Question

如圖所示，在光滑水平地面上，靜止放著一質量m=0.2kg的絕緣平板小車，小車的右邊處在以PQ為界的勻強電場中，電場強度E₁=1×10⁴V/m，小車A點正處于電場的邊界。質量m₂=0.1kg，帶電量q=6×10^-5C的帶正電小物塊（可視為質點）置于A點，其與小車間的動摩擦因數(shù)μ=0.40（且最大靜摩擦力與滑動摩擦力相等）�，F(xiàn)給小物塊一個v₀=6m/s的速度。當小車速度減為零時，電場強度突然增強至E₂=2×10⁴V/m，而后保持不變。若小物塊不從小車上滑落，取g=10m/s₂。試解答下列問題：

（1）小物塊最遠能向右運動多遠？

（2）小車、小物塊的最終速度分別是多少？

（3）小車長度應滿足什么條件？

Answer 1

（1）小物塊水平方向受向左的電場力與滑動摩擦力做減速運動，而小車受摩擦力向右做勻加速運動，設小車與小物塊的加速度分別為，由牛頓定律得：

對小物塊

 

對小車

       

設經(jīng)秒兩者速度相同，則由得

對小物塊有：

對小車有：

由以上二式得：              

解得，共同速度為1m/s     

當兩者達到共同速度后，受力情況發(fā)生了變化，其水平方向的受力如圖所示：

若設兩物體時只受電場力作用下一起做減速運動時其加速度為a₃，

則由牛頓第二定律得：F=（m₁+m₂）a₃

設兩者間的摩擦力達最大靜摩擦，設小車及小物塊做減速運動的加速度分別為a₄、a₅，

則：

             

由于，故兩者不會相對滑動，而是以2m/s²的共同加速度做減速運動，

直至共同速度減為零。                 

小物塊第一段運動的位移   

第二段運動的位移             

故小物塊向右運動最遠的位移s=1.75m+0.25m=2m             

（2）

當小物塊及小車的速度減為零后，其受力如圖，由牛頓第二定律得：

小物塊的加速度

此時小車的加速度       

設小物塊經(jīng)t₂秒沖出電場，此時小物塊及小車速度分別為v₃與v₄.則：

對小物塊∵

∴

對小物塊                           

對小車                  

當小物塊沖出電場后，若不從小車上滑落兩者最終達至共同速度，設此速度為v₅，

由系統(tǒng)動能守恒得：m₂v₃+m₁v₄=(m₁+m₂)v₅

     

（3）解法一、設小長車上滑落，兩者最終會達至共同速度，設此速度v₅.

                 

解得L=3m