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電勢差

王尚老師微信

電勢差是靜電場中較難理解的概念。要深入理解電勢差,需要從其概念,及其與電勢、電勢能、電壓、電場力做功、電荷正負性之間的關聯來剖析。本文對這些問題做了詳細的解析。

電勢差的概念

電勢差就是我們初中接觸過的電壓,也稱作電位差,是衡量單位電荷在靜電場中由于電勢不同所產生的能量差的物理量。

電勢差大小等于單位正電荷因受電場力作用從A點移動到B點所做的功,公式表述就是U=W/q;

電勢差雖然是標量,不過也是有方向的。這一點類似于電流。

電勢差的方向規定為從高電勢點指向低電勢點的方向。電勢差的國際單位制為伏特(V,簡稱伏),常用的單位還有毫伏(mV)、微伏(μV)、千伏(kV)等。

電勢差

電勢差與電勢的關系

與字面意義一致,電勢差即為電勢之差,AB兩點的電勢差滿足下述關系:

電勢差

電勢差與高度差的類比

靜電場中的電勢差運算,完全不同于初中的電路運算,幾乎都是和能量、做功聯系在一起的,是一個非常抽象的概念。

為了便于同學們理解,高中物理網將電勢差與高度差進行類比。下面我們以正電荷為例進行說明。

假設在某電場中,把一個正電荷從A移動到B,電場力正功,那么U=W/q為正;說明A點的電勢比B點高。

假設在重力場中,把一個質點從A移動到B,重力做正功,那么H=W/mg,也為正;說明A點比B點的位置要高。

假設在某電場中,如果把一個負電荷從A移動到B,電場正功,那么U=W/q為負;說明A點的電勢比B點低。

假設在重力場中,把一個質點從A移動到B,重力做負功,那么H=W/mg,也為負;說明A點比B點的位置要低。

假設在某電場中,如果把一個負電荷從A移動到B,電場負功,那么U=W/q為正;說明A點的電勢比B點高。

電勢差與電壓的關系

兩者是一個概念,不過研究的領域是不同的。為了辨析,我們就劃分成兩個概念。

在靜電場這個章節,研究的是微觀領域內電荷的運動、做功、能量,我們稱之為電勢差。

在含有導體的電路中我們重點研究大量電荷的移動(即電流),串并聯關系,產生的熱能,這個時候不會去研究單獨某個電子的運動與做功情況,我們稱之為電壓。

問題:如何深入理解電勢差的概念?

電勢差的概念非常難理解,同學們要采用類比的方法來慢慢磨這個知識點。

類比高度差、重力做功與重力勢能的關系,來理解電勢差,電場力做功與電勢能的關系。

某小球,從A移動到B,移動過程高度為正,即,從較高的位置A落到較低的位置B,重力做正功,重力勢能降低。WG>0;EA>EB

某帶正電的物體,從A移動到B,移動過程電勢差為正,即,從較高的電勢點A移動到較低的電勢點B,電場力做正功,電勢能降低。W>0;EA>EB

請同學們認真閱讀上面的這兩段話,接下來說負電問題。

正如,AB兩點的高度差不會隨著物體大小改變一樣,AB兩點的電勢差,也不會因為帶電的正負性改變。

然而,帶電的正負性,會影響到電場力做功,電勢能的變化也就不同了。

某帶負電的物體,從A移動到B,移動過程電勢差為正,即,從較高的電勢點A移動到較低的電勢點B,電場力做負功,電勢能增加。W<0;EA<EB

電勢差與電場運動電荷無關

學生靜電場學習問題與王尚老師的答疑。主要解決學生問題:電勢差與電荷的正負有關系嗎?電勢差的大小與電場力做功有關系嗎?

學生物理問題與王尚老師答疑

王尚老師您好,我們在學習靜電場的內容。我這里學的比較困惑,概念太多,理解起來吃力。

比如電勢差的概念,我們課堂老師講的挺快的,沒有說清楚,我沒有跟上老師,后來發現很多題都做不對。

請問電勢差與電荷的正負有關系嗎?

電勢差概念理解

王尚老師答疑

電勢差的概念與基本求解式

電勢差,說白了就是我們初中接觸過的電壓。同樣的物理量,我們研究的領域不同,說法就不同。

我們靜電場這個章節,研究的是微觀領域內電荷的運動、做功、能量,并不是在含有導體的電路中研究電流、電勢差(電壓)的。后者是下個章節《恒定電路》中要學習的。

正電荷從A點移動到B點電場力做功,AB兩點電勢差等于做功與電荷的比值,公式表述就是UAB=W/q;請注意,計算時分子與分母要考慮正負性。

1.舉個例子,如果是5C的正電荷,從A點移動到B點,電場力做功50J,那么UAB=50/5(v)=10(v);

2.再舉例子,如果是5C的正電荷,從C點移動到D點,電場力做功-50J,那么UCD=-50/5(v)=-10(v);

3.再舉例子,如果是5C的負電荷,從E點移動到F點,電場力做功50J,那么UEF=50/-5(v)=-10(v);

4.再舉例子,如果是5C的負電荷,從G點移動到H點,電場力做功-50J,那么UGH=-50/-5(v)=10(v);

別問我為什么,就是這樣計算,教材上也是這么講的。

特別注意的是,分子、分母都考慮正負號,你記住就行,做題就不會出錯。

搞懂了電勢差的基本概念和計算公式了,接下來,我再說你的問題。

電勢差與電勢能

(1)電勢差與電荷的正負有關系嗎?

先來說答案:電勢差與電場運動電荷無關。為什么呢?

兩點A與B之間的電勢差,由其本身的位置和原始的電場決定,與電場中運動電荷的正負無關。還是借助高度差、重力勢能與重力做功的關系來理解:

比如說,A點與B點的位置,到底誰高誰低,并不是由被舉高或自由下落的外在物體決定的。

你可以通過上面電勢差的定義,和我舉的四個例子,帶幾組數據,把負電荷從A移動到B,計算出的電勢差U,與把正電荷從A移動到B,你會發現計算出的電勢差U是一樣的。

理解一個概念不容易,既要基于課本,又要超脫課本。

下面,我再補充一個問題,便于你更進一步理解電勢差的概念,問題是:

(2)兩點電勢差的大小與電場力做功有關系嗎?

答案是,沒有關系。

因為,電勢差是一個比值,做功多就是做功多,并不能說明電勢差大。

還是借助高度差、重力勢能與重力做功的關系來理解:

比如說,A點與B點的位置,到底誰高誰低,與物體的重力有關系嗎?當然是沒有關系的了。

只不過,越重的物體,其移動同樣的高度,重力做功的絕對值越大。

反應到咱們這個問題上來,就是電場力做功多,有可能是電荷量多,比值不變。

更深入理解電勢差的概念,我還推薦你閱讀這篇文章:

電勢能http://www.z3979.com/zongjie/kaodian/480399.html

電勢差的公式

與電勢差概念相關的物理公式有兩個:

電勢差

電勢差

此外,還有電勢差與勻強場強的關系U=E*d;以及電容的關系式U=Q/C;

電勢差和電勢能的關系

電荷在移動中電勢會改變,如果這個過程中電場力做正功,那么電勢能減小。

反之,如果這個過程中電場力做負功,那么電勢能增大。

根據功與能的對應關系,電勢能的改變量的絕對值,等于電荷量與電勢差乘積(qU)的絕對值。

電勢差和電場強度的關系

勻強電場中,電勢差與電場強度的關系是U=Ed;

簡單的證明過程是:U=W/q=Fs/q=Es=Ed;這里的s就是d,指的是沿著電場線方向的運動距離。

電勢差和等勢面

由各個相等的電勢,組成一個面,這樣的面我們稱之為等勢面。等勢面上所有的點,電勢都相等。任意兩點的電勢差為零。

電場線總是與等勢面正交,并指向電勢降低的方向。

電勢差與電容的關系

對平行板電容器而言,電勢差與電容的關系為:C=Q/U;C指的是電容,U指的是兩板間的電勢差,Q指的是電荷量。

電勢差與驗電器

參考文獻

電場強度http://www.z3979.com/zongjie/kaodian/480396.html

電勢的概念http://www.z3979.com/zongjie/kaodian/480398.html

電動勢http://www.z3979.com/zongjie/kaodian/437834.html

電壓http://chuzhongwuli.com/188/

點電荷http://www.z3979.com/zongjie/kaodian/480395.html

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