6、电容器力学综合
电容器通过电学与力学知识联系起来时,解答这一类题目的关键还是在力学上,只要在对物体进行受力分析时,注意对带电体所受的电场力分析,再应用力学相关知识即可求解。必须注意的是:当带电体运动过程中与其它导体有接触时,有可能所带电量要发生变化。
[例9]如图所示,四个定值电阻的阻值相同都为R,开关K闭合时,有一质量为m带电量为q的小球静止于平行板电容器板间的中点O。现在把开关K断开,此小球向一个极板运动,并与此极板相碰,碰撞时无机械能损失,碰撞后小球恰能运动到另一极板处,设两极板间的距离为d,电源内阻不计,试计算:⑴电源电动势ε。⑵小球和电容器一个极板碰撞后所带的电量
。
解析:⑴开关闭合时,电容器两极板间电场方向竖直向上,由小球在O点处静止可知,小球带正电。设两极板间电压为U,则
,即
;由于
无电流,电容器两极板间电压U等于电阻
的端电压,则
,所以
。
⑵开关断开后,两极板间电压为
,
,设此时两极板间场强为
,
;因
小球所受的向上的电场力小于重力,小球向下加速运动与下极板碰撞,碰后小球上升至上极板时速度恰好为零。设小球与下极板碰撞后的电量变为
,对小球从运动过程应用动能定理有
,所以
。
5. 电容器与恒定电流相联系
在直流电路中,电容器的充电过程非常短暂,除充电瞬间以外,电容器都可以视为断路。应该理解的是:电容器与哪部分电路并联,电容器两端的电压就必然与那部分电路两端电压相等。
[例8] 如图所示电路中,
,
,忽略电源电阻,下列说法中正确的是( )
①开关K处于断开状态,电容
的电量大于
的电量;②开关处于断开状态,电容
的电量大于
的电量;③开关处于接通状态,电容
的电量大于
的电量;④开关处于接通状态,电容
的电量大于
的电量。
A.① B.④ C.①③ D.②④
解析:开关断开时,电容
、
两端电压相等,均为E,因为
,由
知
,即
,所以①正确;当开关K接通时,
与
串联,通过R1和R2的电流相等,
与
并联,
与
并联,故
的电压为
,
的电压为
又
,
又
,
,所以
即两电容的电量相等;所以正确选项应为A。
4.两种不同变化
电容器和电源连接如图,改变板间距离、改变正对面积或改变板间电解质材料,都会改变其电容,从而可能引起电容器两板间电场的变化。这里一定要分清两种常见的变化:
(1)电键K保持闭合,则电容器两端的电压恒定(等于电源电动势),这种情况下带电量
而![]()
(2)充电后断开K,保持电容器带电量Q恒定,这种情况下![]()
[例5] 如图所示,在平行板电容器正中有一个带电微粒。K闭合时,该微粒恰好能保持静止。在①保持K闭合;②充电后将K断开;两种情况下,各用什么方法能使该带电微粒向上运动打到上极板?
A.上移上极板M B.上移下极板N
C.左移上极板M D.把下极板N接地
解:由上面的分析可知①选B,②选C。
[例6] 计算机键盘上的每一个按键下面都有一个电容传感器。电容的计算公式是
,其中常量ε=9.0×10-12Fm-1,S表示两金属片的正对面积,d表示两金属片间的距离。当某一键被按下时,d发生改变,引起电容器的电容发生改变,从而给电子线路发出相应的信号。已知两金属片的正对面积为50mm2,键未被按下时,两金属片间的距离为0.60mm。只要电容变化达0.25pF,电子线路就能发出相应的信号。那么为使按键得到反应,至少需要按下多大距离?
解:先求得未按下时的电容C1=0.75pF,再由
得
和C2=1.00pF,得Δd=0.15mm。
[例7]一平行板电容器充电后与电源断开,负极板接地,在两极板间有一正电荷(电量很小)固定在P点,如图所示,以E表示两极板间的场强,U表示电容器的电压,W表示正电荷在P点的电势能。若保持负极板不动,将正极板移到图中虚线所示的位置,则( )
A U变小,E不变
B E变大,W变大
C U变小,W不变
D U不变,W不变
解析:当平行板电容器充电后与电源断开时,对有关物理量变化的讨论,要注意板间场强的一个特点:
,即对于介质介电常数为ε的平行板电容器而言,两极间场强只与极板上单位面积的带电量成正比。
带电量Q不变,两极间场强E保持不变,由于板间d距离减小,据
可知,电容器的电压
变小。由于场强E保持不变,因此,P点与接地的负极板即与地的电势差保持不变,即点P的电势保持不变,因此电荷在P点的电势能W保持不变。所以本题应选AC。
电容式传感器在测量中有着重要的应用,因此在学复习中不可忽视。关键在于抓住所测物理量与电容器中电容的联系,问题就迎刃而解了。
3.平行板电容器的电容
平行板电容器的电容的决定式是:
2.电容器的电容
电容
是表示电容器容纳电荷本领的物理量,是由电容器本身的性质(导体大小、形状、相对位置及电介质)决定的。
1.电容器
两个彼此绝缘又相隔很近的导体都可以看成一个电容器。
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