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| 电势差与电场强度的关系题目答案及解析如下,仅供参考!
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
有一个带正电的小球起始时刻处于左图中的$O$点,已知小球的带电量为$+q$,质量为$m$。小球所在的竖直平面内$AB$区域间存在着一个竖直方向的电场,以竖直向下为$x$轴正方向,其电场强度随位移$x$的变化如右图所示。现将小球从$O$点静止释放,小球开始下落,到达边界$B$处时(仍认为在电场内)速度恰好减小为$0$,已知$AB$间距离为$L$,则:
小球从$A$运动到$B$的过程中,电场力做了多少功?
$−mgL$;
"]]小球从$A$运动到$B$的过程中根据动能定理$mgL+W_{电}=0$,解得电场力做功为$W_{电}=−mgL$;
$A$、$B$两点电势差$U_{AB}$以及起始位置的场强$E_{0}$为多少?
$\\dfrac{- mgL}{q}$,$\\dfrac{mg}{q}$;
"]]电场力做负功,$A$、$B$两点电势差$U_{AB}$为$U_{AB}=\dfrac{W_{电}}{q}=\dfrac{- mgL}{q}$,根据电场强度随位移$x$的变化图像可知$x=L$处的场强大小为$E_{L}=\dfrac{\dfrac{3}{4}L}{\dfrac{1}{4}L}E_{0}= 3E_{0}$,根据$U=Ed$可知图像与坐标轴围成的面积为$A$、$B$两点电势差的大小,故有$\dfrac{3}{4}L \cdot 3E_{0} \times \dfrac{1}{2}- \dfrac{1}{4}LE_{0} \times \dfrac{1}{2}=\dfrac{mgL}{q}$,解得$E_{0}=\dfrac{mg}{q}$;
物体在何处受力平衡?整个过程中小球的最大速度是多少?
$\\dfrac{L}{2}$,$\\sqrt{gL}$。
"]]由图像可知图线的函数表达式为$E=E_{0} -\dfrac{4E_{0}}{L}x$,物体受力平衡时$|Eq|=mg$,由$E_{0}q=mg$可知开始运动时电场力方向竖直向下,即此时场强竖直向下,故物体受力平衡时,此时场强方向竖直向上,反应在图像上可知此时图线上场强小于零,设该位置处的$x$轴坐标为$x_{0}$,得$\left( \dfrac{4E_{0}}{L}x_{0}-E_{0} \right)q= mg$,解得$x_{0}= \dfrac{L}{2}$,小球到达平衡位置时加速度为零,此时速度最大。从开始运动到该位置,根据对称性可知电场力做功为零,由动能定理有$mg \cdot \dfrac{L}{2}=\dfrac{1}{2}mv^{2}- 0$,解得$v=\sqrt{gL}$。
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