在动摩擦因数m=0.2的粗糙绝缘足够长的水平滑漕中,长为2L的绝缘轻质细杆两端各连接一个质量均为m的带电小球A和B,如图为俯视图(槽两侧光滑)。A球的电荷量为+2q,B球的电荷量

◎ 题目

在动摩擦因数m=0.2的粗糙绝缘足够长的水平滑漕中,长为2L的绝缘轻质细杆两端各连接一个质量均为m的带电小球A和B,如图为俯视图(槽两侧光滑)。A球的电荷量为+2q,B球的电荷量为-3q(均可视为质点,也不考虑两者间相互作用的库仑力)。现让A处于如图所示的有界匀强电场区域MPQN内,已知虚线MP恰位于细杆的中垂线,MP和NQ的距离为3L,匀强电场的场强大小为E=1.2mg/q,方向水平向右。释放带电系统,让A、B从静止开始运动(忽略小球运动中所产生的磁场造成的影响)。求:

(1)小球B第一次到达电场边界MP所用的时间;
(2)小球A第一次离开电场边界NQ时的速度大小
(3)带电系统运动过程中,B球电势能增加量的最大值。

◎ 答案

(1)(2)(3)x=0.1L

◎ 解析

(1)带电系统开始运动后,先向右加速运动;当B进入电场区时,开始做减速运动。设B进入电场前的过程中,系统的加速度为a1
由牛顿第二定律:2Eq-m2mg=2ma1      
即 a1=g   (2分)
B刚进入电场时,由L=a1t12       
可得     (2分)
(2)当A刚滑到右边界时,电场力对系统做功为
W1=2Eq′2L+(—3Eq′L)=EqL     
摩擦力对系统做功为W2=—=—0.8mmgL
W= EqL—0.8mgL="0.4" mgL    
故A球从右端滑出。 (2分)。
设B从静止到刚进入电场的速度为v1
=2a1L     
可得v1   (2分)
设B进入电场后,系统的加速度为a2,由牛顿第二定律
2Eq-3Eq-2mg=2ma2    
a2=-0.8g              (2分)
系统做匀减速运动,设小球A第一次离开电场边界NQ时的速度大小为v2
由 ="2" a2L      (2分)
可得     (2分)
(3)当带电系统速度第一次为零,此时A已经到达右边界NQ外,B克服电场力做的功最多,B增加的电势能最多      (2分)
设此时A离右边界NQ的距离为x,由动能定理:
2Eq′2L— 3Eq′(L+x)—2L+x)=0       (2分)
可得x=0.1L    
所以B电势能增加的最大值 DW1=3Eq′1.1L=3.3EqL =3.96mgL  (2分)

◎ 知识点

    专家分析,试题“在动摩擦因数m=0.2的粗糙绝缘足够长的水平滑漕中,长为2L的绝缘轻质细杆两端各连接一个质量均为m的带电小球A和B,如图为俯视图(槽两侧光滑)。A球的电荷量为+2q,B球的电荷量…”主要考查了你对  【带电粒子在电场中的加速】  等知识点的理解和应用能力。关于这些知识点的“档案”,你可以点击相应的链接进行查看和学习。

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