题目内容

【题目】如图所示,密立根油滴实验的装置示意图。一带负电油滴处于水平放置的两平行金属板A、B之间。当平行板不带电时,油滴由于受到重力作用加速下落,速率变大,受到的空气阻力也变大,因此油滴很快会以一恒定速率v1匀速下落。当上极板A带负电,下极板B带等量正电时,两极板之间形成的电场可看作匀强电场且电场强度为E,该油滴下落的最终速率为v2.已知运动中油滴受到的阻力可由公式f=kv计算(其中k为常数),速率v1、v2、常数k、电场强度E均为已知,带电油滴运动过程中始终未触及极板。求:

(1)油滴的重力G;

(2)油滴所带的电量大小q;

(3)若将两极板A、B上所带电荷互换,请分析油滴的运动过程,并求出最终速率v3。

【答案】(1)油滴的重力G为kv1;(2)油滴所带的电量大小q为;(3)①若qE<G,即v1<v2<2v1时:最终速率v3=2v1﹣v2;②若Eq=G,即v2=2v1时:最终速率v3′=0;若Eq>G,即v2>2v1时:最终速率v3″=v2﹣2v1。

【解析】

(1)当平行板不带电时,根据平衡列式求解;

(2)当上极板A带负电,下极板B带等量正电时,根据平衡求解油滴电荷量;

(3)根据受力分析,分析讨论油滴的各种运动情况。

(1)当平行板不带电时,最终以一恒定速率v1匀速下落,此时受力分析如图所示:

根据平衡得:G=kv1

(2)当加上竖直方向的匀强电场后,油滴最终以v2匀速下落,此时油滴受力分析如图所示:

根据平衡得:G+Eq=kv2

解得:q=

(3)将两极板A、B上所带电荷互换,电场强度不变,方向相反,竖直向下,油滴受力如图所示:

开始时,向上的力大于向下的力,油滴将向下做减速直线运动,规定竖直向下为正方向

根据牛顿第二定律得:

①若qE<G,即v1<v2<2v1时:

油滴将做向下的加速度减小的变减速,最终向下匀速,此时,Eq+kv3=G

k(v2﹣v1)+kv3=kv2

最终速率v3=2v1﹣v2

②若Eq=G,即v2=2v1时:

油滴将做加速度减小的变减速,最终速度为零,即静止;最终速率v3′=0

③若Eq>G,即v2>2v1时:油滴将向下做加速度减小的变减速直线运动,速度减为零后,又向上做加速直线运动,受力如图所示:

;v变大,a减小,即又会做向上的加速度减小的变加速直线运动,最终向上匀速,此时受力分析如图所示:

此时Eq=G+kv3″

k(v2﹣v1)=kv1+kv3″

最终速率v3″=v2﹣2v1

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