Question

如圖所示，虛線MN下方存在豎直向上的勻強電場，場強E=2×10³V/m，電場區域上方有一豎直放置長為l=0.5m的輕質絕緣細桿，細桿的上下兩端分別固定一個帶電小球A、B，它們的質量均為m=0.01kg，A帶正電，電量為q₁=2.5×10^-4C；B帶負電，電荷量q₂=5×10^-5C，B到MN的距離h=0.05m．現將輕桿由靜止釋放（g取10m/s²），求：
（1）小球B剛進入勻強電場后的加速度大小．
（2）從開始運動到A剛要進入勻強電場過程的時間．
（3）小球B向下運動離M、N的最大距離．

Answer 1

分析：1、小球B剛進入電場時，以A、B球及輕桿為一整體，運用牛頓第二定律2mg+q₂E=2ma，代入數據計算可解得小球B剛進入勻強電場后的加速度大小．
2、分兩個階段研究，第一階段：B球進入電場前，A、B球及輕桿整體做自由落體運動，則有h=

1

2

gt₁²，代入數據可解得時間t₁和B球進入電場瞬間速度v₁=gt₁．
第二階段：從B球進入電場到A球剛要進入電場過程，A、B球整體做勻加速運動，則有l=v₁t₂+

1

2

at₂²，代入數據可解得t₂．
所以，從開始運動到A剛要進入勻強電場過程中的時間為t=t₁+t₂．
3、A、B球整體從開始運動到達最低點過程中，運用動能定理2mg（h+s）+q₂Es-q₁E（s-l）=0，代入數據可解得小球B向下運動離M、N的最大距離s．

解答：解：（1）小球B剛進入電場時，以A、B球及輕桿為一整體，做加速度為a的勻加速運動，由牛頓第二定律：
2mg+q₂E=2ma
解得a=g+

q2E

2m

=15 m/s²
（2）B球進入電場前，A、B球及輕桿整體做自由落體運動，時間為t₁，則有h=

1

2

gt₁²
解得：t₁=0.1 s
B球進入電場瞬間速度：v₁=gt₁=1 m/s
從B球進入電場到A球剛要進入電場過程，A、B球整體做勻加速運動，時間為t₂，則有l=v₁t₂+

1

2

at₂²
解方程得：t₂=0.2 s
從開始運動到A剛要進入勻強電場過程中的時間
t=t₁+t₂=0.3 s．
（3）設小球B向下運動離MN最大距離為s，A、B球整體從開始運動到達最低點過程中，由動能定理得：
2mg（h+s）+q₂Es-q₁E（s-l）=0
解得：s=1.3m．
答：（1）小球B剛進入勻強電場后的加速度大小為15m/s．
（2）從開始運動到A剛要進入勻強電場過程的時間0.3s．
（3）小球B向下運動離M、N的最大距離1.3m．

點評：本題有一定的難度，要注意受力的變化導致加速度變化，運動過程要分析清楚，分階段計算，比較好．