利用平移坐标轴法巧解方形波电场问题

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  在两个相互平行的金属板间加周期性交变电压时,两板间便可获得交变电场。此类电场的电场强度的大小、方向都可以随时间周期性变化。交变电压波形有方形波、锯齿波、正弦波等。南锯齿波和正弦波等电压产生的交变电场,因带电粒子穿过电场的时间远远小于电场变化的周期,故可认为在任一时间內电场不变。带电粒子在由方形波电压产生的交变电场中运动时,若通过全面分析粒子的受力特点和运动规律,抓住粒子的运动具有周期性和在空间上具有对称性的特征,根据力和运动的关系、牛顿第二定律及运动学规律或功能关系,求解粒子运动过程中的速度、位移、电场力做功或确定与物理过程相关的边界条件,则较为烦琐,若采用由v-t图像法延伸出的平移坐标轴法,则可以快速、准确地得出结果。
  例题 如图l(a)所示平行正对的金属板A、B间加有如图l(b)所示的交变电压,一重力可忽略不计的带正电粒子,被同定在两板的正中间P处。已知粒子的质量为m、电荷量为q、交变电压大小为U。、周期为T、两板板间距为d。
  (l)若在t=0时刻由静止释放该粒子,求粒子在一个周期T内的位移(粒子在一个周期T内未打到金属板上)。
  (2)若在某时刻由静止释放该粒子,粒子会先向B板运动,再向A板运动,并最终打在A板上,求该时刻的取值范围。
  (2)某时刻由静止释放该粒子,粒子先向B板运动,则要求粒子开始运动时刻的电压为正;粒子再向A板运动,则要求粒子先向右减速至零再反向加速;粒子最终打在A板上,则要求向右运动的位移大小小于向左运动的位移大小,即f轴上方面积小于下方面积。
  作者单位:江西省九江第一中学
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