如图所示,两块竖直放置的平行金属板A、B,两板相距d,两板间电压为U,一质量为m的带电小球从两板间的M点开始以竖直向上的初速度v0运动,当它到达电场中的N点时速度变为水平方向,大小变为2v0,求M、N两点间的电势差和电场力对带电小球所做的功(不计带电小球对金属板上电荷均匀分布的影响,设重力加速度为g)

问题描述:

如图所示,两块竖直放置的平行金属板A、B,两板相距d,两板间电压为U,一质量为m的带电小球从两板间的M点开始以竖直向上的初速度v0运动,当它到达电场中的N点时速度变为水平方向,大小变为2v0,求M、N两点间的电势差和电场力对带电小球所做的功(不计带电小球对金属板上电荷均匀分布的影响,设重力加速度为g)

竖直方向上小球受到重力作用而作匀减速直线运动,则竖直位移大小为h=

v
2
0
2g

小球在水平方向上受到电场力作用而作匀加速直线运动,则
水平位移:x=
2v0
2
•t

 又h=
v0
2
•t

联立得,x=2h=
v
2
0
g

故M、N间的电势差为UMN=-Ex=-
U
d
v
2
0
g
=-
U
v
2
0
dg

从M运动到N的过程,由动能定理得
  W+WG=
1
2
m(2v0)2
-
1
2
m
v
2
0

WG=−mgh=−
1
2
m
v
2
0

所以联立解得,W=2m
v
2
0

答:M、N间电势差为-
U
v
2
0
dg
,电场力做功为2m
v
2
0

答案解析:小球在电场中受到重力和电场力,运用运动的分解法研究:竖直方向做匀减速直线运动,根据运动学公式可求出MN间的高度差,由位移公式分别研究水平和竖直两个方向,根据时间相等,求出水平位移的大小,由U=Ed公式求解MN间的电势差.根据动能定理求解电场力对小球做功.
考试点:电势能;匀变速直线运动的速度与位移的关系;动能定理的应用.
知识点:本题抓住小球所受的电场力与重力分别在水平和竖直两个方向,运用运动的分解研究研究.