关,但它不仅与该点的场强有关,还与该点和零势能点之间所有点的场强有关。
我们知道,功(包括电场力所做的功)是“力”在“空间”的累积效应,力在某一过程中所做的功与过程中每一点力的大小和方向有关。对于均匀电场来说,实际上是一个恒力在作功,所以电场力所做的功只与位移有关。但对于非均匀电场,某一点的场强为零,并不意味着电荷从该点向零势能点运动过程中电场力所做的“总功”为零,因为“途中”各点的场强不一定为零。
在你的第一个问题中,电荷相同的两条线的中点就是这样一个点。这一点的场强为零。然而,当一个正电荷从这个点移动到一个零电势点(无穷大)时,例如,沿着连接两个电荷的垂直平分线,它会向上或向下移动。在这个过程中,电场要做正功,电势要降低,所以电势也会降低,也就是说这个点的电势为正。从这个电场的等势面图可以看出,电场的零势能点在无穷远处,这个点高于中垂线上的其他点,自然高于无穷远处的零势能点。
从上面可以看出“场强为零的点,电势未必为零”,那么“电势为零的点,场强是否为零”?答案是否定的,例子是你的第二个问题。两个等量的异种电荷,它们所连接的中垂线上各点的场强不为零,但各点的电势为零。当然前提是“无穷大”是零势能点。我们可以画出这个电场的电场线和等电位面。很明显,这个中垂线是一个等势面,电荷在同一个等势面上运动,电场不做功(因为“力”和“位移”始终是垂直的)。因此,当电荷沿着这条线移动到无穷大时,电势保持不变,即电势保持不变,为零。
但很明显,这条中垂线上各点的场强不为零,其大小随离两条电荷中心线距离的增大而减小,其方向垂直于中垂线,指向负电荷侧。所以当正电荷向负电荷侧移动时,电场力必然做正功,电势能必然减小,所以负电荷侧的电势是小于零电势的负电位。所以“电位为零的点,场强可能不为零。”当然,这与零势能点的选取有关。
对于你的问题“如何比较两点的电势”,可以这样做:把一个正电荷从?答?把重点移到?b?点,看电场力做的总功。如果总功为正,说明势能减小,所以势能减小。
是的,是吗?答?点电位高于?b?点;相反,a?点电位低于?b?点。这种方法适用于各种电场。从电场的等电位面图中,我们还可以看到各点的电位情况:等电位面上各点的电位相同;沿着电场线,电势总是减小。