综合题14.0分
物理

在平行金属板间的水平匀强电场中,有一长为L的轻质绝缘棒OA,其一端可绕O点在竖直平面内自由转动,另一端A处有一带电量为-q且不计重力的小球,质量为m的绝缘小球固定在OA棒中点处,当变阻器滑片在P点处时,棒静止在与竖直方向成30°角的位置,如图所示。已知此时BP段的电阻为R,平行金属板间的水平距离为d

40.求此时金属板间电场的场强大小E

41.若金属板旋转△α=30°(图中虚线表示),并移动滑片位置,欲使棒与竖直方向的夹角不变,BP段的电阻应调节为多大?

42.若金属板不转动,将BP段的电阻突然调节为R,带电小球初始位置视为零势能点,求带电小球电势能的最小值。

第1小题正确答案及相关解析

正确答案

金属板间电场的场强大小E=

解析

轻杆力矩平衡:EqL cos30=mgLsin30,场强大小E= 。

考查方向

动能定理的应用;力矩的平衡条件;匀强电场中电势差和电场强度的关系;闭合电路的欧姆定律

解题思路

根据力矩平衡求出金属板间电场的场强大小E.

易错点

考查了力矩平衡,动能定理以及闭合电路欧姆定律,综合性较强,对学生能力要求较高,运用动能定理解题时要确定好研究的过程.

第2小题正确答案及相关解析

正确答案

BP段的电阻应调节为R.

解析

旋转前两金属板间电势差UEd=,金属板旋转30°后杆仍平衡,Eq Lcos60=mgLsin30,E′=,板旋转后,板距d′=d cos30,U′=Ed′=,金属板间电势差与变阻器BP电阻成正比, = ,得R′=R

考查方向

动能定理的应用;力矩的平衡条件;匀强电场中电势差和电场强度的关系;闭合电路的欧姆定律

解题思路

金属板旋转30°后,电场强度的方向发生改变,板距发生了变化,根据力矩平衡,结合闭合电路欧姆定律求出BP段的电阻的大小.

易错点

考查了力矩平衡,动能定理以及闭合电路欧姆定律,综合性较强,对学生能力要求较高,运用动能定理解题时要确定好研究的过程.

第3小题正确答案及相关解析

正确答案

带电小球电势能的最小值为﹣mgL.

解析

电阻调节为R后,E′′=,F′′=mg ,杆逆时针旋转,至小球速度为零时,带电小球电势能最小,设此时杆与竖直角度为θ,根据动能定理,mgL(sinθ-sin30)-mgL(cos30-cosθ)=0,由题意可得,θ=60,所以电场力做功的最大值WmmgL(sin60-sin30)=mgL,即电势能的最小值εm=-mgL

考查方向

动能定理的应用;力矩的平衡条件;匀强电场中电势差和电场强度的关系;闭合电路的欧姆定律

解题思路

金属板不转动,将BP段的电阻突然调节为R,得出电场强度的大小以及电场力的大小,运用动能定理求出电场力做功的最大值,根据电场力做功与电势能的关系得出电势能的最小值.

易错点

考查了力矩平衡,动能定理以及闭合电路欧姆定律,综合性较强,对学生能力要求较高,运用动能定理解题时要确定好研究的过程.