题目内容

精英家教网整个装置图如图所示,在光滑绝缘水平面上固定一竖直的表面光滑的档板,ABCD为档板与水平面的交线,其中ABC为直线,CD为半径R=4.0cm的圆弧,C点为AC直线与CD圆弧的切点.整个装置置于真空中两有界的与水平面平行的匀强电场中,MN为两电场的分界面与水平面的交线,且MN垂直AB,在MN的左侧有一沿AB方向均强大小为E1=5.0×105V/m的匀强电场,在MN的右侧有一沿MN方向均强大小为E2=1.0×107V/M匀强电场.质量m2=4.0×10-2kg的不带电金属小球静置于C点,电量为q=+2.0×10-6C、质量为m1=4.0×10-2kg的小球Q自A点静止释放(P、Q两金属球的大小完全相同).已知AB=0.5m,BC=1.20m,cos10°=0.985,
10
=π
,简谐振动的周期公式为T=2π
m
k
式中m
为振子的质量,k是回复力与位移大小的比值且为常数.试求P、Q两球在距A点多远处第二次相碰(不计碰撞时机械能损失和电荷间的相互作用力,结果取三位有效数字).
分析:小球Q由静止开始作匀加速直线运动,由动能定理可求得到达B点的速度.小球Q进入电场后作匀速运动,与静止在C点的P球发生弹性碰撞,根据动量守恒和机械能守恒列式求出碰后两球的速度.碰后Q球返回,先沿CB匀速运动进入E1电场中,开始作匀减速直线运动,速度为零后又反向加速,从B点再次进入电场E2.P球被碰后沿CD弧运动,根据动能定理求出运动到D点时圆心O的连线与OP夹角θ.可证明得到P球作简谐振动,P第一次到达C点所用时间为
1
4
T.再根据运动学公式求解.
解答:解:小球Q由静止开始作匀加速直线运动,设到达B处时速度为υ0
则根据动能定理得:qE1
.
AB
=
1
2
m1
v
2
0

∴v0=
2qE1
.
AB
m1

代入解得,v0=10m/s
Q球进入电场E2后作匀速运动,与静止在C点的P球发生弹性碰撞,碰后P、Q两球电量等量分配且
由动量守恒得:m1v0=m1v1+m2v2          ①
又 
1
2
m1
v
2
0
=
1
2
m1
v
2
1
+
1
2
m2
v
2
2
              ②
解①、②可得v1=
m1-m2
m1+m2
v0=-6m/s,v2=
2m1v0
m1+m2
=4m/s
即碰后Q球返回,先沿CB匀速运动进入E1电场中,开始作匀减速直线运动,速度为零后又反向加速,运动到B以v1=6m/s从B点再次进入电场E2 由C到B过程中,运动时间t1=
CB
v1
=
1.2
6
=0.2s    
在E1中运动时间为t2,则t2=
2v1
a
,a=
qE1
2m1

联立解得,t2=0.4s          
P球被碰后沿CD弧运动,设运动到D点且和圆心O的连线与OP夹角为θ
据动能定理
1
2
m2
v
2
2
=
1
2
qE2R
(1-cosθ)
∴cosθ=1-
m1
v
2
2
qE2R
=0.992>0.985  则    θ<10°
小球在圆弧上运动的过程中,竖直方向上受力平衡,水平方向上受力如图,电场力
沿圆弧切线方向的分为F=
1
2
qE2sinθ

此力为使小球P振动的回复力  
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∵θ<10°∴sinθ≈θ≈
x
R

∴F=-
1
2R
qE2x
式中k=
qE2
2R
,x为小球P偏离平衡位置的位移,负号表示回复力F与x的方向相反       
故P球作简谐振动,其周期为T=2π
mk
k
=2π
2Rmk
qE2
=0.8s
P第一次到达C点所用时间为
T
2
=0.4s
Q球回到B处时,P在水平直线CB上向左匀速运动的时间为△t=t1+t2-
T
2
=0.04s
P球在水平直线上向左运动的距离为L1=v2△t=0.16m        
设再经t3,PQ两球相遇
∴BC-L1=(v1+v2)t3
解得t3=0.104s
相遇点距A为  S=AB-v1t3=0.5-6×0.104=1.12m
即距A球为1.12m处第二次相遇.
答:P、Q两球距A球为1.12m处第二次相遇.
点评:本题过程十分复杂,要有足够的耐心分析运动过程,采用程序法列式求解,综合性很强,关键是证明P球作简谐运动.
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