Question

如圖所示，水平放置的平行板電容器，與某一電源相連．它的極板長(zhǎng)L=0.4m，兩板間距離d=4×10^-3m，有一束由相同帶電微粒組成的粒子流，以相同的速度v₀從兩板中央平行極板射入，開(kāi)關(guān)S閉合前，兩板不帶電，由于重力作用微粒能落到下板的正中央，已知微粒質(zhì)量為m=4×10^-5kg，電量q=+1×10^-8C，（g=10m/s²）求：
（1）微粒入射速度v₀為多少？
（2）為使微粒能從平行板電容器的右邊射出電場(chǎng)，電容器的上板應(yīng)與電源的正極還是負(fù)極相連？所加的電壓U應(yīng)取什么范圍？

Answer 1

分析：（1）粒子剛進(jìn)入平行板時(shí)，兩極板不帶電，粒子做的是平拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可以求得粒子入射速度v₀的大��；
（2）由于兩板之間加入了勻強(qiáng)電場(chǎng)，此時(shí)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是類平拋運(yùn)動(dòng)，仍把運(yùn)動(dòng)在水平和豎直兩個(gè)方向上分解，進(jìn)行列式計(jì)算．由于帶電粒子的水平位移增加，在板間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間變大，而豎直方向位移不變，所以在豎直方向的加速度減小了，由此可判斷受到了豎直向上的電場(chǎng)力作用，再結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律列式求解即可．

解答：解：（1）粒子剛進(jìn)入平行板時(shí)，兩極板不帶電，粒子做的是平拋運(yùn)動(dòng)，則有：
水平方向有：

L

2

=v0t
豎直方向有：

d

2

=

1

2

gt2
解得：v₀=10m/s
（2）由于帶電粒子的水平位移增加，在板間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間變大，而豎直方向位移不變，所以在豎直方向的加速度減小，所以電場(chǎng)力方向向上，又因?yàn)槭钦�電荷，所以上極板與電源的負(fù)極相連，
當(dāng)所加電壓為U₁時(shí)，微粒恰好從下板的右邊緣射出，則有：

d

2

=

1

2

a1(

L

v0

)2
根據(jù)牛頓第二定律得：mg-q

U1

d

=ma1
解得：U₁=120V
當(dāng)所加電壓為U₂時(shí)，微粒恰好從上板的右邊緣射出，則有：

d

2

=

1

2

a2(

L

v0

)2
根據(jù)牛頓第二定律得：q

U2

d

-mg=ma2
解得：U₁=200V
所以所加電壓的范圍為：120V≤U≤200V
答：（1）微粒入射速度v₀為10m/s；
（2）為使微粒能從平行板電容器的右邊射出電場(chǎng)，電容器的上板應(yīng)與電源的負(fù)極相連，所加的電壓U的范圍為120V≤U≤200V．

點(diǎn)評(píng)：解得此類問(wèn)題，首先要正確的對(duì)帶電粒子在這兩種情況下進(jìn)行正確的受力分析，確定粒子的運(yùn)動(dòng)類型．解決帶電粒子垂直射入電場(chǎng)的類型的題，應(yīng)用平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行求解．
此類型的題要注意是否要考慮帶電粒子的重力，原則是：除有說(shuō)明或暗示外，對(duì)基本粒子（例如電子，質(zhì)子、α粒子、離子等），一般不考慮重力；對(duì)帶點(diǎn)微粒，（如液滴、油滴、小球、塵埃等），一般要考慮重力．