高中物理 09 静电场、电荷、库仑定律、电场强度

电势

定义：电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值，叫做这一点的电势。用\(\varphi\)表示，即\(\varphi=\frac{E_{p}}{q}\)。

单位：伏特，简称伏，符号是\(V\)。

相对性：电势是相对的，只有先确定了零电势点，才能确定某点的电势值。通常选取无穷远处或大地为零电势点。

等势面：电场中电势相同的各点构成的面叫做等势面。等势面一定与电场线垂直，在同一等势面上移动电荷时，电场力不做功。

定义：电场中两点间电势的差值，也叫电压。用\(U_{AB}\)表示\(A\)、\(B\)两点间的电势差，即\(U_{AB}=\varphi_{A}-\varphi_{B}\)。

与电场力做功的关系：电场力做功与电势差的关系为\(W_{AB}=qU_{AB}\)，由此可知，电场力做功与路径无关，只与初末位置的电势差有关。

电势能：电荷在电场中具有的势能叫做电势能，用\(E_{p}\)表示。电势能是相对的，其大小与零电势点的选取有关。电场力做正功时，电势能减小；电场力做负功时，电势能增加，即\(W_{AB}=E_{pA}-E_{pB}\)。

动能定理在电场中的应用：在电场中，合外力对电荷做功等于电荷动能的增量，即\(W_{合}=\Delta E_{k}\)。这里的合外力做功包括电场力做功以及其他力做功。

定义：电容器所带的电荷量\(Q\)与电容器两极板间的电势差\(U\)的比值，叫做电容器的电容，用\(C\)表示，即\(C=\frac{Q}{U}\)。

单位：法拉，简称法，符号是\(F\)。\(1F = 1C/V\)，常用的单位还有微法\((\mu F)\)和皮法\((pF)\)，\(1\mu F = 10^{-6}F\)，\(1pF = 10^{-12}F\)。

平行板电容器：平行板电容器的电容与两极板的正对面积\(S\)成正比，与两极板间的距离\(d\)成反比，与两极板间电介质的介电常数\(\varepsilon\)成正比，其表达式为\(C=\frac{\varepsilon S}{4\pi kd}\)，其中\(k\)为静电力常量。

电容器的充电和放电：充电时，电源的电能转化为电容器的电场能，使电容器两极板带上等量异种电荷；放电时，电容器的电场能转化为其他形式的能，两极板上的电荷中和。

电场能的性质：电场具有能量，电场的能量与电场强度、电势等物理量有关。在电容器充电过程中，电源提供的能量一部分转化为电容器储存的电场能，另一部分转化为电路中的热能等其他形式的能。

电场力做功与能量转化：电场力做功的过程就是电势能与其他形式的能相互转化的过程。例如，在带电粒子在电场中的加速或偏转问题中，电场力做功使粒子的动能增加，电势能减小，实现了电场能与动能的相互转化。

电势、电容等概念是静电场中的重要知识点，它们不仅有助于深入理解电场的性质，而且在电子技术、电力工程等领域有着广泛的应用。同时，这些内容也是高中物理电学部分的重点和难点，在高考中经常出现相关的考题。