电子所带电荷量最早是由美国科学家密立根所做的油滴实验测得的。密立根油滴实验的原理如图所示:两块水平放置的平行金属板与电源相连接,上板带正电,下板带负电,油滴从喷雾器喷出后,由于与喷嘴摩擦而带负电,油滴散布在油滴室中,在重力作用下,少数油滴通过上面金属板的小孔进入(可认为初速度为0)平行金属板间,落到两板之间的匀强电场中。在强光照射下,观察者通过显微镜观察油滴的运动。
从喷雾喷出的小油滴可以视为球形,小油滴在空气中下落时受到的空气阻力f大小跟它下落的速度v的大小的关系是:f=6πηrv,式中r为油滴半径,η为粘滞系数。设重力加速度为g,不考虑油滴的蒸发。
(1)实验中先将开关断开,测出小油滴下落一段时间后达到匀速运动时的速度v1,已知油的密度为ρ,空气的密度为ρ′,粘滞系数为η,试由以上数据计算小油滴的半径r;
(2)待小球向下运动的速度达到v1后,将开关闭合,小油滴受电场力作用,最终达到向上匀速运动,测得匀速运动的速度v2,已知两金属板间的距离为d,电压为U。试由以上数据计算小油滴所带的电荷量q;
(3)大致(不要求精确的标度)画出油滴从进入平行金属板到向上匀速运动这段过程中的v—t图像(设竖直向下为正方向)。
如图所示,在E=1×103V/m的竖直匀强电场中,有一光滑的半圆形绝缘轨QPN与一水平绝缘轨道MN连接,半圆形轨道平面与电场线平行,P为QN圆弧的中点,其半径R=40cm,一带正电q=10﹣4C的小滑块质量m=10g,位于N点右侧s=1.5m处,与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.15,取g=10m/s2.现给小滑块一向左的初速度,滑块恰能运动到圆轨道的最高点Q,求:
(1)滑块在圆轨道最高点Q的速度大小;
(2)滑块应以多大的初速度v0向左运动?
(3)这样运动的滑块通过P点时对轨道的压力是多大?
如图所示,在两条平行的虚线内存在着宽度为L、场强为E的匀强电场,在与右侧虚线相距也为L处有一与电场平行的屏.现有一电荷量为+q、质量为m的带电粒子(重力不计),以垂直于电场线方向的初速度v0射入电场中,v0方向的延长线与屏的交点为O.试求:
(1)粒子从射入到打到屏上所用的时间;
(2)粒子刚射出电场时的速度方向与初速度方向间夹角的正切值tanα;
(3)粒子打到屏上的点P到O点的距离s.
如图所示,真空中,带电荷量分别为+Q与﹣Q的点电荷A、B相距r,则:
(1)两点电荷连线的中点O的场强多大,方向如何?
(2)在两电荷连线的中垂线上,距A、B两点都为r的O′点的场强多大,方向如何?
沿水平方向的场强为E=6×103v/m的足够大的匀强电场中,用绝缘细线系一个质量m=8.0g的带电小球,线的另一端固定于O点,平衡时悬线与竖直方向成α角,α=37°,如图所示,求:
(1)小球所带电的种类及电量;
(2)剪断细线小球怎样运动,加速度多大?(g取10m/s2)
滑板运动是极限运动的鼻祖,许多极限运动项目均由滑板项目延伸而来。如图所示是滑板运动的轨道,BC和DE是两段光滑圆弧形轨道,BC段的圆心为O点,圆心角为60º,半径OC与水平轨道CD垂直,水平轨道CD段粗糙且长8m。一运动员从轨道上的A点以3m/s的速度水平滑出,在B点刚好沿轨道的切线方向滑入圆弧轨道BC,经CD轨道后冲上DE轨道,到达E点时速度减为零,然后返回。已知运动员和滑板的总质量为60kg,B、E两点与水平面CD的竖直高度分别为h和H,且h=2m,H=2.8m,取10m/s2。求:
(1)运动员从A运动到达B点时的速度大小vB;
(2)轨道CD段的动摩擦因数;
(3)通过计算说明,第一次返回时,运动员能否回到B点?如能,请求出回到B点时速度的大小;如不能,则最后停在何处?