Question

5．如圖所示，一根長 L=1.5m 的光滑絕緣細直桿MN，豎直固定在場強為 E=1.0×10⁵N/C．與水平方向成θ=30°角的傾斜向上的勻強電場中．桿的下端M固定一個帶電小球 A，所帶電荷量Q=+4.5×10^-6C；另一帶電小球 B 穿在桿上可自由滑動，電荷量q=+1.0×10^-6 C，質(zhì)量m=1.0×10^-2 kg．現(xiàn)將小球B從桿的上端N靜止釋放，小球B開始運動．（靜電力常量k=9.0×10 ⁹N•m²/C²，取 g=l0m/s₂）
（1）小球B開始運動時的加速度為多大？
（2）小球B的速度最大時，距M端的高度h₁為多大？
（3）小球B從N端運動到距M端的高度h₂=0.61m時，速度為v=1.0m/s，求此過程中小球B的電勢能改變了多少？

Answer 1

分析 （1）對小球B進行受力分析，運用牛頓第二定律求出開始運動時的加速度大�。�
（2）根據(jù)受力情況分析小球B的運動情況，找出小球B速度最大時的位置特點．
（3）由于A對B的庫侖力做功是變力功，所以運用動能定理求解庫侖力做功．

解答 解：（1）開始運動時小球B受重力、庫侖力、桿的彈力和電場力，沿桿方向運動，將電場力沿桿的方向和垂直桿的方向分解，由牛頓第二定律得：
mg-$\frac{KQq}{{L}^{2}}$-qEsinθ=ma
解得：a=g-$\frac{KQq}{{L}^{2}m}$
代入數(shù)據(jù)解得：a=3.2 m/s²．
（2）小球B向下運動，受A的斥力增大，加速度減小，速度增大，當(dāng)小球B速度最大時合力減為零，即：
$\frac{KQq}{{h}_{1}^{2}}$+qEsinθ=mg
解得：h₁=$\sqrt{\frac{KQq}{mg-qEsinθ}}$
代入數(shù)據(jù)解得：h₁=0.9 m．
（3）小球B從開始運動到速度為v的過程中，設(shè)重力做功為W₁，電場力做功為W₂，庫侖力做功為W₃，根據(jù)動能定理有：
W₁+W₂+W₃=$\frac{1}{2}$mv²
重力做功為：W₁=mg（L-h₂）
電場力做功為：W₂=-qE（L-h₂）sinθ
解得庫侖力做功為：W₃=$\frac{1}{2}$mv²-mg（L-h₂）+qE（L-h₂）sinθ
從功能角度來說，電勢能的改變量的大小就等于電場力做的功．電場力做負功，電勢能增大．動能的改變量就等于總功．
設(shè)小球B的電勢能改變了△Ep，則有：△E_p=-（W₂+W₃）
△E_p=mg（L-h₂）-$\frac{1}{2}$mv²
代入數(shù)據(jù)解得：△E_p=8.4×10^-2J
答：（1）小球B開始運動時的加速度為3.2 m/s²；
（2）小球B的速度最大時，距M端的高度h₁為0.9 m；
（3）小此過程中小球B的電勢能增加了8.4×10^-2J．

點評 本題考查帶電粒子在電場中的運動，要注意明確兩個粒子電場力做功不同，所以此題關(guān)鍵能夠正確對小球B進行受力分析和運動分析，知道電場力做功量度電勢能的變化，常用動能定理求解變力功．