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.
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(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