Question

三块相同的金属平板A、B、D自上而下水平放置，间距分别为h和d，如图所示。A、B两板中心开孔，在A板的开孔上搁有一金属容器P，与A板接触良好，其内盛有导电液体。A板通过闭合的开关S与电动势为E₀的电池的正极相连，B板与电池的负极相连并接地。容器P内的液体在在底部小孔O处形成质量为m、带电量为q的液滴后自由下落，穿过B板的开孔落在D板上，其电荷被D板吸收，液体随即蒸发，接着容器底部又形成相同的液滴自由下落，如此继续，设整个装置放在真空中。

（1）第一个液滴到达D板时的速度为多少？

（2）D板最终可达到多高的电势？

（3）设液滴的电荷量是A板所带电量的α倍（α＝0.02），A板与B板构成的电容器的电容为C₀＝5×10^－12F，E₀＝1000V，m＝0.02g，h=d=5cm。试计算D板最终的电势值。（g=10m/s²）

（4）如果开关S不是始终闭合，而只是在第一个液滴形成前闭合一下，随即打开，其它条件与（3）相同。在这种情况下，设想第n滴液滴能落至D板，则当第n滴液滴刚刚下落的时刻，D板的电势多高？D板最终可达到多高的电势？

Answer 1

（1）（2）（3）1000V

解析:

（1）设第一个液滴到达D板时的速度为v，由动能定理

                   ①

得                        ②

（2）当D板电势为时，液滴到达D板的动能为

                       ③

令得                    ④

（3）               ⑤

（4）D板的电势主要取决于D板的带电量，当第（n-1）滴液滴落至D板后，D板的带电量为（A板总电量减去A板剩余电量）

                         ⑥

故当第n滴液滴刚刚下落的时刻，D板的电势为

V          ⑦

 显然当n→∞时，V，即D板最终的电势为1000V。

但是这里的问题是，是不是所有的液滴都能到达D板，这里必须进行鉴定。由于D板电势最高不能超过1000V，所有的液滴的电量都不超过（即第一滴液滴的电量），若电量为的液滴在D板电势为1000V时都能到达D板，那么其它的液滴（即所有的液滴）必定能到达D板。对这样的情形，根据动能定理

                          

代入数据，显然有                         ⑧

这说明液滴可以一直滴下去，直至A板上所有的电荷都转移到D板，即D板最终的电势可达1000V。