Question

14．如图甲所示，两个带正电的小球A、B套在一个倾斜的光滑直杆上，两球均可视为点电荷，其中A球固定，带电量Q_A=2×10^-4C，B球的质量为m=0.1kg．以A为坐标原点，沿杆向上建立直线坐标系，B球的总势能随位置x的变化规律如图中曲线Ⅰ所示，直线Ⅱ为曲线I的渐近线．图中M点离A点距离为6米．（g取10m/s²，静电力恒量k=9.0×10⁹N•m²/C²．）

（1）求杆与水平面的夹角θ；
（2）求B球的带电量Q_B；
（3）求M点电势φ_M；
（4）若B球以E_k0=4J的初动能从M点开始沿杆向上滑动，求B球运动过程中离A球的最近距离及此时B球的加速度．
（5）在图（乙）中画出当B球的电量变成-2Q_B时的总势能随位置x的变化规律曲线．

Answer 1

分析 （1）由图知E_p=mgxsinθ=kx从而的角度θ；
（2）根据平衡条件和库仑定律求解电荷
（3）根据电势和电势能关系求解电势；
（4）根据能量守恒和牛顿运动定律求解加速度a
（5）根据以上分析的B球的电量变成-2Q_B时的总势能随位置x的变化规律曲线．

解答 解：（1）渐进线Ⅱ表示B的重力势能随位置的变化关系，
即E_p=mgxsinθ=kx
sinθ=$\frac{k}{mg}$=0.5
即θ=30°；
（2）由图乙中的曲线Ⅰ知，在x=6m出总势能最小，动能最大，该位置B受力平衡
mgsin30°=K$\frac{{Q}_{A}{Q}_{B}}{{x}^{2}}$
即$1×\frac{1}{2}$=9×10⁹×$\frac{2×1{0}^{-4}{Q}_{B}}{{6}^{2}}$
解得Q_B=1×10^-5C；
（3）M点的电势能E_PM=E_总-E_P=6-3=3J
φ_M=$\frac{{E}_{PM}}{{Q}_{B}}$=$\frac{3}{1×1{0}^{-5}}$=3×10⁵；
（4）在M点B球总势能为6J，根据能量守恒定律，当B的动能为零，总势能为10J，
由曲线Ⅰ知B离A的最近距离为x=2m
K$\frac{{Q}_{A}{Q}_{B}}{{x}^{2}}$-mgsinθ=ma
解得a=9×10⁹×$\frac{2×1{0}^{-4}×1×1{0}^{-5}}{0.1×{2}^{2}}-10$sin30°=40m/s²，方向沿杆向上；
（5）如图

点评 此题考查读图能量，注意选择合适的点，同时要熟练应用牛顿运动定律和能量守恒解题，属于较难的题目．