题目内容

13.光滑绝缘水平面上有一水平向右的匀强电场,其场强大小分布如图(a)所示.两个质量均为m的带电小球A和B由长为2L的轻杆相连,组成一带电系统,球A带电量为+2q,球B带电量为-q.t=0时刻,带电系统由如图(b)所示位置从静止开始运动.若视小球为质点,不计轻杆的质量,求:
(1)当球B刚进入电场时,带电系统速度v1的大小;
(2)当球A刚离开电场时,带电系统速度v2的大小;
(3)通过分析、计算、推理,描述带电系统中的球B从x=0到x=5L的运动状态,并作出对应的v-t图.

分析 (1)在B进入电场前只有A球受电场力2qE,根据牛顿第二定律和运动学公式求B球刚进入电场时系统的速度的大小v.
(2)根据牛顿第二定律求出B进入电场后,带电系统的加速度,带电系统继续做匀加速运动,根据速度位移公式即可求出A刚离开电场的速度;
(3)根据牛顿第二定律和运动学公式求出带电粒子经过各个区域的时间,分段描述小球B的运动情况,再作出v-t图象

解答 解:(1)设带电系统开始运动时,加速度为a1,由牛顿第二定律得:
${F}_{合}^{\;}=2m{a}_{1}^{\;}$     
解得:${a}_{1}^{\;}=\frac{2q{E}_{0}^{\;}}{2m}=\frac{q{E}_{0}^{\;}}{m}$
设球B刚进入电场时,带电系统的速度为v1,由${v}_{1}^{2}=2{a}_{1}^{\;}L$得:
${v}_{1}^{\;}=\sqrt{2{a}_{1}^{\;}L}=\sqrt{\frac{2q{E}_{0}^{\;}L}{m}}$
(2)设球B进入电场后,带电系统的加速度为a2,由牛顿第二定律得:
${F}_{合}^{\;}=2m{a}_{2}^{\;}$     
代入数据解得:${a}_{2}^{\;}=\frac{-q{E}_{0}^{\;}+2q{E}_{0}^{\;}}{2m}=\frac{q{E}_{0}^{\;}}{2m}$
带电系统继续做匀加速运动.
设球A刚离开电场时的速度为v2,由${v}_{2}^{2}-{v}_{1}^{2}=2{a}_{2}^{\;}L$得:
${v}_{2}^{\;}=\sqrt{\frac{3q{E}_{0}^{\;}L}{m}}$
(3)设球B从静止到刚进入电场的时间为t1,(球B从x=0到x=L)则:
${t}_{1}^{\;}=\frac{{v}_{1}^{\;}}{{a}_{1}^{\;}}=\sqrt{\frac{2mL}{q{E}_{0}^{\;}}}$
设从球B进入电场到球A离开电场经历的时间为t2,(球B从x=L 到x=2L)则:${t}_{2}^{\;}=\frac{{v}_{2}^{\;}-{v}_{1}^{\;}}{{a}_{2}^{\;}}=2(\sqrt{3}-\sqrt{2})$$\sqrt{\frac{mL}{q{E}_{0}^{\;}}}$
球A离开电场后,带电系统做减速运动,设加速度为a3,由牛顿第二定律得:
${F}_{合}^{\;}=2m{a}_{3}^{\;}$    
得 ${a}_{3}^{\;}=-\frac{q{E}_{0}^{\;}}{2m}$
设球B运动到电场边缘(x=4L)处,速度为v3,由${v}_{3}^{2}-{v}_{2}^{2}=2{a}_{3}^{\;}×2L$得:
${v}_{3}^{\;}=\sqrt{\frac{q{E}_{0}^{\;}L}{m}}$
设从球A离开电场到球B离开电场所需时间为t3,(球B从x=2 L 到x=4L)则:
${t}_{3}^{\;}=\frac{{v}_{3}^{\;}-{v}_{2}^{\;}}{{a}_{3}^{\;}}$=$2(\sqrt{3}-1)\sqrt{\frac{mL}{q{E}_{0}^{\;}}}$
球B离开电场后(球B从x=4 L 到x=5L),就以v3一直做匀速直线运动.
描述:( 图象加文字)
a-b过程(球B从x=0到x=L)是静止出发,带电系统以加速度a1做匀加速运动,当球B进入电场时,速度为v1,此过程经历时间为t1,通过距离为L;
b-c过程(球B从x=L 到x=2L)是带电系统以加速度a2继续做匀加速运动,经历时间为t2,直到球A到达电场边缘,速度为v2,通过距离为L;
c-d 过程(球B从x=2 L 到x=4L)是带电系统以加速度a3做匀减速运动,经历时间t3,球B到达电场边缘,速度为v3,通过距离为2L;
d-e过程(球B从x=4 L 到x=5L)是带电系统离开电场,以v3做匀速直线运动,直至运动到x=5L 处,即e点.
由此可得v-t图象如下

答:(1)当球B刚进入电场时,带电系统速度v1的大小为$\sqrt{\frac{2q{E}_{0}^{\;}L}{m}}$;
(2)当球A刚离开电场时,带电系统速度v2的大小为$\sqrt{\frac{3q{E}_{0}^{\;}L}{m}}$;
(3)描述:( 图象加文字)
a-b过程(球B从x=0到x=L)是静止出发,带电系统以加速度a1做匀加速运动,当球B进入电场时,速度为v1,此过程经历时间为t1,通过距离为L;
b-c过程(球B从x=L 到x=2L)是带电系统以加速度a2继续做匀加速运动,经历时间为t2,直到球A到达电场边缘,速度为v2,通过距离为L;
c-d 过程(球B从x=2 L 到x=4L)是带电系统以加速度a3做匀减速运动,经历时间t3,球B到达电场边缘,速度为v3,通过距离为2L;
d-e过程(球B从x=4 L 到x=5L)是带电系统离开电场,以v3做匀速直线运动,直至运动到x=5L 处,即e点
由此可得v-t图象如下

点评 解决本题的关键理清带电系统在整个过程中的运动情况,结合牛顿第二定律和运动学公式综合求解,综合性较强,对学生的能力要求较高,需加强这方面的训练.

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