题目
平行板电容器充电后与电源断开,极板间电势差为 U_0,存储的静电能为 W_0;当两极板间距离增大为原来两倍时,两极板间的电势差为 ______ U_0,电容器存储的电场能量为 ______ W_0。(填倍数)
平行板电容器充电后与电源断开,极板间电势差为 $U_0$,存储的静电能为 $W_0$;当两极板间距离增大为原来两倍时,两极板间的电势差为 ______ $U_0$,电容器存储的电场能量为 ______ $W_0$。(填倍数)
题目解答
答案
根据题意,电容器与电源断开后,$ Q $ 不变。
1. 初始电容 $ C_0 = \frac{\varepsilon S}{d_0} $,$ U_0 = \frac{Q_0}{C_0} $,$ W_0 = \frac{1}{2} \frac{Q_0^2}{C_0} $。
2. 距离增大为 $ 2d_0 $ 后,$ C = \frac{C_0}{2} $,$ U = \frac{Q_0}{C} = 2U_0 $。
3. 电场能量 $ W = \frac{1}{2} \frac{Q_0^2}{C} = 2W_0 $。
答案:电势差为 $ 2U_0 $,电场能量为 $ 2W_0 $。
解析
本题考查平行板电容器的电容、电势差和电场能量的相关知识。解题的关键在于明确电容器充电后与电源断开时电荷量 $Q$ 保持不变,然后根据平行板电容器电容公式 $C = \frac{\varepsilon S}{d}$ 分析电容的变化,再结合电势差公式 $U = \frac{Q}{C}$ 和电场能量公式 $W = \frac{1}{2}\frac{Q^2}{C}$ 计算电势差和电场能量的变化。
- 分析初始状态:
- 平行板电容器的电容公式为 $C_0 = \frac{\varepsilon S}{d_0}$,其中 $\varepsilon$ 是极板间介质的介电常数,$S$ 是极板面积,$d_0$ 是初始极板间距。
- 已知初始电势差 $U_0 = \frac{Q_0}{C_0}$,初始电场能量 $W_0 = \frac{1}{2}\frac{Q_0^2}{C_0}$,这里 $Q_0$ 是电容器充电后所带的电荷量。
- 分析极板间距变化后的状态:
- 当两极板间距离增大为原来两倍,即 $d = 2d_0$ 时,此时电容 $C = \frac{\varepsilon S}{d} = \frac{\varepsilon S}{2d_0}$。
- 因为 $C_0 = \frac{\varepsilon S}{d_0}$,所以 $C = \frac{C_0}{2}$。
- 根据电势差公式 $U = \frac{Q}{C}$,由于电荷量 $Q = Q_0$ 不变,$C = \frac{C_0}{2}$,则此时电势差 $U = \frac{Q_0}{C} = \frac{Q_0}{\frac{C_0}{2}} = 2\frac{Q_0}{C_0}$。
- 又因为 $U_0 = \frac{Q_0}{C_0}$,所以 $U = 2U_0$。
- 计算电场能量的变化:
- 根据电场能量公式 $W = \frac{1}{2}\frac{Q^2}{C}$,因为 $Q = Q_0$ 不变,$C = \frac{C_0}{2}$,则此时电场能量 $W = \frac{1}{2}\frac{Q_0^2}{C} = \frac{1}{2}\frac{Q_0^2}{\frac{C_0}{2}} = 2\times\frac{1}{2}\frac{Q_0^2}{C_0}$。
- 又因为 $W_0 = \frac{1}{2}\frac{Q_0^2}{C_0}$,所以 $W = 2W_0$。