题目内容
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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
T.再根据运动学公式求解.
| 1 |
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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
=
m1
∴v0=
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
m1
=
m1
+
m2
②
解①、②可得v1=
v0=-6m/s,v2=
=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=
=
=0.2s
在E1中运动时间为t2,则t2=
,a=
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
m2
=
qE2R(1-cosθ)
∴cosθ=1-
=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=
qE2sinθ
此力为使小球P振动的回复力

∵θ<10°∴sinθ≈θ≈
∴F=-
qE2x式中k=
,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
=2π
=0.8s
P第一次到达C点所用时间为
=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-
=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.
则根据动能定理得:qE1
. |
| AB |
| 1 |
| 2 |
| v | 2 0 |
∴v0=
|
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 |
| v | 2 0 |
| 1 |
| 2 |
| v | 2 1 |
| 1 |
| 2 |
| v | 2 2 |
解①、②可得v1=
| m1-m2 |
| m1+m2 |
| 2m1v0 |
| m1+m2 |
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 |
在E1中运动时间为t2,则t2=
| 2v1 |
| 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 |
| v | 2 2 |
| 1 |
| 2 |
∴cosθ=1-
m1
| ||
| qE2R |
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 |
此力为使小球P振动的回复力
∵θ<10°∴sinθ≈θ≈
| x |
| R |
∴F=-
| 1 |
| 2R |
| qE2 |
| 2R |
故P球作简谐振动,其周期为T=2π
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P第一次到达C点所用时间为
| T |
| 2 |
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 |
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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