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能力课带电粒子在电场中运动的综合问题一、选择题(13题为单项选择题,45题为多项选择题)1.如图1所示,实线是电场线,一带电粒子只在电场力的作用下沿虚线由A运动到B的过程中,其速度时间图像是选项中的()图1解析电场力的方向指向轨迹的凹侧且沿与电场线相切的方向,因此粒子从A运动到B的过程中电场力方向与速度方向的夹角大于90,粒子做减速运动,电场力越来越小,加速度越来越小,故B项正确。答案B2两带电荷量分别为q和q的点电荷放在x轴上,相距为L,能正确反映两电荷连线上场强大小E与x关系的图是()解析越靠近两电荷的地方场强越大,两等量异种点电荷连线的中点处场强最小,但不是零,B、D错误;两电荷的电荷量大小相等,场强大小关于中点对称分布,A正确,C错误。答案A3将如图2所示的交变电压加在平行板电容器A、B两板上,开始B板电势比A板电势高,这时有一个原来静止的电子正处在两板的中间,它在电场力作用下开始运动,设A、B两极板间的距离足够大,下列说法正确的是()图2A电子一直向着A板运动B电子一直向着B板运动C电子先向A板运动,然后返回向B板运动,之后在A、B两板间做周期性往复运动D电子先向B板运动,然后返回向A板运动,之后在A、B两板间做周期性往复运动解析根据交变电压的变化规律,作出电子的加速度a、速度v随时间变化的图线,如图甲、乙。从图中可知,电子在第一个内做匀加速运动,第二个内做匀减速运动,在这半周期内,因初始B板电势比A板电势高,所以电子向B板运动,加速度大小为。在第三个内电子做匀加速运动,第四个内做匀减速运动,但在这半周期内运动方向与前半周期相反,向A板运动,加速度大小为。所以电子在交变电场中将以t时刻所在位置为平衡位置做周期性往复运动,综上分析选项D正确。答案D4(2017河北唐山模拟)粗糙绝缘的水平桌面上,有两块竖直平行相对而立的金属板A、B。板间桌面上静止着带正电的物块,如图3甲所示,当两金属板加图乙所示的交变电压时,设直到t1时刻物块才开始运动,(最大静摩擦力与滑动摩擦力可认为相等),则()图3A在0t1时间内,物块受到逐渐增大的摩擦力,方向水平向左B在t1t3时间内,物块受到的摩擦力先逐渐增大,后逐渐减小Ct3时刻物块的速度最大Dt4时刻物块的速度最大解析在0t1时间内,电场力小于最大静摩擦力,物块静止,静摩擦力与电场力大小相等,即FfqEq,随电压增大,摩擦力增大,但是正电荷所受电场力与电场同向,均向右,所以摩擦力方向水平向左,选项A正确;在t1t3时间内,电场力大于最大静摩擦力,物块一直加速运动,摩擦力为滑动摩擦力,由于正压力即是物块的重力,所以摩擦力不变,选项B错误;t3到t4阶段,电场力小于摩擦力,但物块仍在运动且为减速运动,故t3时刻速度最大,选项C正确,D错误。答案AC5如图4所示,点电荷4Q与Q分别固定在A、B两点,C、D两点将AB连线三等分,现使一个带负电的粒子从C点开始以某一初速度向右运动,不计粒子的重力,则该粒子在CD之间运动的速度大小v与时间t的关系图像(如图所示)可能是()图4解析设ACCDDBr,则ECkk,方向水平向右。EDkk0,则负电荷由C到D所受电场力始终向左。第一种情况,该负电荷做减速运动,且加速度逐渐减小,直到电荷以一定速度通过D点,故B正确;第二种情况,电荷向右减速,在到达D点之前反向运动,因此,由CD电荷先减速后加速,加速度先减小后增大,故C正确。本题正确答案为B、C。答案BC二、非选择题6(2017北京东城区检测)如图5所示,一带电荷量为q、质量为m的小物块处于一倾角为37的光滑斜面上,当整个装置被置于一水平向右的匀强电场中,小物块恰好静止。重力加速度取g,sin 370.6,cos 370.8。求:图5(1)水平向右电场的电场强度的大小;(2)若将电场强度减小为原来的,小物块的加速度是多大;(3)电场强度变化后小物块下滑距离L时的动能。解析(1)小物块静止在斜面上,受重力、电场力和斜面支持力(如图所示),则Nsin 37qENcos 37mg由可得E。(2)若电场强度减小为原来的,则E,mgsin 37qEcos 37ma,可得a0.3g。(3)电场强度变化后小物块下滑距离L时,重力做正功,电场力做负功,由动能定理得:mgLsin 37qELcos 37Ek0可得Ek0.3mgL答案(1)(2)0.3g(3)0.3mgL7如图6甲所示,相距d15 cm的A、B两极板是在真空中平行放置的金属板,当给他们加上电压后,它们之间的电场可视为匀强电场。今在A、B两板之间加上如图乙所示的交变电压,交变电压的周期T1.0106 s,t0时A板的电势比B板的电势高,且U01 080 V,一个比荷1.0108 C/kg的带负电荷的粒子在t0时刻从B板附近由静止开始运动不计重力。图6(1)当粒子的位移为多大时,速度第一次达到最大,最大值是多少?(2)粒子运动过程中,将与某一极板相碰撞,求粒子碰撞极板时速度大小。解析粒子在电场中的运动情况比较复杂,可借助于vt图像分析运动的过程,如图所示为一个周期的vt图像,以后粒子将重复这种运动。(1)在0时间内,粒子加速向A运动;当t时,粒子速度第一次达到最大,根据牛顿第二定律可知,粒子运动的加速度为a,设粒子的最大速度为vm,此时位移为x,则xat2()20.04 m,vmat2.4105 m/s。(2)粒子在一个周期的前时间内,先加速后减速向A板运动,位移为xA;在后时间内,先加速后减速向B运动,位移为xB,以后的每个周期将重复上述运动,由于粒子加速和减速运动中的加速度大小相等,即有xA2x0.08 m,xB20.02 m。所以粒子在一个周期内的位移xxAxB0.06 m。显然,第2个周期末粒子距A板的距离为Ld2x0.030.04 m,表明粒子将在第3个周期内的前时间内到达A板,设粒子到达A板的速度为v,则由v22aL,有v2,解得v2.1105 m/s。答案(1)0.04 m2.4105 m/s(2)2.1105 m/s8如图7所示,长为2L的平板绝缘小车放在光滑水平面上,小车两端固定两个绝缘的带电小球A和B,A的带电荷量为2q,B的带电荷量为3q,小车(包括带电小球A、B)总质量为m。虚线MN与PQ均沿竖直方向且相距3L,开始时虚线MN位于小车正中间。若视带电小球为质点,在虚线MN、PQ间加上方向水平向右、电场强度大小为E的匀强电场后,小车开始运动。试求:图7(1)小车向右运动的最大距离和此过程中B球电势能的变化量;(2)A球从开始运动至刚离开电场所用的时间。解析(1)设A球出电场的最大位移为x,由动能定理得2qELqEL3qEx0解得x则小车向右运动的最大距离为xA2LLB球从刚进入电场到小车速度第一次为零时的位移为xBLLL则B球电势能的变化量为EpW3qEL4qEL。(2)设B球刚进入电场时小车速度为v1,由动能定理得2qELmv解得v12取向右为正方向,B球进入电场前,小车加速度为a1运动时间t1B球进入电场后,A球离开电场前,小车加速度为a2由运动学规律有v1t2a2tL解得运动时间t2(2)(t2(2)舍去 )则A球从开始运动到刚离开电场所用总时间tt1t2(3)。答案(1)L4qEL(2)(3)5
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