23.(西城区)(18分)1897年汤姆逊发现电子后,许多科学家为测量电子的电荷量做了大量的探索。1907-1916年密立根用带电油滴进行实验,发现油滴所带的电荷量是某一数值e的整数倍,于是称这一数值e为基本电荷。
如图所示,两块完全相同的金属极正对着水平放置,板间的距离为d。当质量为m的微小带电油滴在两板间运动时,所受空气阻力的大小与速度大小成正比。两板间不加电压时,可以观察到油滴竖直向下做匀速运动,通过某一段距离所用时间为tl;当两板间加电压U(上极板的电势高)时,可以观察到同一油滴竖直向上做匀速运动,且在时间t2内运动的距离与在时间tl内运动的距离相等。忽略空气浮力。重力加速度为g。
(1)判断上述油滴的电性,要求说明理由;
(2)求上述油滴所带的电荷量Q;
(3)在极板间照射X射线可以改变油滴的带电量。再采用上述方法测量油滴的电荷量。如此重复操作,测量出油滴的电荷量Qi如下表所示。如果存在基本电荷,请根据现有数据求出基本电荷的电荷量e(保留到小数点后两位)。
|
实验次序 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
电荷量Qi(10-18C) |
0.95 |
1.10 |
1.41 |
1.57 |
2.02 |
解析:23.(18分)
(1)当极板上加了电压U后,该油滴竖直向上做匀速运动,说明油滴受到的电场力竖直向上,与板间电场的方向相反,所以该油滴带负电。 (4分)
(2)设油滴运动时所受空气阻力f与速度大小v满足关系f = kv
当不加电场时,设油滴以速率v1匀速下降,受重力和阻力而平衡,即
(2分)
当极板加电压U时,设油滴以速率v2匀速上升,受电场力、重力和阻力,即
(2分)
E=
(2分)
根据题意有 v1 t1 = v2 t2 (1分)
解得
Q=
(2分)
(3)如果存在基本电荷,那么油滴所带的电荷量Q应为某一最小单位的整数倍,即油滴电荷量的最大公约数(或油滴带电量之差的最大公约数)为基本电荷e。由于
Q2-Q1=0.15×10-18C,Q3-Q2=0.31×10-18C,Q4-Q3=0.16×10-18C,Q5-Q4=0.45×10-18C
可以看出,油滴带电量之差都近似为某个数的整数倍,即
Q2-Q1=e1,Q3-Q2= 2e2,Q4-Q3= e3,Q5-Q4=3e4
所以![]()
或者采用作图的方法:
由于油滴所带电荷Qi是基本电荷e的整数倍。即
Qi=nie (其中ni为整数)
以自然数n为横坐标, 以电荷量Q为纵坐标,建立Q - n 坐标系。找出油滴带电量之差的最大公约数,再将电荷量Qi与这个最大公约数的比值(四舍五入取整)作为ni,将坐标(ni,Qi)对应的点标在坐标纸上,最后作一条直线,使这些点尽可能落在直线上,则e为该直线的斜率。如图2所示,e=1.52×10-19C。
说明方法(3分)
写出结果e=1.50×10-19C~1.58×10-19C 或
(k为自然数)(2分)
(宣武区)24.(共18分)如图所示,一个质量为m,带电量为+q的微粒,从a点以大小为v0的初速度竖直向上射入水平方向的匀强电场中。微粒通过最高点b时的速度大小为2v0方向水平向右。求:
(1)该匀强电场的场强大小E;
(2)a、b两点间的电势差Uab;
(3)该微粒从a点到b点过程中速率的最小值vmin。
解析:24.(18分)(1)分析:沿竖直方向和方向建立直角坐标,带电微粒受到重力及电场力作用,两力分别沿竖直方向和水平方向,将物体的运动分解为竖直方向和水平方向的两个分运动:
在竖直方向物体做匀减速运动,加速度
,
水平方向物体做匀加速运动,初速度为0,加速度![]()
b点是最高点,竖直分速度为0,有:
。
水平方向有:
联立两式得:![]()
(2)水平位移:
ab两点间的电势差:![]()
(3)设重力与电场力的合力为F,其与水平方向的夹角为
,
则:![]()
如图所示,开始一段时间内,F与速度方向夹角大于90°,合力做负功,动能减小,后来F与速度夹角小于90°,合力做正功,动能增加,因此,当F与速度v的方向垂直时,小球的动能最小,速度也最小,设为
。
即:![]()
![]()
![]()
联立以上三式得:![]()
所以最小速度:![]()
(延庆县)24.(20分)如图所示面积为S=0.5m2的单匝矩形线圈与平行金属板相接,线圈内有变化的与线圈平面垂直的匀强磁场,磁场随时间的变化规律是B=kt+b(k=2T/s,b=3T),两金属板间的距离是d=0.1m;金属板之间有一个水平绝缘光滑轨道,轨道上有P、Q两点,P、Q两点间的距离是L=0.06m。一个带电量是正q=0.006C,质量是m=0.005kg的质点,从P点由静止释放,质点沿轨道运动 求:
(1)质点从P点运动到Q点的运动时间
(2)质点从P点运动到Q点减少的电势能
(3)若想提高质点从P点运动到Q点机械
能的增加量可以采取什么措施?