在光滑水平面上有一质量m=1.0×10-3kg电量q=1.0×10-10C的带正电小球,静止在O点以O点为原点,在该水平面内建立直角坐标系Oxr现突然加一沿x轴正方向,场强大小E=2.0×106v/m的匀强电场,使小球开始运动经过1.0s,所加电场突然变为沿y轴正方向,场强大小仍为E=2.0×106V/m的匀强电场再经过1.0s,所加电场又突然变为另一个匀强电场,使小球在此电场作用下经1.0s速度变为零。
求此电场的方向及速度变为零时小球的位置。
解:
由牛顿定律得知,在匀强电场中小球加速度的大小为:a=qE/m
代人数值得:a=1.0×10-10×2.0×106/1.0×10-3=0.20m/s2
当场强沿x正方向时,经过1秒钟小球的速度大小为
Vx=at=0.20×1.0=0.20m/s ②
速度的方向沿X轴正方向,小球沿x轴方向移动的距离
△x1=1/2at2=1/2×0.20×1.02=0.10m ③
在第2秒内,电场方向沿y轴正方向,故小球在x方向做速度为Vx的匀速运动,在y方向做初速为零的匀加速运动,沿x方向移动的距离:△x2=Vxt=0.20m ④
沿y方向移动的距离:△y=1/2at2=1/2×0.20×1.02=0.10m ⑤
故在第2秒末小球到达的位置坐标
x2=△x1+△x2=0.30m ③
y2=△y=0.10m ①
在第2秒末小球在x方向的分速度仍为Vx,在y方向的分速度
Vy=at=0.20×1.0 =0.20m/s ②
由上可知,此时运动方向与x轴成45。角。要使小球速度能变为零,则在第3秒内所加匀强电场的方向必须与此方向相反,即指向第三象限,与x轴成2250角。
在第3秒内,设在电场作用下小球加速度的x分量和y分量分别为ax, ay,则
ax=Vx/s=0.20m/s2
ay=Vy/t=0.20m/s2 ①
在第3秒未小球到达的位置坐标为
x3=x2+Vxt-1/2axt2=0.40m ②
y3=y2+Vyt-1/2ayt2=0.20m ③