高中 | 牛顿第二定律的两类基本问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

牛顿第二定律的两类基本问题

如图是研究颗粒碰撞荷电特性装置的简化图。两块水平绝缘平板与两块竖直的平行金属平板相接。金属平板之间接高压电源产生匀强电场。一带电颗粒从上方绝缘平板左端$A$点处,由静止开始向右下方运动,与下方绝缘平板在$B$点处碰撞,碰撞时电荷量改变,反弹后离开下方绝缘平板瞬间,颗粒的速度与所受合力垂直,其水平分速度与碰前瞬间相同,竖直分速度大小变为碰前瞬间的$k$倍($k\lt1$)。已知颗粒质量为$m$,两绝缘平板间的距离为$h$,两金属平板间的距离为$d$$B$点与左平板的距离为$l$,电源电压为$U$,重力加速度为$g$。忽略空气阻力和电场的边缘效应。求:

颗粒碰撞前的电荷量$q$

[["

$q=\\dfrac{mgdl}{Uh}$

"]]

根据题意可知,颗粒在竖直方向上做自由落体,则有$h=\dfrac{1}{2}gt^{2}$

水平方向上做匀加速直线运动,则有$\dfrac{qU}{d}=ma$$l=\dfrac{1}{2}at^{2}$

解得$q=\dfrac{mgdl}{Uh}$

颗粒在$B$点碰撞后的电荷量$Q$

[["

$Q=\\dfrac{kmgdh}{Ul}$

"]]

根据题意可知,颗粒与绝缘板第一次碰撞时,竖直分速度为$v_{y1}=\sqrt{2gh}$

水平分速度为$v_{x1}=\sqrt{2al}=\sqrt{\dfrac{2gl^{2}}{h}}$

则第一次碰撞后竖直分速度为$v_{y2}=kv_{y1}=k\sqrt{2gh}$

设第一次碰撞后颗粒速度方向与水平方向夹角为$\theta$,则有$\tan\theta=\dfrac{v_{y2}}{v_{x1}}=\dfrac{kh}{l}$

由于第一次碰撞后瞬间颗粒所受合力与速度方向垂直,则有$\tan\theta=\dfrac{\dfrac{UQ}{d}}{mg}=\dfrac{UQ}{mgd}$

联立解得$Q=\dfrac{kmgdh}{Ul}$

颗粒从$A$点开始运动到第二次碰撞过程中,电场力对它做的功$W$

[["

$(4k+1)l+\\dfrac{4k^{3}h^{2}}{l} \\leqslant d$时,$W=\\dfrac{mgl^{2}}{h}+ 4k^{2}mgh+\\dfrac{4k^{4}mgh^{3}}{l^{2}}$,若$(4k+1)l+\\dfrac{4k^{3}h^{2}}{l} \\gt d$时,$W=\\dfrac{mgl^{2}}{h}+ \\dfrac{kmgh(d-l)}{l}$

"]]

根据题意可知,由于$k\lt1$,则第一次碰撞后颗粒不能返回上绝缘板,若颗粒第二次碰撞是和下绝缘板碰撞,设从第一碰撞后到第二次碰撞前的运动时间为$t'$,则有$t'=\dfrac{2k\sqrt{2gh}}{g}= 2k\sqrt{\dfrac{2h}{g}}$

水平方向上做匀加速直线运动,加速度为$a'=\dfrac{UQ}{md}=\dfrac{kgh}{l}$

水平方向运动的距离为$l'=v_{x1}t'+\dfrac{1}{2}a{t}'^{2}=4kl+\dfrac{4k^{3}h^{2}}{l}$

则电场对颗粒做的功为$W=\dfrac{Uql}{d}+\dfrac{UQl'}{d}=\dfrac{mgl^{2}}{h}+4k^{2}mgh+\dfrac{4k^{4}mgh^{3}}{l^{2}}$

$l+l^\prime\gt d$,则颗粒第二次碰撞是和右侧金属板碰撞,则颗粒从第一次碰撞到第二次碰撞过程中水平方向位移为$d-l$,颗粒从$A$点开始运动到第二次碰撞过程中,电场对颗粒做的功为$W'=\dfrac{Uql}{d}+\dfrac{UQ(d-l)}{d}=\dfrac{mgl^{2}}{h}+\dfrac{kmgh(d-l)}{l}$

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