题目内容

9.如图所示,正方形绝缘光滑水平台面WXYZ边长l=1.8m,距地面h=0.8m.平行板电容器的极板CD间距d=0.1m且垂直放置于台面,C板位于边界WX上,D板与边界WZ相交处有一小孔.电容器外的台面区域内有磁感应强度B=1T、方向竖直向上的匀强磁场.电荷量q=5×10-13 C的微粒静止于W处,在CD间加上恒定电压U=2.5V,板间微粒经电场加速后由D板所开小孔进入磁场(微粒始终不与极板接触),然后由XY边界离开台面.在微粒离开台面瞬时,静止于X正下方水平地面上A点的滑块获得一水平速度,在微粒落地时恰好与之相遇.假定微粒在真空中运动,极板间电场视为匀强电场,滑块视为质点,滑块与地面间的动摩擦因数μ=0.2,取g=10m/s2.
(1)求微粒在极板间所受电场力的大小并说明两板的极性;
(2)求由XY边界离开台面的微粒的质量范围;
(3)若微粒质量m0=1×10-13kg,求滑块开始运动时所获得的速度.

分析 (1)微粒在平台上按顺时针方向转动,由左手定则可判断微粒的电性;在平行板电容器间加速,从而可判断两板的极性.
(2)微粒要由XY边界离开台面,由两个边界条件:一个是从XY的左端离开,再者是轨迹与YZ相切到达XY边离开台面,做出两种情况下的轨迹图,从而可知轨迹半径的范围,再由微粒在匀强磁场中的圆周运动的半径公式,可求出微粒的质量范围.
(3)先由半径公式结合微粒的质量求出微粒的运动半径,求出从XY边缘离开平台时的位置及与XY边的夹角,此后微粒做平抛运动,直到与滑块相遇;滑块做匀减速直线运动,应用运动学公式结合几何关系,便可求出滑块的初始速度

解答 解:(1)微粒在极板间所受电场力大小为:F=$\frac{qU}{d}$…①
代入数据得:F=1.25×10-11 N…②

由微粒在磁场中的运动可判断微粒带正电荷,微粒由极板间电场加速,故C板为正极,D板为负极.
(2)若微粒的质量为m,刚进入磁场时的速度大小为v,由动能定理有:Uq=$\frac{1}{2}$mv2…③
微粒在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力充当向心力,若圆周运动半径为R,有:qvB=m$\frac{{v}^{2}}{R}$…④
微粒要从XY边界离开台面,则圆周运动的边缘轨迹如图所示,半径的极小值与极大值分别为:
R1=$\frac{1}{2}l$…⑤
R2=l-d…⑥
联立③~⑥,代入数据,有:8.1×10-14 kg<m≤2.89×10-13 kg…⑦
(3)如图所示,微粒在台面以速度v做以O点为圆心、R为半径的圆周运动,从台面边缘P点沿与XY边界成θ角飞出做平抛运动,落地点为Q,水平位移为s,下落时间为t.设滑块质量为M,滑块获得速度v0后在t内沿与平台前侧面成φ角方向,以加速度a做匀减速直线运动到Q,经过位移为k.由几何关系有:cosθ=$\frac{l-R}{R}$…⑧
根据平抛运动,有:
t=$\sqrt{\frac{2h}{g}}$…⑨
s=vt…⑩
对于滑块,由牛顿定律及运动学方程,有:
μMg=Ma…(11)
k=v0t-$\frac{1}{2}$at2…(12)
再由余弦定理,k2=s2+(d+Rsinθ)2-2s(d+Rsinθ)cosθ…(13)
及正弦定理,$\frac{sinφ}{s}=\frac{sinθ}{k}$…(14)
联立③、④和⑧~(14),并代入数据解得:v0=4.15 m/s…(15)
φ=arcsin0.8(或φ=53°)…(16)
答:(1)微粒在极板间所受电场力的大小1.25×10-11N,C板为正,D板为负.
(2)由XY边界离开台面的微粒的质量范围为8.1×10-14kg<m≤2.89×10-13kg.
(3)若微粒质量mo=1×10-13kg,滑块开始运动时所获得的速度为4.15m/s

点评 该题考察的数学知识在物理中的应用,尤其是三角函数的应用.三角函数的应用在近几年高考试题中经常出现,尽管它只是起到运算作用,但是如果忘记了三角函数公式是无法进行下去的,自然得不到正确的结果.由于是物理试题,三角函数过程在解答过程可以不体现、只在草稿纸上画.
此方面的问题具体要做到以下两点:
(1)能够根据具体问题列出物理量之间的关系式,进行推导和求解,并根据结果得出物理结论.
(2)必要时能运用几何图形、函数图象进行表达、分析

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