Question

13．如圖甲所示，靜電除塵裝置中有長為L、寬為b、高為d的矩形通道，其前、后面板使用絕緣材料，上下面板使用金屬材料．圖乙是裝置的截面圖，上、下兩板與電壓恒定的高壓直流電源相連．質量為m、電荷量為-q、分布均勻的塵埃以水平速度v₀進入矩形通道、當帶負電的塵埃碰到下板后其所帶電荷被中和，同時被收集．通過調整兩板間距d可以改變收集效率η．當d=d₀時，η為81%（即離下板0.81d₀范圍內的塵埃能夠被收集）．不計塵埃的重力及塵埃之間的相互作用：
（1）求上下板間電壓
（2）求收集效率為100%時，兩板間距的最大值d；
（3）求收集效率為η與兩板間距d 的函數(shù)關系．

Answer 1

分析 （1）根據類平拋運動分析方法：水平方向勻速和豎直方向勻加速具有等時性，即粒子在電場中運動的時間不超過$\frac{L}{{v}_{0}}$，所以得出臨界問題的臨界條件即可；
（2）再由豎直方向勻加速直線運動的規(guī)律求解相關問題即可；
（3）結合第二問中的臨界條件，得出恰好經過下板右邊緣的離子的豎直位移表達式，再由收集效率的表達式η=$\frac{y}edycahx$，可得收集率η與兩板間距U的函數(shù)關系．

解答 解：（1）收集效率η為81%，即離下板0.81d₀的塵埃恰好到達下板的右端邊緣，設高壓電源的電壓為U，則在水平方向有
L=v₀t   ①
在豎直方向有：$0.81jer4daz_{0}=\frac{1}{2}a{t}^{2}$   ②
其中：$a=\frac{F}{m}=\frac{qU}{mmm7ms7h_{0}}$   ③
聯(lián)立得：U=$\frac{0.819g0wr7a_{0}^{2}m{v}_{0}^{2}}{q{L}^{2}}$
（2）當減小兩板間距時，能夠增大電場強度，提高裝置對塵埃的收集效率．收集效率恰好為100%時，兩板間距即為d_m．如果進一步減小d，收集交率仍為100%．因此，在水平方向有：
L=v₀t ④
在豎直方向有：$6adsmvb_{m}=\frac{1}{2}a′{t}^{2}$  ⑤
其中：a′=$\frac{F′}{m}=\frac{qE′}{m}=\frac{qU7}{mjkgvqqe_{m}}$   ⑥
聯(lián)立①-⑥各式可得：d_m=0.9d₀     ⑦
（3）通過前面的求解可知，當d≤0.9d₀時，收集效率η均為100%     ⑧
當d＞0.9d₀時，設距下板x的塵埃恰好到達下板的右端邊緣，此時有：$x=\frac{1}{2}•\frac{qU}{md}•（\frac{L}{{v}_{0}}）^{2}$   ⑨
據題意，收集效率為η=$\frac{x}5bqg84y$
聯(lián)立①、②、③、⑨及⑩式可得η=$\frac{0.81drqw4sg_{0}^{2}}{64ifgd0^{2}}$
答：（1）上下板間電壓是$\frac{0.81awdxkyz_{0}^{2}m{v}_{0}^{2}}{q{L}^{2}}$；
（2）收集效率為100%時，兩板間距的最大值d是0.9d₀；
（3）收集效率為η與兩板間距d 的函數(shù)關系是η=$\frac{0.81brn95mi_{0}^{2}}{bukfs20^{2}}$．

點評 本題主要考查了帶電粒子在勻強電場中的偏轉問題，考查對臨界問題和類平拋運動問題的分析、解決問題的能力．