高中 | 电势差与电场强度的关系 题目答案及解析

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选修3-1

第一章 静电场

1.6 电势差与电场强度的关系

电势差与电场强度的关系

如图所示,一端固定的长为$l$的绝缘轻绳悬挂一质量为$m$的绝缘小球,小球带正电$q$,可视为质点。初始时,小球静止于$P$点,现给空间施加一大小为$E=\dfrac{\sqrt{3}mg}{3q}$,水平向右的恒定匀强电场,小球恰能到达$Q$点(未画出),已知重力加速度为$g$,不计空气阻力,则$(\quad\ \ \ \ )$

["

小球处于$Q$点位置时轻绳与竖直方向的夹角为$45{}^\\circ $

","

$P$$Q$两点的电势差大小为$\\dfrac{mgl}{2q}$

","

轻绳对小球的拉力最大时,小球的电势能减少$\\dfrac{mgl}{6}$

","

轻绳对小球的拉力最大时,绳上的拉力大小为$\\dfrac{2\\sqrt{3}mg}{3}$

"]
[["B"]]

$\rm A$.题意可知小球恰能到达$Q$点时速度为$0$,设此时轻绳与竖直方向夹角为$\theta $,由动能定理有$Eql\text{sin}\theta -mgl\left( 1-\text{cos}\theta \right)=0$,代入数据,解得$\theta =60{}^\circ $,故$\rm A$错误;

$\rm B$.由场强与电势间的关系得:$U=El\sin\theta=\dfrac{mgl}{2q}$,故$\rm B$正确;

$\rm C$.轻绳对小球的拉力最大时,小球速度最大,由对称性得,此时轻绳与竖直方向夹角为$\dfrac{\theta }{2}$,该过程电场力做功$W=Eql\text{sin}30{}^\circ =\dfrac{\sqrt{3}mgl}{6}$,故小球的电势能减少$\dfrac{\sqrt{3}mgl}{6}$,故$\rm C$错误;

$\rm D$.小球速度最大时,由动能定理有$Eql\text{sin}\dfrac{\theta }{2}-mgl\left( 1-\text{cos}\dfrac{\theta }{2} \right)=\dfrac{1}{2}m{{v}^{2}}$,由牛顿第二定律有$F-\sqrt{{{\left( mg \right)}^{2}}+{{\left( Eq \right)}^{2}}}=m\dfrac{{{v}^{2}}}{l}$,联立解得$F=2\left( \sqrt{3}-1 \right)mg$

$\rm D$错误。

故选$\rm B$

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