Question

17．如圖1所示，兩平行金屬板水平放置，板間存在著如圖2所示的交變電場(chǎng)，極板長(zhǎng)為L(zhǎng)，板間距離為d，取豎直向上的方向?yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)度的正方向．一帶電量為q的正電荷從兩板正中間的位置由左側(cè)射入板間，初速度為v₀，已知電荷所受電場(chǎng)力大小是其重力的2倍，重力加速度為g，且0時(shí)刻射入的粒子正好可從板間射出．求：
（1）兩板間距d應(yīng)滿足的條件
（2）0時(shí)刻射入的粒子射出板間時(shí)的動(dòng)能．

Answer 1

分析 （1）將電荷的運(yùn)動(dòng)分解為水平方向和豎直方向，在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在豎直方向上，結(jié)合受力，根據(jù)牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出最大位移的大小，從而得出d滿足的條件．
（2）根據(jù)豎直方向上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出末時(shí)刻豎直方向的分速度，結(jié)合平行四邊形定則求出射出時(shí)的動(dòng)能．

解答 解：（1）0～$\frac{L}{2{v}_{0}^{\;}}$內(nèi)，電荷所受的電場(chǎng)力方向豎直向上，根據(jù)牛頓第二定律得，${a}_{1}^{\;}=\frac{q{E}_{0}^{\;}-mg}{m}=g$
則粒子向上運(yùn)動(dòng)的位移${y}_{1}^{\;}=\frac{1}{2}{a}_{1}^{\;}{t}_{\;}^{2}=\frac{1}{2}g×\frac{{L}_{\;}^{2}}{4{v}_{0}^{2}}=\frac{g{L}_{\;}^{2}}{8{v}_{0}^{2}}$
粒子的速度${v}_{y}^{\;}={a}_{1}^{\;}t=\frac{gL}{2{v}_{0}^{\;}}$
$\frac{L}{2{v}_{0}^{\;}}$～$\frac{L}{{v}_{0}^{\;}}$內(nèi)，電荷所受的電場(chǎng)力方向豎直向下，根據(jù)牛頓第二定律得，${a}_{2}^{\;}=\frac{q{E}_{0}^{\;}+mg}{m}=3g$
向上速度減為零的時(shí)間$t′=\frac{{v}_{y}^{\;}}{{a}_{2}^{\;}}=\frac{L}{6{v}_{0}^{\;}}＜\frac{L}{2{v}_{0}^{\;}}$，知在豎直方向上粒子向上做勻減速運(yùn)動(dòng)到零后再向下做勻加速運(yùn)動(dòng)，
向上勻減速運(yùn)動(dòng)的位移${y}_{2}^{\;}=\frac{{v}_{y}^{2}}{2{a}_{2}^{\;}}=\frac{\frac{{g}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}}{4{v}_{0}^{2}}}{6g}=\frac{g{L}_{\;}^{2}}{24{v}_{0}^{2}}$
可知$\fracwhw1mwj{2}≥{y}_{1}^{\;}+{y}_{2}^{\;}=\frac{g{L}_{\;}^{2}}{6{v}_{0}^{2}}$
則$d≥\frac{g{L}_{\;}^{2}}{3{v}_{0}^{2}}$
（2）粒子射出復(fù)合場(chǎng)時(shí)，豎直方向的分速度${v}_{y}^{′}={v}_{y}^{\;}-{a}_{2}^{\;}\frac{L}{2{v}_{0}^{\;}}=-\frac{gL}{{v}_{0}^{\;}}$，負(fù)號(hào)表示方向
則射出時(shí)的動(dòng)能${E}_{k}^{\;}=\frac{1}{2}m（{v}_{0}^{2}+{v}_{y}^{'2}）=\frac{1}{2}m（{v}_{0}^{2}+\frac{{g}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}}{{v}_{0}^{2}}）$=$\frac{q{E}_{0}^{\;}}{4g}（{v}_{0}^{2}+\frac{{g}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}}{{v}_{0}^{2}}）$
答：（1）兩板間距d應(yīng)滿足的條件$d≥\frac{g{L}_{\;}^{2}}{3{v}_{0}^{2}}$
（2）0時(shí)刻射入的粒子射出板間時(shí)的動(dòng)能$\frac{q{E}_{0}^{\;}}{4g}（{v}_{0}^{2}+\frac{{g}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}}{{v}_{0}^{2}}）$

點(diǎn)評(píng) 本題考查電荷在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，知道前一段時(shí)間和后一段時(shí)間內(nèi)豎直方向的加速度不同，結(jié)合牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式綜合求解．