Question

如图，ABD为竖直平面内的光滑绝缘轨道，其中AB段是水平的，BD段为半径R=0.2m的半圆，两段轨道相切于B点，整个轨道处在竖直向下的匀强电场中，场强大小E=5.0×10³V/m。一不带电的绝缘小球甲，以速度υ₀沿水平轨道向右运动，与静止在B点带正电的小球乙发生弹性碰撞。已知甲、乙两球的质量均为m=1.0×10^-2kg，乙所带电荷量q=2.0×10^-5C，g取10m/s²。(水平轨道足够长，甲、乙两球可视为质点，整个运动过程无电荷转移)

（1）甲乙两球碰撞后，乙恰能通过轨道的最高点D，求乙在轨道上的首次落点到B点的距离；

（2）在满足(1)的条件下。求的甲的速度υ₀；

（3）若甲仍以速度υ₀向右运动，增大甲的质量，保持乙的质量不变，求乙在轨道上的首次落点到B点的距离范围。

Answer 1

【答案】（1）0.4m    （2）    （3）

【解析】（1）在乙恰能通过轨道的最高点的情况下，设乙到达最高点的速度为v_D，乙离开D点到达水平轨道的时间为t，乙的落点到B点的距离为x，则

                                                      ①

                                                  ②

                                                              ③

联立①②③得：                                       ④

（2）设碰撞后甲、乙的速度分别为v_甲、v_乙，根据动量守恒和机械能守恒定律有：

                                              ⑤

                                         ⑥

联立⑤⑥得：v_乙= v₀                                             ⑦

由动能定理得：                ⑧

联立①⑦⑧得：                   ⑨

（3）设甲的质量为M，碰撞后甲、乙的速度分别为v_M、v_m，根据动量守恒和机械能守恒定律有：

                                 ⑩

                                          

联立⑩得：                                       

由和，可得：                             

设乙球过D点的速度为，由动能定理得

                               

联立⑨得：                              

设乙在水平轨道上的落点到B点的距离为，则有：

                                                        

联立②得：