Question

质量m=2.0×10^-4kg、电荷量q=1.0×10^-6C的带正电微粒悬停在空间范围足够大的匀强电场中，电场强度大小为E₁．在t=0时刻，电场强度突然增加到E₂=4.0×10³N/C，场强方向保持不变．到t=0.20s时刻再把电场方向改为水平向右，场强大小保持不变．取g=10m/s²．求：
（1）原来电场强度E₁的大小？
（2）t=0.20s时刻带电微粒的速度大小？
（3）带电微粒运动速度水平向右时刻的动能？

Answer

（1）当场强为E1的时候，带正电微粒静止，重力与电场力平衡，由平衡条件求解电场强度E1的大小．
（2）当场强为E2的时候，带正电微粒由静止开始向上做匀加速直线运动，根据牛顿第二定律求出加速度，由初速度为零和时间，由速度公式求解t=0.20s时刻带电微粒的速度大小．
（3）t=0.20s时刻把电场方向改为水平向右后，粒子受到的电场力也变为水平向右，采用运动的分解法：竖直方向做竖直上抛运动，水平方向做初速度零的匀加速运动．由竖直方向匀减速运动求出速度减小到零的时间，此时速度即变为水平方向，由牛顿定律和速度公式结合求解速度水平向右时刻的速度，再求解动能．
【解析】
（1）当场强为E1的时候，带正电微粒静止，所以mg=E1q
所以 E1==2.0×103N/C 
   （2）当场强为E2的时候，带正电微粒由静止开始向上做匀加速直线运动，设0.20s后的速度为v，
由牛顿第二定律：E2q-mg=ma，得到a==10m/s2．
由运动学公式 v=at=2m/s
   （3）把电场E2改为水平向右后，带电微粒在竖直方向做匀减速运动，设带电微粒速度达到水平向右所用时间为t1，则 0-v1=-gt1 解得：t1=0.20s 
设带电微粒在水平方向电场中的加速度为a2，
根据牛顿第二定律 qE2=ma2，解得：a2=20m/s2 
设此时带电微粒的水平速度为v2，v2=a2t1，解得：v2=4.0m/s
设带电微粒的动能为Ek，Ek==1.6×10-3J
答：（1）原来电场强度E1的大小是2.0×103N/C；
    （2）t=0.20s时刻带电微粒的速度大小是2m/s；
    （3）带电微粒运动速度水平向右时刻的动能1.6×10-3J．