高中 | 能量守恒定律 题目答案及解析

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选修3-3

第十章 热力学定律

10.3 热力学第一定律 能量守恒定律

能量守恒定律

如图所示,一个电容为$C$的平行板电容器与恒压电源相连,平行板电容器极板长度为$d$,极板间距离也为$d$。一电荷量为$q$、质量为$m$的粒子以平行于极板的速度$v_{0}$贴近上极板从左侧进入电场,恰好能从两极板间的中点射出。不计粒子所受重力,忽略电容器两极板的边缘效应。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

粒子带负电

","

带电粒子射出电场时的速度大小为$2v_{0}$

","

若将下极板上移$\\dfrac{d}{2}$,则粒子恰好紧贴下极板右侧射出

","

若断开开关后将下极板上移$\\dfrac{d}{2}$,则粒子穿过平行板电容器的过程中电势能减少了$\\dfrac{mv_{0}^{2}}{2}$

"]
[["D"]]

$\rm A$.由粒子的运动可知,粒子所受电场力垂直于极板向下,因电场方向垂直于极板向下,所以粒子带正电,故$\rm A$错误;

$\rm B$.粒子在两极板间做类平抛运动,射出电场时速度的方向延长线过上极板的中点,即速度方向与极板成$45^\circ $角,所以,带电粒子射出电场时的速度大小为$\sqrt{2}v_{0}$,故$\rm B$错误;

$\rm C$.若将下极板上移$\dfrac{d}{2}$,则两极板间的场强变为原来的$2$倍,粒子的加速度变为原来的$2$倍,假设粒子能够射出电场,则粒子在两极板间运动的时间不变,垂直极板方向发生的位移变为原来的$2$倍,所以粒子必将打在下极板上,故$\rm C$错误;

$\rm D$.若断开开关后将下极板上移$\dfrac{d}{2}$,根据$E=\dfrac{U}{d}$$C=\dfrac{Q}{U}$$C=\dfrac{\varepsilon_{\text{r}}S}{4\pi kd}$

$E=\dfrac{4\pi kQ}{\varepsilon_{\text{r}}S}$

若电容器两极板与电源断开,则$Q$不变,若只改变两极板间的距离则两极板间的场强不变。

则粒子的运动轨迹不变,即粒子穿过平行板电容器的过程中动能增加了$\dfrac{1}{2}m\left( \sqrt{2}v_{0} \right)^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$,因粒子只受电场力,动能与电势能总和不变,所以电势能的减少量等于动能的增加量,即电势能减少了$\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$,故$\rm D$正确。

故选:$\rm D$

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