题目内容

【题目】如图所示,绝缘轨道MNPQ位于同一竖直面内,其中MN段是长度为L的水平轨道,PQ段为足够长的光滑竖直轨道,NP段为光滑的四分之一圆弧,圆心为O,直线NN′右侧有方向水平向左的电场(图中未画出),电场强度E=,在包含圆弧轨道NP的ONO′P区域内有方向垂直纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场(边界处无磁场).轨道MN最左端M点处静止一质量为m、电荷量为q的带负电的物块A,一质量为3m为物块C从左侧的光滑轨道上以速度v0撞向物块A.A、C之间只发生一次弹性碰撞,且最终刚好挨在一起停在轨道MN上,A、C均可视为质点,且与轨道MN的动摩擦因数相同,重力加速度为g.A在运动过程中所带电荷量保持不变且始终没有脱离轨道.A第一次到达N点时,对轨道的压力为2mg.求:

(1)碰撞后A、C的速度大小;

(2)A、C与水平轨道MN的动摩擦因数μ;

(3)A对轨道NP的最大压力的大小.

【答案】(1);(2)(3)

【解析】

(1)A、C发生弹性碰撞,满足动量守恒和动能守恒,列式联立求解碰后A、C的速度;

(2)A在NN′右侧运动过程中,电场力和重力做功之和为0。根据动能定理列式求解A、C与水平轨道MN的动摩擦因数;

(3)将重力和电场力进行等效合成,找到A对轨道NP有最大压力的位置,根据动能定理求解此位置的速度,根据牛顿第二定律求解最大压力.

(1)A、C发生弹性碰撞后的速度分别为vA、vC,则有:

3mv0=mvA+3mvC①

=+②

联立①②解得:③

④

(2)设A、C最后静止时与M点的距离为l1,A在NN′右侧运动过程中,电场力和重力做功之和为0。有

μmg(2L-l1)=⑤

μ3mgl1=⑥

联立解得③④⑤⑥μ⑦

(3)设A在N点的速度为,A从M到N的过程中,由动能定理得

⑧   

设圆弧NP的半径为a

因为A在N点时对轨道的压力为2mg,⑨ 

A在NN′右侧受到的电场力F=qE=mg⑩

重力和电场力的合力大小为F合=2mg,方向与OP夹角为。过O点沿合力方向作直线与圆弧相交于K点,当A经P点返回N点的过程中到达K点时,达到最大速度,此时A对轨道的压力最大。

A从M点到K点过程中,由动能定理可得:

返回K点时:FN-F合-

由③⑦⑧⑨⑩得:FN

由牛顿第三定律得A对轨道NP的最大压力为:

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