题目内容
【题目】如图所示，MN和M′N′为两竖直放置的平行光滑长直金属导轨，两导轨间的距离为L。在导轨的下部有垂直于导轨所在平面、方向向里的匀强磁场，磁感应强度为B。在导轨的MM′端连接电容为C、击穿电压为Ub、正对面积为S、极板间可认为是真空、极板间距为d的平行板电容器。在t＝0时无初速度地释放金属棒ef，金属棒ef的长度为L、质量为m、电阻可忽略不计．假设导轨足够长，磁场区域足够大，金属棒ef与导轨垂直并接触良好，导轨和各接触处的电阻不计，电路的电感、空气的阻力可忽略，已知重力加速度为g。
(1)求电容器两端的电压达到击穿电压所用的时间；
(2)金属棒ef下落的过程中，速度逐渐变大，感应电动势逐渐变大，电容器极板上的电荷量逐渐增加，两极板间存储的电场能也逐渐增加。单位体积内所包含的电场能称为电场的能量密度。已知两极板间为真空时平行板电容器的电容大小可表示为C＝
。试证明平行板电容器两极板间的空间内的电场能量密度ω与电场强度E的平方成正比，并求出比例系数(结果用ε0和数字的组合表示)。
【答案】(1) 
(2)
ε0，证明见解析
【解析】
本题为“单棒＋电容器＋导轨模型”，可以根据牛顿第二定律，使用“微元法”对棒列方程求解。
（1）在电容器两端电压达到击穿电压前，设任意时刻t，流过金属棒的电流为i，由牛顿第二定律知，此时金属棒的加速度a满足
mg－BiL＝ma
设在t到t＋Δt的时间内，金属棒的速度由v变为v＋Δv，电容器两端的电压由U变为U＋ΔU，电容器的带电荷量由Q变为Q＋ΔQ，由电流的定义、电荷量与电压和电容间的关系、电磁感应定律以及加速度的定义得
联立得
可知金属棒做初速度为0的匀加速直线运动，当电容器两端电压达到击穿电压时，金属棒的速度为
v0＝
所以电容器两端电压达到击穿电压所用的时间为
。
（2）当电容器两极板间的电荷量增加无穷小量ΔQi时，电容器两端的电压可认为始终为Ui，增加的电场能可用图甲中左起第1个阴影部分的面积表示；同理，当电容器两极板间的电荷量增加无穷小量ΔQi＋1时，电容器两端的电压可认为始终为Ui＋1，增加的电场能可用图甲中左起第2个阴影部分的面积表示；依次类推可知，当电容器的带电荷量为Q′、两端电压为U′时，图乙中阴影部分的面积表示两极板间电场能的大小W′，所以
W′＝U′Q′
根据题意有
ω＝
又
Q′＝U′C，U′＝Ed，C＝
联立解得
ω＝ε0E2
所以电场能量密度ω与电场强度E的平方成正比，且比例系数为ε0。
天天向上一本好卷系列答案
小学生10分钟应用题系列答案
【题目】为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关的通断可通过光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度变化而变化的元件（照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，照度的单位为lx）。某光敏电阻
在不同照度下的阻值如下表：
照度（lx） | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 1.0 | 1.2 |
电阻（ | 75 | 40 | 28 | 23 | 20 | 18 |
（1）请根据表中数据在图一所示的坐标系中描绘出光敏电阻的阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点_________。
（2）如图二所示，当1、2两端所加电压上升至2 V时，控制开关自动启动照明系统。请利用下列器材按要求设计一个简单电路：给1、2两端提供电压，要求天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图___________。（不考虑控制开关对所设计电路的影响）
提供的器材如下：
光敏电阻（符号
，阻值见上表）；
直流电源E（电动势3 V，内阻不计）；
定值电阻
，
，
（限选其中之一并在图中标出）；
开关S及导线若干。
