题目内容

如图所示,在方向水平向右、大小为E=6×103N/C的匀强电场中有一个光滑的绝缘平面。一根绝缘细绳两端分别系有带电滑块甲和乙,甲的质量为m1=2×10-4kg,带电量为q1=2×10-9C,乙的质量为m2=1×10-4kg,带电量为q2=-1×10-9C。开始时细绳处于拉直状态。由静止释放两滑块,t=3s时细绳断裂,不计滑块间的库仑力。试求:

(1)细绳断裂前,两滑块的加速度。

(2)在整个运动过程中,乙的电势能增量的最大值。

(3)当乙的电势能增量为零时,甲与乙组成的系统机械能的增量。

 

(1)  0.02m/s2      (2)7.2×10-7J    (3)6.48×10-6J

   


解析:

(1)取水平向右为正方向。将甲、乙及细绳看成一个整体,根据牛顿第二定律,有

          

得   

(2)当乙发生的位移最大时,乙的电势能增量最大。

细绳断裂前,甲、乙发生的位移均为

                

此时甲、乙的速度均为

                     

细绳断裂后,乙的加速度变为

        

从细绳断裂到乙速度为零,乙发生的位移

                  

整个运动过程乙发生的最大位移为

此时乙的电势能增量为

 

(3)当乙的总位移为零,即乙返回到原出发点时,乙的电势能增量为零。

设细绳断裂后,乙经时间返回到原出发点,则有  

代入数据,有    

解得:      (不合题意,舍去。)                 

乙回到原出发点时的速度为

                

细绳断裂后,甲的加速度变为

              

乙回到原出发点时甲的速度为

                 

甲与乙组成的系统机械能的增量为

   

方法二:当乙的总位移为零,即乙返回到原出发点时,乙的电势能增量为零。此时电场力对甲所做的功即为甲与乙组成的系统机械能的增量。

设细绳断裂后,乙经时间返回到原出发点,则有 

代入数据,有

解得:      (不合题意,舍去。)   

细绳断裂后,甲的加速度变为

细绳断裂后,甲继续发生的位移为

     

当乙的电势能增量为零时,甲发生的总位移为

                   

电场力对甲所做的总功为

        

此即甲与乙组成的系统机械能的增量。

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