题目内容

3.如图所示,BCD为竖直放置的半径R=0.6m的光滑绝缘细圆管组成的圆弧,O为圆弧圆心,C是最低点,虚线BO与竖直方向夹角θ=60°,在虚线BOD下方区域内存在竖直向上的匀强电场,电场强度E=2.0×103N/C,一质量为m=0.6kg、带电量为q=+3×10-3C的小球从O点正上方某处A点以v0水平抛出,恰好能垂直OB从B点进入细圆管(g=10m/s2),求:
(1)小球从O点的正上方某处A点水平抛出的初速度v0和AO之间的距离;
(2)小球经过圆管最低点C时对圆管的压力是多少?

分析 (1)小球从A运动到B为平抛运动,根据平抛运动的规律及几何关系求解初速度和AO之间的距离;
(2)先求出B点的速度,然后结合动能定理求出C点的速度,最后根据向心力公式求解细管对小球的作用力;由牛顿第三定律说明.

解答 解:(1)小球从A运动到B为平抛运动,有:
Rsin60°=v0t
在B点,有:tan60°=$\frac{gt}{{v}_{0}}$
解以上两式得:t=0.3s,v0=$\sqrt{3}$m/s
$\overline{AO}=\frac{1}{2}g{t}^{2}+R•cos60°$=$\frac{1}{2}×10×0.{3}^{2}+0.6×\frac{1}{2}=0.75$m
(2)在B点据平抛运动的速度规律有:${v}_{B}=\frac{{v}_{0}}{cos60°}=2{v}_{0}=2\sqrt{3}$m/s
小球从B到C的过程中重力和电场力做功,由动能定理得:
$\frac{1}{2}m{v}_{B}^{2}+(mg+qE)(R+Rcos60°)=\frac{1}{2}m{v}_{C}^{2}$
小球在管中C点受三个力,三个力的合力提供向心力,则:
${F}_{N}-mg-qE=\frac{m{v}_{C}^{2}}{R}$
联立得:${v}_{C}=\sqrt{48}$m/s,FN=60N
根据牛顿第三定律得小球对细管的压力也是60N
答:(1)小球从O点的正上方某处A点水平抛出的初速度是$\sqrt{3}$m/s,AO之间的距离是0.75m;
(2)小球经过圆管最低点C时对圆管的压力是60N.

点评 本题主要考查了平抛运动的基本规律及向心力公式的应用,电场力的方向与重力的方向相同,仅仅是增加了一个力而已,解题时注意结合几何关系,难度适中.

练习册系列答案
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18.通过“探究弹簧弹力与弹簧伸长量之间的关系”实验,我们知道:在弹性限度内,弹簧弹力F与形变量x成正比,并且不同弹簧,其劲度系数也不同.某中学的探究学习小组从资料中查到:弹簧的劲度系数与弹簧的材料和形状有关.该学习小组想研究弹簧的劲度系数与弹簧原长的关系,现有A,B,C,D四根材料和粗细完全相同仅长度不同的弹簧.
(1)学习小组的同学们经过思考和理论推导,各自提出了自己的看法,其中甲同学认为弹簧的劲度系数可能与弹簧长度成正比,乙同学认为弹簧的劲度系数可能与弹簧原长成反比,甲、乙有一名同学的看法是正确的.你认为正确的是乙(填“甲”或“乙”),就这一环节而言,属于科学探究中的哪个环节C(填序号).
A.分析与论证     B.进行实验与收集证据
C.猜想与假设  D.制定计划与设计实验
(2)为验证甲、乙谁的看法正确,可通过实验完成,实验器材除上述弹簧和已知质量的几个钩码外,还需要的实验器材是铁架台、刻度尺.
(3)探究学习小组进行实验记录的数据如表所示.
实验数据记录(g=10m/s2)
原长钩码质量弹簧长度弹簧伸
长量x
弹簧劲度
系数k
弹簧A10.00cm0.3kg13.00cm3.00cm100N/m
弹簧B15.00cm0.1kg16.49cm1.49cm67.1N/m
弹簧C20.00cm0.2kg24.00cm4.00 cm50 N/m
弹簧D30.00cm0.1kg32.99cm2.99cm33.4N/m
请完成上表,从中得出的结论为:在实验允许的误差范围内,弹簧的劲度系数与弹簧原长成反比.

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