Question

（22分）如圖（a）所示，傾角θ＝30（的光滑固定斜桿底端固定一電量為Q＝2×10^-4C的正點(diǎn)電荷，將一帶正電小球（可視為點(diǎn)電荷）從斜桿的底端（但與Q未接觸）靜止釋放，小球沿斜桿向上滑動(dòng)過程中能量隨位移的變化圖像如圖（b）所示，其中線1為重力勢(shì)能隨位移變化圖像，線2為動(dòng)能隨位移變化圖像。（g＝10m/s²，靜電力恒量K=9×10⁹N·m²/C²）則: 

（1）描述小球向上運(yùn)動(dòng)過程中的速度與加速度的大小變化情況；
（2）求小球的質(zhì)量m和電量q；
（3）斜桿底端至小球速度最大處由底端正點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)的電勢(shì)差U；
（4）在圖（b）中畫出小球的電勢(shì)能（ 隨位移s變化的圖線。（取桿上離底端3m處為電勢(shì)零點(diǎn)）

Answer 1

（1）先沿斜面向上做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng)，再沿斜面向上做加速度逐漸增大的減速運(yùn)動(dòng)，直至速度為零。（2）m＝4kg  1.11×10^－5C （3）4.2×10⁶V （4）如圖所示

試題分析：

解：（1）先沿斜面向上做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng)，再沿斜面向上做加速度逐漸增大的減速運(yùn)動(dòng)，直至速度為零。  （2分）
（2）由線1可得E_P＝mgh＝mgssinθ， （2分）
斜率k＝20＝mgsin30（   （2分） ，    所以m＝4kg （1分）
當(dāng)達(dá)到最大速度時(shí)帶電小球受力平衡mgsinθ＝kqQ/s₀²，  （2分）
由線2可得s₀＝1m，   （2分）
得q＝mgs₀²sinθ/kQ＝1.11×10^－5C   （2分）
（3）由線2可得當(dāng)帶電小球運(yùn)動(dòng)至1m處動(dòng)能最大為27J。           （2分）
根據(jù)動(dòng)能定理W_G＋W_電＝（E_k
－mgh＋qU＝E_km－0     （2分）
代入數(shù)據(jù)得U＝4.2×10⁶V （2分）
（4）右圖中線3即為小球電勢(shì)能ε隨位移s變化的圖線               （3分）