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带电粒子在电场中的平衡和运动问题
带电粒子在电场中的平衡和运动问题
1.带电粒子在电场中的平衡问题
(1)带电粒子在电场中的平衡问题,实际上属于力学平衡问题,其中仅多了一个电场力而已。
(2)求解这类问题时,需应用有关力的平衡知识,在正确的受力分析的基础上,运用平行四边形定则、三角形法则或建立平面直角坐标系,应用共点力作用下物体的平衡条件去解决。
2.带电粒子在交变电场中的运动问题
带电粒子在交变电场中运动情况一般比较复杂,由于不同时段受力不同,运动也不同,若用常规方法分析,将会很烦琐,较好的分析方法是画出带电粒子的速度-时间图像帮助分析,画图像时,应注意v—t图中,加速度相同的运动一定是平行的直线,图线与坐标轴所夹面积表示位移,图线与t轴有交点,表示此时速度反向,当然,有的规律不太一样的运动,则要分段进行分析。
3.带电粒子在匀强电场和重力场的复合场中的运动
(1)由于带电粒子在匀强电场中所受的电场力与重力都是恒力,因此处理方法有两种:
正交分解法:
处理这种运动的基本思想与处理偏转运动是类似的,可以将此复杂的运动分解为两个互相正交的比较简单的直线运动,而这两个直线运动的规律是可以掌握的,然后再按运动合成的观点去求出复杂运动的有关物理量。
等效“重力”法:
将重力与电场力进行合成,如图1-1所示,则F合等效为重力场中的“重力”,a=等效为“重力加速度”,F合的方向等效为“重力”的方向,即在重力场中的竖直向下的方向。应用等效“重力”法解题时,要图 1-1注意灵活运用重力场中已熟知的一些结论。
(2)研究带电粒子在电场中运动的两种方法:
带电粒子在电场中的运动,是一个综合性的问题,研究的方法与质点动力学相同,它同样遵循运动的合成与分解、牛顿运动定律、动量定理、动能定理等力学规律,处理问题的关键是要注意区分不同的物理过程,弄清在不同的物理过程中物体的受力情况及运动性质,并选用相应的物理规律。在解题时,主要可以选用下面两种方法:
力和运动关系——牛顿第二定律:根据带电粒子受到电场力,用牛顿第二定律找出加速度,结合运动学公式确定带电粒子的速度、位移等,这种方法通常适用于在恒力作用下做匀变速运动的情况。
功和能的关系——动能定理:根据电场力对带电粒子所做的功,引起带电粒子的能量发生变化,利用动能定理研究全过程中能量的转化,研究带电粒子的速度变化、经历的位移等。这种方法同样也适用于不均匀的电场。
如图1-2所示,在水平向右的匀强电场中,有一质量为m、带正电的小球,用长为l的绝缘细线悬挂于O点,当小球静止时细线与竖直方向夹角为θ。现给小球一个垂直于悬线的初速度,使小球恰能在竖直平面内做圆周运动。试问:
(1)小球在做圆周运动的过程中,速度最小值多大?图 1-2
(2)小球在B点的初速度多大?
[解析] 小球在做圆周运动的过程中,所受的重力和电场力均为恒力,这两个力的合力的大小为F=。我们将重力场与电场的叠加场叫做等效重力场,F叫做等效重力,小球在叠加场中的等效重力加速度为g效==,其方向斜向右下方,且与竖直方向成θ角。小球在竖直面内做圆周运动的过程中,由于只有等效重力做功,细线的拉力不做功,所以动能与等效重力势能可以相互转化,且总和保持不变。与重力势能类比可知,等效重力势能Ep=mg效h,其中h为小球距等效重力势能零势能面的高度。
(1)设小球静止时的位置B为零势能点,根据动能与等效重力势能的总和不变可知,小球位于与B点对应的同一直径上的A点时等效重力势能最大,动能最小,速度也最小。设小球在A点时速度为vA,此时细线拉力为零,等效重力提供向心力,即
mg效=
解得小球的最小速度为:
vA==
(2)设小球在B点的初速度为vB,根据能量守恒定律有:
mv=mv+mg效·2l
将式代入式解得:vB=。
[答案] (1) (2)
1.如图1-3所示,在一电场强度沿纸面方向的匀强电场中,用一绝缘细线系一带电小球,小球的质量为m、电荷量为q,为保证当细线与竖直方向的夹角为θ=60°时,小球处于平衡状态,则匀强电场的电场强度大小可能为( )
A. B. 图 1-3
C. D.[来源:学。科。网]
解析:取小球为研究对象,它受到重力mg、细线的拉力F和电场力Eq的作用。因小球处于平衡状态,则它受到的合外力等于零,由平衡条件知,F和Eq的合力与mg是一对平衡力,根据力的平行四边形定则可知,当电场力Eq的方向与细线的拉力方向垂直时,电场力最小,如图所示,则Eq=mgsinθ得E==。所以,该匀强电场的场强大小可能值为E≥。
答案:ACD
2.如图1-4甲所示的平行板电容器A、B两板上加上如图乙所示的交变电压,开始B板的电势比A板高,这时两板中间原来的静止的电子在电场力作用下开始运动,设电子在运动中不与极板发生碰撞,则下述说法正确
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