Question

真空中存在着空间范围内足够大的，水平向右的匀强电场，在电场中，若将一个质量为m，带正电的小球由静止释放，运动中小球的速度与竖直方向的夹角为37．（取sin37．=0.6，cos37．=0.8），现将该小球从电场中的某点意以初速度v₀竖直向上抛出，求运动过程中：
（1）小球受到的电场力的大小及方向；
（2）从小球抛出点至最高点的电势能变化量；
（3）运动过程中小球的最小动能的大小；
（4）如果抛出时的动能为4J，则小球落回同一高度时的动能是多大？

Answer 1

（1）根据题设条件可知，合外力和竖直方向夹角为37°，所以电场力大小为：
     F_e=mgtan37°=

3

4

mg，电场力的方向水平向右．
故电场力为

3

4

mg，方向水平向右．
（2）小球沿竖直方向做匀减速运动，有：v_y=v₀-gt
沿水平方向做初速度为0的匀加速运动，加速度为a：a_x=

Fe

m

=

3

4

g
小球上升到最高点的时间t=

v0

g

，此过程小球沿电场方向位移：s_x=

1

2

a_xt²=

3v0

8g

电场力做功 W=F_xs_x=

9

32

mv₀²
故小球上升到最高点的过程中，电势能减少

9

32

mv₀²
（3）水平速度：v_x=a_xt
 竖直速度：v_y=v₀-gt
小球的速度v=

v 2x + v 2y

由以上各式得出：

25

16

g²t²-2v₀gt+（v₀²-v²）=0
解得当t=

16v0

25g

时，v有最小值  v_min=

3

5

v₀
此时小球动能的最小值为E_Kmin=

1

2

mv_min²=

9

50

mv₀²
（4）由上可知，从抛出点到最高点，电场力做功为初动能的

9

16

，
而在电场力方向，做初速度为零的，匀加速直线运动，所以在相同的时间内，位移之比为1：3；
所以从抛出点到落回同一高度过程中，电场力做功为

9

4

EK0，
由于初动能为4J，则电场力做正功为9J，因重力做功之和为零，则落回同一高度时的动能是13J，
答：（1）小球受到的电场力为

3

4

mg，方向水平向右．；
（2）从小球抛出点至最高点的电势能减少

9

32

mv₀²；
（3）运动过程中小球的最小动能的大小=

9

50

mv₀²；
（4）如果抛出时的动能为4J，则小球落回同一高度时的动能是13J．