Question

三塊相同的金屬平板A、B、D自上而下水平放置，間距分別為h和d，如圖所示．A、B兩板中心開孔，在A板的開孔上擱有一金屬容器P，與A板接觸良好，其內(nèi)盛有導(dǎo)電液體．A板通過閉合的電鍵K與電動(dòng)勢(shì)為U₀的電池正極相連，B板與電池負(fù)極相連并接地．容器P內(nèi)液體在底部小孔O處形成質(zhì)量為m，帶電量為q的液滴后自由下落，穿過B板的開孔O′落到D板上，其電荷被D板吸附，液體隨即蒸發(fā)．接著容器底部又形成相同的液滴自由下落，如此繼續(xù)．設(shè)整個(gè)裝置放在真空中．
（1）第一個(gè)液滴到達(dá)D板時(shí)的速度為多少？
（2）D板最終可達(dá)到多高的電勢(shì)？
（3）設(shè)液滴的電量是A板所帶電量的a倍（a=0.02），A板與B板構(gòu)成的電容器的電容為C₀=5×10^-12F，U₀=1000V，m=0.02g，h=d=5cm．試計(jì)算D板最終的電勢(shì)值．（g=10m/s²）
（4）如果電鍵K不是始終閉合，而只是在第一個(gè)液滴形成前閉合一下，隨即打開，其他條件與（3）相同．在這種情況下，D板最終可達(dá)到的電勢(shì)值為多少？說(shuō)明理由．（不需要計(jì)算．）

Answer 1

分析：液滴下落過程中重力和電場(chǎng)力都做正功，由動(dòng)能定理求解到達(dá)D板時(shí)的速度．
由動(dòng)能定理研究整個(gè)過程表示出D板的電勢(shì)，代入數(shù)據(jù)求解．
如果電鍵K不是始終閉合，而只是在第一個(gè)液滴形成前閉合一下，隨即打開，A板上電量可以全部轉(zhuǎn)移到D板，

解答：解：（1）液滴下落過程中重力和電場(chǎng)力都做正功，由動(dòng)能定理，得：
mg(h+d)+U0q=

1

2

mv2-0，
得到v=

2g(h+d)+ 2qU0 m

（2）B板與電池負(fù)極相連并接地，D板達(dá)到電勢(shì)大小可以表示為BD的電勢(shì)差
由動(dòng)能定理研究整個(gè)過程，得：
mg（h+d）+U₀q-Uq=0，得
U=U0+

mg(h+d)

q

（3）根據(jù)U=U0+

mg(h+d)

q

代入數(shù)據(jù)得：2.01×10⁵V 
（4）如果電鍵K不是始終閉合，而只是在第一個(gè)液滴形成前閉合一下，隨即打開，A板上電量可以全部轉(zhuǎn)移到D板，D板電勢(shì)1000V．

點(diǎn)評(píng)：動(dòng)能定理的應(yīng)用范圍很廣，可以求速度、力、功等物理量．
一個(gè)題目可能需要選擇不同的過程多次運(yùn)用動(dòng)能定理研究．