题目内容

如图所示:矩形区域MNPQ内有水平向右的匀强电场,虚线框外为真空区域;半径为R、内壁光滑、内径很小的绝缘半圆管ADB固定在竖直平面内,直径AB垂直于水平虚线MN,圆心O为MN的中点,半圆管的一半处于电场中。一带正电的小球从半圆管的A点由静止开始滑入管内,小球可视为质点,质量为m,电量为q,当小球达到B点时,对管壁的压力为FN=3mg,重力加速度为g,求:

(1)匀强电场的电场强度E;

(2)若小球能从矩形框的右边界NP离开电场,矩形区域MNPQ的最小面积S.

 (1)设小球从B点滑出时的速度为v0

小球过B点时:  FN – mg= m………………………………………………………………………………………2分

v0=

A到B,由动能定理有:2mgR– qER= mB v02………………………………………………………………2分

解得:E= ………………………………………………………………………………………………………………………2分

(2)小球从B点滑出后,在水平方向做变速直线运动,竖直方向做自由落体运动

    水平方向:ax =  = g………………………………………………………………………………………………  1分

    竖直方向:ay = g     …………………………………………………………………………………………………  1分

设向左减速时间为t1,则有t1=  = ………………………………………………………………………  1分

小球向左运动的最大距离:x =  = R   ………………………………………………………………………2分

虚线框MNPQ的最小宽度L=2R

设向左减速时间为t2,则有L = axt22

t2= 2       ……………………………………………………………………  1分

小球出电场时,下落的高度 h = ay(t1+t2)2 = (3+2)R…………………………………………………………2分

虚线框MNPQ高度应满足 H>R+h

故虚线框MNPQ的最小面积S= HminL=4(2+)R 2………………………………………………………………2分

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