题目内容

17.如图1所示,两平行金属板水平放置,板间存在着如图2所示的交变电场,极板长为L,板间距离为d,取竖直向上的方向为电场强度的正方向.一带电量为q的正电荷从两板正中间的位置由左侧射入板间,初速度为v0,已知电荷所受电场力大小是其重力的2倍,重力加速度为g,且0时刻射入的粒子正好可从板间射出.求:
(1)两板间距d应满足的条件
(2)0时刻射入的粒子射出板间时的动能.

分析 (1)将电荷的运动分解为水平方向和竖直方向,在水平方向上做匀速直线运动,在竖直方向上,结合受力,根据牛顿第二定律和运动学公式求出最大位移的大小,从而得出d满足的条件.
(2)根据竖直方向上的运动规律,结合运动学公式求出末时刻竖直方向的分速度,结合平行四边形定则求出射出时的动能.

解答 解:(1)0~$\frac{L}{2{v}_{0}^{\;}}$内,电荷所受的电场力方向竖直向上,根据牛顿第二定律得,${a}_{1}^{\;}=\frac{q{E}_{0}^{\;}-mg}{m}=g$
则粒子向上运动的位移${y}_{1}^{\;}=\frac{1}{2}{a}_{1}^{\;}{t}_{\;}^{2}=\frac{1}{2}g×\frac{{L}_{\;}^{2}}{4{v}_{0}^{2}}=\frac{g{L}_{\;}^{2}}{8{v}_{0}^{2}}$
粒子的速度${v}_{y}^{\;}={a}_{1}^{\;}t=\frac{gL}{2{v}_{0}^{\;}}$
$\frac{L}{2{v}_{0}^{\;}}$~$\frac{L}{{v}_{0}^{\;}}$内,电荷所受的电场力方向竖直向下,根据牛顿第二定律得,${a}_{2}^{\;}=\frac{q{E}_{0}^{\;}+mg}{m}=3g$
向上速度减为零的时间$t′=\frac{{v}_{y}^{\;}}{{a}_{2}^{\;}}=\frac{L}{6{v}_{0}^{\;}}<\frac{L}{2{v}_{0}^{\;}}$,知在竖直方向上粒子向上做匀减速运动到零后再向下做匀加速运动,
向上匀减速运动的位移${y}_{2}^{\;}=\frac{{v}_{y}^{2}}{2{a}_{2}^{\;}}=\frac{\frac{{g}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}}{4{v}_{0}^{2}}}{6g}=\frac{g{L}_{\;}^{2}}{24{v}_{0}^{2}}$
可知$\frac{d}{2}≥{y}_{1}^{\;}+{y}_{2}^{\;}=\frac{g{L}_{\;}^{2}}{6{v}_{0}^{2}}$
则$d≥\frac{g{L}_{\;}^{2}}{3{v}_{0}^{2}}$
(2)粒子射出复合场时,竖直方向的分速度${v}_{y}^{′}={v}_{y}^{\;}-{a}_{2}^{\;}\frac{L}{2{v}_{0}^{\;}}=-\frac{gL}{{v}_{0}^{\;}}$,负号表示方向
则射出时的动能${E}_{k}^{\;}=\frac{1}{2}m({v}_{0}^{2}+{v}_{y}^{'2})=\frac{1}{2}m({v}_{0}^{2}+\frac{{g}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}}{{v}_{0}^{2}})$=$\frac{q{E}_{0}^{\;}}{4g}({v}_{0}^{2}+\frac{{g}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}}{{v}_{0}^{2}})$
答:(1)两板间距d应满足的条件$d≥\frac{g{L}_{\;}^{2}}{3{v}_{0}^{2}}$
(2)0时刻射入的粒子射出板间时的动能$\frac{q{E}_{0}^{\;}}{4g}({v}_{0}^{2}+\frac{{g}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}}{{v}_{0}^{2}})$

点评 本题考查电荷在复合场中的运动,知道前一段时间和后一段时间内竖直方向的加速度不同,结合牛顿第二定律和运动学公式综合求解.

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