题目内容

9.如图所示,在水平地面上固定一倾角为θ的光滑绝缘斜面,斜面处于电场强度大小为E、方向沿斜面向下的匀强电场中.一劲度系数为k的绝缘轻质弹簧的一端固定在斜面底端,整根弹簧处于自然状态.一质量为m、带电量为q(q>0)的滑块从距离弹簧上端为s0处静止释放,滑块在运动过程中电量保持不变,设滑块与弹簧接触过程没有机械能损失,弹簧始终处在弹性限度内,重力加速度大小为g.
(1)求滑块从静止释放到与弹簧上端接触前运动的加速度多大?
(2)滑块从静止释放到与弹簧上端接触瞬间所经历的时间t1?
(3)若滑块在沿斜面向下运动的整个过程中最大速度大小为vm,此时弹簧的压缩量多大?
(4)滑块从静止释放到速度大小为vm过程中弹簧的弹力所做的功W?

分析 (1)滑块从静止释放到与弹簧上端接触前,由牛顿第二定律求出加速度.
(2)应用匀变速直线运动的位移公式可以求出运动时间.
(3)滑块所受合力为零时速度最大,由平衡条件求出滑块速度最大时弹簧的压缩量.
(4)根据动能定理求滑块克服弹簧弹力所做的功W.

解答 解:(1)滑块从静止释放到与弹簧上端接触前,对滑块,
由牛顿第二定律得:a=$\frac{qE+mgsinθ}{m}$=$\frac{qE}{m}$+gsinθ;
(2)滑块做初速度为零的匀加速直线运动,
由位移公式得:s0=$\frac{1}{2}$at12,解得:t1=$\sqrt{\frac{2{s}_{0}}{a}}$=$\sqrt{\frac{2{s}_{0}}{\frac{qE}{m}+gsinθ}}$;
(3)当滑块速度最大时,滑块受到的合力为零,则qE+mgsinθ=kx,
解得:x=$\frac{qE+mgsinθ}{k}$;
(4)从滑块开始运动到速度最大过程中,由动能定理得:
(qE+mgsinθ)(x+s0)-W=$\frac{1}{2}$mvm2-0,
解得:W=(qE+mgsinθ)($\frac{qE+mgsinθ}{k}$+s0)-$\frac{1}{2}$mvm2.
答:(1)滑块从静止释放到与弹簧上端接触前运动的加速度大小为:$\frac{qE}{m}$+gsinθ;
(2)滑块从静止释放到与弹簧上端接触瞬间所经历的时间t1为$\sqrt{\frac{2{s}_{0}}{\frac{qE}{m}+gsinθ}}$;
(3)若滑块在沿斜面向下运动的整个过程中最大速度大小为vm,此时弹簧的压缩量为$\frac{qE+mgsinθ}{k}$;
(4)滑块从静止释放到速度大小为vm,此过程中弹簧的弹力所做的功W为:(qE+mgsinθ)($\frac{qE+mgsinθ}{k}$+s0)-$\frac{1}{2}$mvm2.

点评 本题考查了求滑块的运动时间、弹簧的弹性势能、滑块的路程,分析清楚滑块运动过程是正确解题的关键,应用牛顿第二定律、平衡条件、运动学公式、动能定理、能量守恒定律即可正确解题.

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