Question

如圖示，電荷量均為q，質量分別為m、3m的小球A和B中間連接質量不計的細線，在豎直向上的勻強電場中，以速度v₀勻速上升，不計兩帶電小球間的庫侖力作用及空氣阻力，求：
（1）電場強度大小及繩的張力
（2）若某時刻細繩斷開，則繩子斷開后B球速度為零時，A球速度多大？
（3）若繩子斷開瞬間電場強度反向，A經

2v0

g

時間與B相碰，則繩長為多少？此時間內兩球組成的系統的機械能增量為多少？

Answer 1

（1）取A、B為整體，由平衡條件得：
2qE=（m+3m）g，
即：E=

2mg

q

隔離A，根據A處于平衡狀態有有：
mg+T=qE，
所以繩的張力：
T=mg
（2）將A、B視為整體，因系統合外力為零，所以系統動量守恒，
則有：（m+3m）v₀=mv_A，
得：v_A=4v₀
（3）繩子斷開瞬間電場強度反向后，A、B均做類似豎直上拋運動，
根據牛頓第二定律對A、B小球有：
mg+Eq=ma_A，3mg+Eq=3ma_B
A、B的加速度分別為：
aA=

mg+qE

m

=3g
aB=

3mg+qE

3m

=

5

3

g
由：x=v0t+

1

2

at2
知小球A、B經時間

2v0

g

發生的位移分別為：
SA=-

4 v 20

g

SB=-

4 v 20

3g

所以繩長為
l=|SA|-|SB|=

8 v 20

3g

此時間內兩球組成的系統的機械能增量為：
△E=-qE×SA-qE×SB=

32m v 20

3

答：（1）電場強度大小為

2mg

q

，繩的張力為mg．
    （2）當繩子斷開后B球速度為零時，A球速度為4v₀．
    （3）該繩長為

8 v 20

3g

，此時間內兩球組成的系統的機械能增量為

32m v 20

3

．