问题 问答题

粗糙绝缘的水平面附近存在一个平行于水平面的电场,其中某一区域的电场线与x轴平行,且沿x轴方向的电势φ与坐标值x的关系如下表格所示.

123456789
x/m0.050.100.150.200.250.300.350.400.45
φ/105v9.004.503.002.251.801.501.291.131.00
根据上述表格中的数据可作出如图1所示的φ-x图象.如图2所示,现有一质量为0.10kg、电荷量为1.0×10-7 C带正电荷的滑块(可看作质点),其与水平面的动摩擦因数为0.20,g=10m/s2

(1)由表格中的数据和图象给出的信息,写出沿x轴的电势φ与坐标值x的函数关系表达式.

(2)若将滑块无初速度地放在x=0.10m处,求滑块最终停止在何处?

(3)在上述第(2)问的整个运动过程中,它的加速度如何变化?当它位于x=0.15m时它的加速度多大?(电场中某点场强为φ-x图线上该点对应的斜率)

答案

(1)由数据表格和图象可得,电势ϕ与x成反比关系,即φ=

k
x

当x=0.1m时,电势φ=4.5V,代入上述公式,得到k=4.5×104

故沿x轴的电势ϕ与x的函数关系表达式ϕ=

4.5×104
x
V.

(2)滑块运动的全部过程中,只有电场力和摩擦力做功,由动能定理得

WF+Wf=△EK=0

设滑块停止的位置为x2,有

q(ϕ12)-μmg(x2-x)=0

即q(

4.5×104
x
-
4.5×104
x2
)-μmg(x2-x)=0

代入数据有

1.0×10-7

4.5×104
0.1
-
4.5×104
x2
)-0.20×0.10×10(x2-0.1)=0

可解得x2=0.225m(舍去x2=0.1m)

故滑块最终停止在坐标为0.225m的位置.

(3)先做加速度减小的加速运动,后做加速度增大的减速运动.

即加速度先减小后增大.

当它位于x=0.15m时,图象上该点的切线斜率表示场强大小

E=

x
=
3×105
0.15
N/C=2.0×106 N/C

滑块在该点的水平合力FX=Eq-μmg=2.0×106×1.0×10-7-0.20×0.10×10=0

故滑块的加速度a=

Fx
m
=0

故在上述第(2)问的整个运动过程中,它的加速度先变小后变大;当它位于x=0.15m时它的加速度为零.

答:(1)由表格中的数据和图象给出的信息,写出沿x轴的电势φ与坐标值x的函数关系表达式为ϕ=

4.5×104
x
V.

(2)若将滑块无初速度地放在x=0.10m处,则滑块最终停止在最终停止在坐标为0.225m的位置;

(3)在上述第(2)问的整个运动过程中,它的加速度先变小后变大;当它位于x=0.15m时它的加速度为零.

单项选择题
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