1、 第41节 带电物体在电场中的运动.吕叔湘中学庞留根1.2012年理综新课标卷18.如图,平行板电容器的两个极板与水平地面成一角度,两极板与一直流电源相连。若一带电粒子恰能沿图中所示水平直线通过电容器,则在此过程中,该粒子A.所受重力与电场力平衡B.电势能逐渐增加C.动能逐渐增加D.做匀变速直线运动答案BD解析要使粒子在电场中直线运动,必须使合力与运动方向在一直线上,由题意可受力分析可知,受重力竖直向下,电场力垂直极板向上,合力水平向左,故A错。因电场力做负功,故电势能增加。B正确。合力做负功,故动能减少。C错。因合力为定值且与运动方向在一直线上,故D正确。2.2013年新课标I卷16.一水平
2、放置的平行板电容器的两极板间距为d,极板分别与电池两极相连,上极板中心有一小孔(小孔对电场的影响可忽略不计)。小孔正上方处的P点有一带电粒子,该粒子从静止开始下落,经过小孔进入电容器,并在下极板处(未与极板接触)返回。若将下极板向上平移,则从P点开始下落的相同粒子A.打到下极板上 B.在下极板处返回C.在距上极板处返回 D.在距上极板处返回【答案】D【解析】带电粒子运动过程中受重力和电场力做功;设电容器两极板间电压为U,粒子下落的全程由动能定理有:,得,当下极板向上移后,设粒子能下落到距离上极板h处,由动能定理有:,解得,D选项对。3.2011年理综四川卷21质量为m的带正电小球由空中A点无初
3、速度自由下落,在t秒末加上竖直向上、范围足够大的匀强电场,再经过t秒小球又回到A点,不计空气阻力且小球从未落地。则A整个过程中小球电势能变化了B整个过程中小球动量增量的大小为2mgtC从加电场开始到小球运动到最低点时小球动能变化了mg2t2D从A点到最低点小球重力势能变化了答案:B D解析:整个过程中小球的位移为0,得a3g,根据牛顿第二定律电场力是重力的4倍为4mg,根据动量定理Pmgt3mgt2mgt,B正确;电势能变化量为4mggt22mg2t2,A错误;小球减速到最低点和最初加速时的动能变化量大小相等为,C错误;从A点到最低点重力势能变化了,D正确。答案为B D。4.2014年理综天津
4、卷vMNAB4如图所示,平行金属板A、B水平正对放置,分别带等量异号电荷一带电微粒水平射入板间,在重力和电场力共作用下运动,轨迹如图中虚线所示,那么( )A若微粒带正电荷,则A板一定带正电荷B微粒从M点运动到N点电势能一定增加C微粒从M点运动到N点动能一定增加D微粒从M点运动到N点机械能一定增加【答案】C【解析】如题图,带电粒子所受电场力为竖直方向,又因为运动轨迹向下偏转,所以粒子所受合外力方向向下。重力方向竖直向下,故电场力方向可能向下,也可能向上但是小于重力。若微粒带正电,则电场方向可能向上也可能向下,A板带正电和负电均有可能,A错。若微粒所受电场力向下,从M点到N点电场力做正功,电势能减
5、小,B错。若所受电场力向上,从M点到N点电场力做负功,电势能增加,微粒的机械能减少,D错。微粒所受合力向下,从M点到N点合力做正功,根据动能定理,动能一定增加,C正确。5.2015年江苏卷7. 一带正电的小球向右水平抛入范围足够大的匀强电场,电场方向水平向左。 不计空气阻力,则小球( BC )v0E(A)做直线运动(B)做曲线运动(C)速率先减小后增大(D)速率先增大后减小解析:由题意知,小球受重力、电场力作用,合外力的方向与初速度的方向夹角为钝角,故小球做曲线运动(竖直方向做自由落体运动,水平方向先向右匀减速运动到零再向左匀加速运动),所以A错误;B正确;在运动的过程中合外力先做负功后做正功
6、,所以C正确;D错误。6.2015年理综山东卷tOET图乙E02E0dv0图甲20如图甲,两水平金属板间距为d,板间电场强度的变化规律如图乙所示。t=0时刻,质量为m的带电微粒以初速度为v0沿中线射入两板间,0T/3时间内微粒匀速运动,T时刻微粒恰好经金属板边缘飞出,微粒运动过程中未与金属板接触,重力加速度的大小为g,关于微粒在0T时间内运动的描述,正确的是 ( BC )A.末速度大小为 B.末速度沿水平方向C.重力势能减少了D.克服电场力做功为mgd 【答案】BC【解析】因0-内微粒匀速运动,故;在时间内,粒子只受重力作用,做类平抛运动,在时刻的竖直速度为,水平速度为v0;在时间内,粒子满足
7、,解得a=g,方向向上,则在t=T时刻,粒子的竖直速度减小到零,水平速度为v0,选项A错误,B正确;微粒的重力势能减小了,选项C正确;从射入到射出,由动能定理可知,可知克服电场力做功为,选项D错误;故选BC.7. 2017年浙江选考卷mgEqd8.如图所示,在竖立放置间距为d的平行板电容器中,存在电场强度为E的匀强电场。有一质量为m,电荷量为+q的点电荷从两极板正中间处静止释放,重力加速度为g。则点电荷运动到负极板的过程A.加速度大小为 B.所需的时间为C.下降的高度为 D.电场力所做的功为 【答案】B【解析】点电荷往电场中的受力分析如图所示,点电荷所受的合外力为,所以由牛顿第二定律得,点电荷
8、运动到负极板的过程中,加速度大小为,A错误;点电荷在水平方向的加速度为,由运动学公式,所以,故B正确,点电荷在竖直方向上做自由落体运动,所以下降的高度,故C错误;由做功公式,故D错误。8.【2019年4月浙江物理选考】用长为1.4m的轻质柔软绝缘细线,拴一质量为1.0102kg、电荷量为2.010-8C的小球,细线的上端固定于O点。现加一水平向右的匀强电场,平衡时细线与铅垂线成370,如图所示。现向左拉小球使细线水平且拉直,静止释放,则(sin370=0.6)A. 该匀强电场的场强为3.75107N/CB. 平衡时细线的拉力为0.17NC. 经过0.5s,小球的速度大小为6.25m/sD. 小
9、球第一次通过O点正下方时,速度大小为7m/s【答案】C【解析】【详解】AB小球在平衡位置时,由受力分析可知:qE=mgtan370,解得,细线的拉力:T=,选项AB错误;C小球向左被拉到细线水平且拉直的位置,释放后将沿着电场力和重力的合力方向做匀加速运动,其方向与竖直方向成370角,加速度大小为,则经过0.5s,小球的速度大小为v=at=6.25m/s,选项C正确;D小球从水平位置到最低点的过程中,若无能量损失,则由动能定理:,带入数据解得v=7m/s;因小球从水平位置先沿直线运动,然后当细绳被拉直后做圆周运动到达最低点,在绳子被拉直的瞬间有能量的损失,可知到达最低点时的速度小于7m/s,选项
10、D错误。9.【2019年物理天津卷】如图所示,在水平向右的匀强电场中,质量为的带电小球,以初速度从点竖直向上运动,通过点时,速度大小为,方向与电场方向相反,则小球从运动到的过程( )A. 动能增加B. 机械能增加C. 重力势能增加D. 电势能增加【答案】B【解析】【详解】由动能的表达式可知带电小球在M点的动能为,在N点的动能为,所以动能的增量为,故A错误;带电小球在电场中做类平抛运动,竖直方向受重力做匀减速运动,水平方向受电场力做匀加速运动,由运动学公式有,可得,竖直方向的位移,水平方向的位移,因此有,对小球写动能定理有,联立上式可解得,因此电场力做正功,机械能增加,故机械能增加,电势能减少,
11、故B正确D错误,重力做负功重力势能增加量为,故C错误。10.【2019年物理全国卷3】空间存在一方向竖直向下的匀强电场,O、P是电场中的两点。从O点沿水平方向以不同速度先后发射两个质量均为m的小球A、B。A不带电,B的电荷量为q(q0)。A从O点发射时的速度大小为v0,到达P点所用时间为t;B从O点到达P点所用时间为。重力加速度为g,求(1)电场强度的大小;(2)B运动到P点时的动能。【答案】(1);(2)【解析】【详解】(1)设电场强度的大小为E,小球B运动的加速度为a。根据牛顿定律、运动学公式和题给条件,有mg+qE=ma解得(2)设B从O点发射时的速度为v1,到达P点时的动能为Ek,O、
12、P两点的高度差为h,根据动能定理有且有联立式得11.2013年四川卷EBADNMO10在如图所示的竖直平面内,物体A和带正电的物体B用跨过定滑轮的绝缘轻绳连接,分别静止于倾角 =37的光滑斜面上的M点和粗糙绝缘水平面上,轻绳与对应平面平行。劲度系数k=5N/m的轻弹簧一端固定在O点,一端用另一轻绳穿过固定的光滑小环D与A相连,弹簧处于原长,轻绳恰好拉直,DM垂直于斜面。水平面处于场强E=5104N/C、方向水平向右的匀强电场中。已知A、B的质量分别为mA=0.1kg和mB=0.2kg,B所带电荷量q=+4l0-6C。设两物体均视为质点,不计滑轮质量和摩擦,绳不可伸长,弹簧始终在弹性限度内,B电
13、量不变。取g=10m/s2,sin37=0.6,cos37=0.8。求B所受静摩擦力的大小;现对A施加沿斜面向下的拉力F,使A以加速度a=0. 6m/s2开始做匀加速直线运动。A从M到N的过程中,B的电势能增加了Ep=0.06J。已知DN沿竖直方向,B与水平面间的动摩擦因数=0.4。求A到达N点时拉力F的瞬时功率。【答案】 【解析】(1)F作用之前,AB处于静止状态,设B所受的静摩擦力大小为 ,AB间的绳子的张力为,有对A:对B: 联立两式,代入数据得 方向向左 (2)物体A从M点到N点的过程中,AB两物体的位移均为s,AB间绳子的张力为T,有 设A在N点时速度为v,受弹簧拉力为F弹,弹簧的伸
14、长量为x,有F弹=kx由几何关系知设拉力F的瞬时功率为P,有P=Fv 联立解得:P=0.528W12. 2014年理综新课标卷ABO6025如图所示,O,A,B为同一竖直平面内的三个点,OB沿竖直方向,BOA60,OBOA,将一质量为m的小球以一定的初动能自O点水平向右抛出,小球在运动过程中恰好通过A点,使此小球带电,电荷量为q(q0),同时加一匀强电场,场强方向与OAB所在平面平行现从O点以同样的初动能沿某一方向抛出此带电小球,该小球通过了A点,到达A点时的动能是初动能的3倍;若该小球从O点以同样的初动能沿另一方向抛出,恰好通过B点,且到达B点时的动能为初动能的6倍,重力加速度大小为g.求(
15、1)无电场时,小球到达A点时的动能与初动能的比值;(2)电场强度的大小和方向【答案】(1) (2) 【解析】设小球的初速度为v0,初动能Ek0,从O点运动到A点的时间为t,令OAd,则OBd,根据平抛运动的规律有dsin 60v0t dcos 60gt2 又有Ek0mv 由式得Ek0mgd 设小球到达A点时的动能为EkA,则EkAEk0mgd 由式得. (2)加电场后,小球从O点到A点和B点,高度分别降低了 和 d ,设电势能分别减小EpA和EpB,由能量守恒及式得EpA3Ek0Ek0mgdEk0 EpB6Ek0Ek0mgdEk0 在匀强电场中,沿任一直线,电势的降落是均匀的,设直线OB上的M
16、点与A点等电势,M与O点的距离为x,如图,则有ABOaEMC 解得xd,MA为等势线,电场必与其垂线OC方向平行,设电场方向与竖直向下的方向的夹角为,由几何关系可得30 即电场方向与竖直向下的方向的夹角为30.设场强的大小为E,有qEdcos 30EpA 由式得 E. 13.2015年理综四川卷OABPFED10(18分)如图所示,粗糙、绝缘的直轨道OB固定在水平桌面上,B端与桌面边缘对齐,A是轨道上一点,过A点并垂直于轨道的竖直面右侧有大小E1.5106N/C,方向水平向右的匀强电场。带负电的小物体P电荷量是2.0106C,质量m0.25kg,与轨道间动摩擦因数0.4,P从O点由静止开始向右
17、运动,经过0.55s到达A点,到达B点时速度是5m/s,到达空间D点时速度与竖直方向的夹角为,且tan1.2。P在整个运动过程中始终受到水平向右的某外力F作用,F大小与P的速率v的关系如表所示。P视为质点,电荷量保持不变,忽略空气阻力,取g10 m/s2,求:v(ms-1)0v22v0)的带电小球M、N先后以相同的初速度沿平行于电场的方向射出。小球在重力作用下进入电场区域,并从该区域的下边界离开。已知N离开电场时的速度方向竖直向下;M在电场中做直线运动,刚离开电场时的动能为N刚离开电场时的动能的1.5倍。不计空气阻力,重力加速度大小为g。求(1)M与N在电场中沿水平方向的位移之比;(2)A点距
18、电场上边界的高度;(3)该电场的电场强度大小。【答案】(1)3:1 (2) (3) 【解析】(1)设带电小球M、N抛出初速度均为v0,则它们进入电场时的水平速度仍为v0;M、N在电场中的运动时间t相等,电场力作用下产生的加速度沿水平方向,大小均为a,在电场中沿水平方向的位移分别为s1和s2;由运动公式可得:v0-at=0 联立解得: (2)设A点距离电场上边沿的高度为h,小球下落h时在竖直方向的分速度为vy,则 因为M在电场中做匀加速直线运动,则 由可得 (3)设电场强度为E,小球M进入电场后做直线运动,则 设M、N离开电场时的动能分别为Ek1、Ek2,由动能定理 由已知条件:Ek1=1.5
19、Ek2 联立解得:16.2017年新课标I卷25(20分)真空中存在电场强度大小为E1的匀强电场,一带电油滴在该电场中竖直向上做匀速直线运动,速度大小为v0,在油滴处于位置A时,将电场强度的大小突然增大到某值,但保持其方向不变。持续一段时间t1后,又突然将电场反向,但保持其大小不变;再持续同样一段时间后,油滴运动到B点。重力加速度大小为g。(1)油滴运动到B点时的速度;(2)求增大后的电场强度的大小;为保证后来的电场强度比原来的大,试给出相应的t1和v0应满足的条件。已知不存在电场时,油滴以初速度v0做竖直上抛运动的最大高度恰好等于B、A两点间距离的两倍。【答案】(1) (2) 【解析】(1)
20、设油滴质量和电荷量分别为m和q,油滴速度方向向上为整。油滴在电场强度大小为E1的匀强电场中做匀速直线运动,故匀强电场方向向上。在t=0时,电场强度突然从E1增加至E2时,油滴做竖直向上的匀加速运动,加速度方向向上,大小a1满足 油滴在时刻t1的速度为 电场强度在时刻t2突然反向,油滴做匀变速直线运动,加速度方向向下,大小a2满足 油滴在时刻t2=2t1的速度为 由式得 (2)由题意,在t=0时刻前有 油滴从t=0到时刻t1的位移为 油滴在从时刻t1到时刻t2=2t1的时间间隔内的位移为 由题给条件有 式中h是B、A两点之间的距离。若B点在A点之上,依题意有 由式得 为使E2 E1,应有 即当 或 才是可能的:条件式和式分别对应于v20和v20两种情形。若B在A点之下,依题意有 由式得 为使,应有 即 另一解为负,不符合题意,已舍去。