题目内容

16.如图所示,地面上方两个竖直放置的平行金属极板,左极板带正电,右极板带负电,两板间形成匀强电场,带电颗粒从中线上A点处静止释放.己知A点距两板上端h=0.2m,两板间距d=0.4m,板的长度L=0.25m,电场仅局限于平行板之间,颗粒所带电量与其质量之比$\frac{q}{m}$=10-5C/kg,颗粒刚好从左极板边缘离开电场,取g=10m/s2
(1)颗粒刚进入电场时的速度多大?
(2)颗粒带何种电荷?两极板间的电压多大?
(3)颗粒刚离开电场时的速度是多大?

分析 (1)颗粒进入电场前做自由落体运动,根据自由落体运动规律求得进入电场时的速度;
(2)在电场中颗粒向左偏,可知颗粒带负电,再根据水平方向的竖直方向的受力分析两极板间的电压;
(3)根据动能定理求得颗粒离开电场时的速度大小即可.

解答 解:(1)颗粒进入电场前自由下落,可知:进入电场时的速度满足:
$v_1^2=2gh$,
得:v1=$\sqrt{2gh}=\sqrt{2×10×0.2}m/s=2m/s$
(2)依题意,颗粒从左极板边缘离开电场,可知颗粒在电场中受到向左的电场力,而左极板带正电从而可知颗粒带负电荷;在电场中运动时竖直方向,颗粒匀加速下落,有:
$L={v_1}t+\frac{1}{2}g{t^2}$,
由于L=0.25m,v1=2m/s,
可得颗粒在电场中的运动时间:t=0.1s
颗粒在水平方向受到恒定的向左的电场力,颗粒做初速度为0的匀加速,故有:
$\frac{1}{2}d=\frac{1}{2}a{t^2}$
代入d=0.4m,t=0.1s可得:颗粒的加速度为:
a=40m/s2
由牛顿第二定律有:$a=\frac{F}{m}$=$\frac{qU}{md}$
所以可得:U=$\frac{mad}{q}=\frac{ad}{\frac{q}{m}}=\frac{40×0.4}{1{0}^{-5}}V$=1.6×106V
(3)颗粒由释放到达地面,由动能定理:
$mg(h+L)+q\frac{1}{2}U=\frac{1}{2}m{v^2}$
代入数据可得颗粒的速度为:v=5m/s
答:(1)颗粒刚进入电场时的速度为m/s;
(2)颗粒带负电荷,两极板间的电压为1.6×106V;
(3)颗粒刚离开电场时的速度是5m/s.

点评 本题是考查自由落体运动和带电粒子在电场中的偏转问题,关键是能根据运动的合成与分解分析带电粒子在电场中的运动.

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