Question

在動摩擦因數m＝0.2的粗糙絕緣足夠長的水平滑漕中，長為2L的絕緣輕質細桿兩端各連接一個質量均為m的帶電小球A和B，如圖為俯視圖（槽兩側光滑）。A球的電荷量為＋2q，B球的電荷量為－3q（均可視為質點，也不考慮兩者間相互作用的庫侖力）。現讓A處于如圖所示的有界勻強電場區域MPQN內，已知虛線MP恰位于細桿的中垂線，MP和NQ的距離為3L，勻強電場的場強大小為E＝1.2mg/q，方向水平向右。釋放帶電系統，讓A、B從靜止開始運動（忽略小球運動中所產生的磁場造成的影響）。求：
（1）小球B第一次到達電場邊界MP所用的時間；
（2）小球A第一次離開電場邊界NQ時的速度大小
（3）帶電系統運動過程中，B球電勢能增加量的最大值。

Answer 1

（1）（2）（3）x=0.1L解析:
（1）帶電系統開始運動后，先向右加速運動；當B進入電場區時，開始做減速運動。設B進入電場前的過程中，系統的加速度為a₁，
由牛頓第二定律：2Eq－m2mg＝2ma₁      即 a₁=g   （2分）
B剛進入電場時，由L＝a₁t₁²       可得     （2分）
（2）當A剛滑到右邊界時，電場力對系統做功為
W₁＝2Eq´2L＋（—3Eq´L）＝EqL     
摩擦力對系統做功為W₂＝—＝—0.8mmgL
W_總= EqL—0.8mgL="0.4" mgL    故A球從右端滑出。 (2分）。
設B從靜止到剛進入電場的速度為v₁，
由＝2a₁L     可得v₁＝   （2分）
設B進入電場后，系統的加速度為a₂，由牛頓第二定律
2Eq－3Eq－2mg＝2ma₂    
a₂＝－0.8g              （2分）
系統做勻減速運動，設小球A第一次離開電場邊界NQ時的速度大小為v₂；
由 —="2" a2L      （2分）
可得     （2分）
（3）當帶電系統速度第一次為零，此時A已經到達右邊界NQ外，B克服電場力做的功最多，B增加的電勢能最多      （2分）
設此時A離右邊界NQ的距離為x，由動能定理：
2Eq´2L— 3Eq´（L＋x）—2L+x)=0       （2分）
可得x=0.1L            
所以B電勢能增加的最大值 DW₁＝3Eq´1.1L＝3.3EqL =3.96mgL  （2分）