Question

【題目】有個演示實驗，在上下面都是金屬板的玻璃盒內(nèi)，放了許多錫箔紙揉成的小球，當上下板間加上電壓后，小球就上下不停地跳動.現(xiàn)取以下簡化模型進行定量研究.

如圖所示，電容量為C的平行板電容器的極板A和B水平放置，相距為d，與電動勢為ε、內(nèi)阻可不計的電源相連.設兩板之間只有一個質(zhì)量為m的導電小球，小球可視為質(zhì)點.已知：若小球與極板發(fā)生碰撞，則碰撞后小球的速度立即變?yōu)榱�，帶電狀態(tài)也立即改變，改變后，小球所帶電荷符號與該極板相同，電量為極板電量的α倍（α<<1）.不計帶電小球?qū)�極板間勻強電場的影響.重力加速度為g.

(1)欲使小球能夠不斷地在兩板間上下往返運動，電動勢ε至少應大于多少？

(2)設上述條件已滿足，在較長的時間間隔T內(nèi)小球做了很多次往返運動.求在T時間內(nèi)小球往返運動的次數(shù)以及通過電源的總電量.

Answer 1

【答案】(1)

(2),

【解析】(1)用Q表示極板電荷量的大小，q表示碰后小球電荷量的大小.要使小球能不停地往返運動，小球所受的向上的電場力至少應大于重力，則

其中 q=αQ又有Q=Cε

由以上三式有

(2)當小球帶正電時，小球所受電場力與重力方向相同，向下做加速運動.以a1表示其加速度，t1表示從A板到B板所用的時間，則有

當小球帶負電時，小球所受電場力與重力方向相反，向上做加速運動，以a2表示其加速度，t2表示從B板到A板所用的時間，

則有

小球往返一次共用時間為（t1+t2），故小球在T時間內(nèi)往返的次數(shù)

由以上關系式得

小球往返一次通過的電量為2q，在T時間內(nèi)通過電源的總電量Q'=2qn

由以上兩式可得