(单选题)极板面积为 S,间距为 d 的平行板电容器,接入电源,保持电压 U 恒定,此时若把间距拉开为 2d,则电容器中的静电能改变了A. Large((varepsilon_0 S)/(2d))U^2。B. -Large((varepsilon_0 S)/(4d))U^2。C. Large((varepsilon_0 S)/(4d))U^2。D. -Large((varepsilon_0 S)/(2d))U^2。
A. $\Large{\frac{\varepsilon_0 S}{2d}}$$U^2$。
B. $-\Large{\frac{\varepsilon_0 S}{4d}}$$U^2$。
C. $\Large{\frac{\varepsilon_0 S}{4d}}$$U^2$。
D. $-\Large{\frac{\varepsilon_0 S}{2d}}$$U^2$。
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查平行板电容器在恒定电压下改变极板间距时静电能的变化。关键在于理解电容变化与静电能的关系,以及电压恒定时电容变化对电荷量的影响。
解题核心思路:
- 电容公式:平行板电容器的电容 $C = \frac{\varepsilon_0 S}{d}$,当间距 $d$ 变为 $2d$ 时,电容变为原来的 $\frac{1}{2}$。
- 静电能公式:在电压恒定条件下,静电能 $W = \frac{1}{2} C U^2$,因此电容变化会导致静电能变化。
- 能量变化计算:通过比较改变前后的静电能差值 $\Delta W = W_{\text{新}} - W_{\text{旧}}$,即可得到答案。
破题关键点:
- 电压恒定意味着 $U$ 不变,需用 $W = \frac{1}{2} C U^2$ 计算静电能。
- 电容减小导致静电能减少,需注意符号(负号表示静电能减少)。
步骤1:计算初始电容和静电能
初始电容为:
$C_1 = \frac{\varepsilon_0 S}{d}$
初始静电能为:
$W_1 = \frac{1}{2} C_1 U^2 = \frac{1}{2} \cdot \frac{\varepsilon_0 S}{d} \cdot U^2$
步骤2:计算新电容和静电能
间距变为 $2d$ 后,新电容为:
$C_2 = \frac{\varepsilon_0 S}{2d}$
新静电能为:
$W_2 = \frac{1}{2} C_2 U^2 = \frac{1}{2} \cdot \frac{\varepsilon_0 S}{2d} \cdot U^2$
步骤3:计算静电能变化量
静电能变化量为:
$\Delta W = W_2 - W_1 = \frac{1}{2} U^2 \left( \frac{\varepsilon_0 S}{2d} - \frac{\varepsilon_0 S}{d} \right)$
化简得:
$\Delta W = \frac{1}{2} U^2 \cdot \left( -\frac{\varepsilon_0 S}{2d} \right) = -\frac{\varepsilon_0 S U^2}{4d}$
结论:静电能减少了 $\frac{\varepsilon_0 S U^2}{4d}$,对应选项 B。