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张前军物理教学随笔

教学活泼,擅于反思,偶有论文发表,欢迎有志于搞好物理学习和教学的朋友加入交流。

 
 
 

日志

 
 

电势能变化电场力一定做功吗?  

2011-03-15 09:20:32|  分类: 选修3-2 |  标签: |举报 |字号 订阅

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写在前面:关于电场力做功与电势能变化之间必然的功能关系,但在下面例题中却存在了一种疑惑:电势能变化而电场力却不做功,问题出在何处呢?

       例题:一平行金属板电容器,充电后与电源断开,正极板接地,在两极间有一个正电荷固定在P点,如图所示.以E表示两极板间的场强,U表示两极板间的电势差,W表示电荷在P点的电势能.若保持负极不动,将正极板移到图中虚线所示位置,则(     )电势能变化电场力一定做功吗? - 张前军 - 张前军物理工作室
       A.U变小,E不变    B.U变小,W不变

C.E变大,W变大        D.E不变,W变小

关于电势能W的变化情况原文有两种不同意见,第一种意见认为:电荷位置不变,电场力不做功,电势能W不变;第二种意见认为:根据电势能公式 ,E不变, 变小,电势能W变大.第二种意见根据“重力势能在数值上等于物体从该处到参考平面重力做的功”这一势能数值定义方法进行类比分析,虽然支持了第二种意见的结论却回避了原文中真正的困惑:在本题中电场力做功与电势能变化关系是否还成立,即第一种意见错在何处.

笔者认为:在本题中经典的电场力做功与电势能变化关系是成立的,第一种意见的错误在于功选错了参考系.

大家都知道势能具有相对性,却忽略了功也具有相对性,功的定义式W=FLcosa,式中L表示物体的位移,显然选择不同的参考系物体的位移会不同,力做功也会不同.因此,在功能关系理论应用中功和能是必须要选择同一参考系.在第一种意见中电场力做功所选参考系是地面,而电势能所选参考系却又是移动的正极板,参考系选择不统一从而导致了功能关系的错误应用.因此,本题的正确分析应为:电势能是选择向下移动的正极板为参考系的,电场力做功也要选择向下移动的正极板为参考系,此时正电荷是向上靠近正极板,电场力做负功,根据电场力做功与电势能变化关系自然而然得到电势能变大这一正确结论.

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