Question

4．豎直放置的一對平行金屬板的左極板上，用長為L的輕質絕緣細線懸掛一個帶電量為q質量為 m的小球，將平行金屬板按如圖所示的電路圖連接．當滑動變阻器R在a位置時，絕緣線與左極板的夾角為θ₁=30°，當將滑片緩慢地移動到b位置時，夾角為θ₂=60°．兩板間的距離大于L，重力加速度為g．問：
（1）小球在上述兩個平衡位置時，平行金屬板上所帶電荷量之比Q₁：Q₂=1：3．
（2）若保持變阻器滑片位置在a處不變，對小球再施加一個拉力，使絕緣線與豎直方向的夾角從θ₁=30°緩慢地增大到θ₂=60°，則此過程中拉力做的功W=$（\frac{2\sqrt{3}}{3}-1）mgL$．

Answer 1

分析 （1）對小球受力分析，根據(jù)共點力平衡條件得到電場力和重力之間的關系，也就知道了場強和重力之間的關系，再根據(jù)勻強電場的場強與電勢差的關系，然后結合C=$\frac{Q}{U}$
計算比值即可．
（2）從30度到60度過程中，小球受到重力、電場力、繩子的拉力和外界的拉力，其中繩子的拉力不做功，其它力都做功，由于是緩慢變化，動能不變，全過程運用動能定理，列式求解拉力做功．

解答 解：（1）小球處于靜止狀態(tài)，受力情況如圖所示，由平衡條件得：
qE=mgtanθ，
設兩極板間的距離為d，則有：
U=Ed，C=$\frac{Q}{U}$
所以在兩個平衡位置時，平行金屬板上所帶電荷量之比：
Q₁：Q₂=1：3 
（2）設該過程拉力對小球做功W，用動能定理得：
W+qEl（sin60°-sin30°）-mgl（cos30°-cos60°）=0
又  qE=mgtan30°
解得：$W=（\frac{2\sqrt{3}}{3}-1）mgL$
故答案為：1：3，$（\frac{2\sqrt{3}}{3}-1）mgL$

點評 本題綜合考查電路知識、勻強電場及共點力的平衡和動能定理等知識，要求學生能通過讀圖和審題找出其中的關系．綜合能力要求較高，是一道好題．