Question

如图甲所示，M、N是水平放置的一对金属板，其中M板中央有一个小孔O，两极板加一电压U．AB是一长4L的轻质绝缘细杆，在杆上等间距为L地固定着5个完全相同的带正电小球，每个小球的电荷量为q、质量为m．现将最下端小球置于O处，然后将AB由静止释放，AB在运动过程中始终保持竖直．当极板电压为U时，经观察发现，在第2个小球进入电场到第3个小球进入电场这一过程中AB做匀速运动．设两金属板间距足够大，求：
（1）两板间电场强度E； 
（2）上述匀速运动过程中速度的大小v₁；
（3）第4个小球在O处时速度的大小v₂
（4）设第1个小球进入电场到第2个进入电场经历的时间为t，为了让第2个小球进入电场起AB一直做匀速运动，则电压U随时间t如何变化？请在图乙中画出．

Answer 1

【答案】分析：（1）由题，在第2个小球进入电场到第3个小球进入电场的过程中AB做匀速运动，电场力与重力平衡，则可由平衡条件求出电场强度E．
（2）根据动能定理研究第1个小球进入电场的过程，可得匀速运动过程中速度的大小v₁；
（3）根据动能定理研究第3个小球进入电场的过程，可得第4个小球在O处时速度的大小v₂；
（4）为了让第2个小球进入电场起AB一直做匀速运动，由平衡条件分别研究各个小球进入电场时板间电压，作出图象．
解答：解：（1）据题，在第2个小球进入电场到第3个小球进入电场的过程中AB做匀速运动，电场力与重力平衡，则有
   2qE=5mg，得：E=
（2）研究第1个小球进入电场的过程，根据动能定理得：
  5mgL-qEL=mv₁²  解得：v₁=
（3）研究第3个小球进入电场的过程，根据动能定理得
5mg?3L-3qEL-2qEL-qEL=mv₂²  
将E=代入，得：v₂=0
（4）第1个小球进入电场到第2个进入电场，AB做匀加速运动，为了让第2个小球进入电场起AB一直做匀速运动，设每通过L位移的时间为t，则有
     L=，L=v₁t，则得：t=2t．
第2个小球进入电场时，有：
  5mg=2q…①
要使AB做匀速运动，第3个小球进入电场时
    5mg=3q…②
第4个进入小球电场时
    5mg=4q…③
第5个进入小球电场时
    5mg=5q…④
将②③④式与①式相比较，得到
   ，，
作出图象如右图．（图象最后两段数据对应的是U和U．
答：（1）两板间电场强度E为；
（2）上述匀速运动过程中速度的大小v₁为．
（3）第4个小球在O处时速度的大小v₂为0．
（4）电压U随时间t的图象如图所示．
点评：本题是带电体在电场中运动的问题，要有耐心，足够的细心分析小球的运动情况，按程序法进行研究．