Question

如圖所示，在光滑水平地面上有一小車，車底板光滑且絕緣，車上左右兩邊分別豎直固定有金屬板M、N，兩板間的距離為L．M板接電源的正極，N板接電源的負極，兩極板間的電場可視為勻強電場．一可視為質(zhì)點的帶正電小球，處在小車底板上靠近M板的位置并被鎖定（球與M板不接觸），小球與小車以速度v₀共同向右運動．已知小球帶電量為q，質(zhì)量為m，車、金屬板和電源的總質(zhì)量為3m．某時刻突然解除對小球的鎖定，小球在電場力的作用下相對小車向右運動，當小球剛要與小車的N板接觸時，小車的速度恰好為零．求：
（1）兩極板間勻強電場的場強E的大�。�
（2）從解除鎖定到小球運動到車底板的中央位置時，小球和小車的對地速度各是多少？（結(jié)果可帶根號）

Answer 1

分析：（1）當小球滑到距N板的過程中，系統(tǒng)速度相同，根據(jù)動量守恒定律求出系統(tǒng)最終的速度，再對系統(tǒng)運用動能定理，求出E的值．
（2）小球運動到車底板的中央位置時，系統(tǒng)速度相同，根據(jù)動量守恒定律求出小球的速度和小車的速度．

解答：解：（1）設車、金屬板和電源的總質(zhì)量為M，小車速度為零時小球的速度為v
由動量守恒定律有：（M+m）v₀=mv  ①
設兩板間的電勢差為U，由功能關(guān)系，有：
qU=

1

2

mv2-

1

2

(M+m)

v

2 2

          ②
由勻強電場的場強和電勢差的關(guān)系，有：
U=EL                            ③
聯(lián)立①②③，并將M=3m代入，
可得：E=

6m v 2 0

qL

                 ④
（2）設小球運動到車底板中央位置時小球的速度為v₁，小車的速度為v₂
由動量定恒定律有：（M+m）v₀=mv₁+Mv₂   ⑤
由功能關(guān)系，有：q

U

2

=

1

2

m

v

2 1

+

1

2

M

v

2 2

-

1

2

(M+m)

v

2 0

  ⑥
聯(lián)立③～⑥，并將M=3m代入，可解得
小球的速度：v1=

2+3 2

2

v0，
小車的速度：v2=

2- 2

2

v0
（也可以分別對小球和小車用動能定理列式解之）
答：（1）兩極板間勻強電場的場強E的大小E=

6m v 2 0

qL

．
（2）從解除鎖定到小球運動到車底板的中央位置時，小球的速度v1=

2+3 2

2

v0和小車的對地速度是  v2=

2- 2

2

v0．

點評：本題綜合考查了動量守恒定律、動能定理以及功能關(guān)系，綜合性較強，對學生的能力要求較高，需加強訓練．