运用牛顿运动定律结合运动学知识处理带电粒子在电场运动的问题,往往局限于匀强电场中的情形,而从能量的角度出发处理此类问题则不受电场性质限制,因而更显优越性。带电粒子在电场中运动时,往往还涉及“重力”是否要考虑的问题。一般地,像电子、质子、α粒子等基本粒子不考虑重力作用;有些问题可由题设条件直接比较带电粒子所受电场力
qE与重力mg的值,若qE mg,则可不考虑重力作用;有些问题,可根据题意,分析考虑重力与不考虑重力的情形下所描述状态或过程是否可能,再判断是否要考虑重力作用。对带电粒子的偏转,往往要利用运动的合成和分解的方法来处理,这时要注意分运动的独立性和等时性。
例题、如图所示,相距为 d=10cm,水平放置的平行金属板a、b,其电容C=2μF,开始时两板均不带电,a板接地,且中央有一小孔,现将带电量q=2.0×10-6C,质量m=2×10-3kg的带电油滴一滴一滴地由小孔正上方h=10cm高处无初速地滴下,竖直落向b板,把电量全部传给b板,求:
(1)第几滴油滴在板间匀速运动?
(2)能够到达b板的油滴最多为多少?
解析:
当油滴落到 b板,将电荷全部传给b板后,由于感应,a板将出现等量异种电荷,因而在板间形成逐渐加强的电场,显然,该电场对带电油滴继续落向b板起阻碍作用,而油滴在一段时间内可继续落到b板上,说明本题中要考虑油滴重力。
带电油滴进入电场后,受重力和电场力作用,最初,由于两板带电量很小,板间电场较弱,因而油滴加速运动到 b板,随着电量的增大,板间场强增大,带电油滴所受电场力增大,当电场力与重力相等时,油滴在板间做匀速直线运动。
解:
(1)设有n滴油滴落到b板上后,第n+1滴油滴进入电场后作匀速运动,由上述分析,此时qE=mg.
其中
代入数据得: n=1000滴。
即第 1001滴油滴将在板间匀速运动。
(2)第1001滴油滴落到b板后,其他进入电场的油滴所受电场力将比其重力大,油滴将在板间减速落向b板。
设 N滴落到b板后,第N+1滴油滴进入电场后运动到刚好要到达b板前一瞬间速度减为零,考虑整个运动过程,根据动能定理有:
代入数据得 N=2000滴。