题目内容

3.在如图所示的竖直平面内有范围足够大、水平向左的匀强电场,在虚线的左侧有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B,一绝缘?形杆由两段直杆和一半径径为R的半圆环组成,固定在纸面所在的竖直平面内,PQ、MN水平且足够长,半圆环MAP在磁场边界左侧,P、M点在磁场边界线上,NMAP段光滑,PQ段粗糙,现在有一质量为m、带电荷量为+q的小环套在MN杆上,它所受电场力为重力的$\frac{1}{2}$倍.现在M点右侧的D点由静止释放小环,小环刚好能到达P点.
(1)求D、M间的距离x0;
(2)上述过程中,小环第一次通过与O等高的A点时,求弯杆对小环作用力的大小;
(3)若小环与PQ间动摩擦因数为μ(设最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等),现将小环移至M点右侧5R处由静止开始释放,求小球在整个运动过程中克服摩擦力所做的功.

分析 (1)对D到P为研究过程,运用动能定理求出DM间的距离.
(2)对D到A为研究过程,运用动能定理求出A点的速度,根据牛顿第二定律,沿半径方向上合力提供向心力,求出弯杆对小环作用力的大小.
(3)需讨论摩擦力的大小与电场力的大小关系,若摩擦力大于电场力,则运动到P点右侧停止;若摩擦力小于电场力,则环最终在DP间往复运动.根据动能定理求出摩擦力做的功.

解答 解:(1)小环从D到P,由动能定理得:
qEx0-2mgR=0,由题意可知:Eq=$\frac{1}{2}$ mg,
解得:x0=4R;
(2)设小环在A点的速度为vA,对小环恰好能通过A点,
由牛顿第二定律得:N-qvAB-qE=m$\frac{{v}_{A}^{2}}{R}$,
从D到A,由动能定理有:qE(x0+R)-mgR=$\frac{1}{2}$mvA2,
解得:N=$\frac{7}{2}$mg+qB$\sqrt{3gR}$;
(3)①若μmg≥qE即μ≥$\frac{1}{2}$,当小环运动到P点右侧s1处静止,
则有:qE(5R-s1)-mg•2R-μmgs1=0,解得:s1=$\frac{R}{1+2μ}$,
所以,小环克服摩擦力做的功为W1=μmgs1=$\frac{μmgR}{1+2μ}$;
②若μmg<qE即μ<$\frac{1}{2}$,则小环经过往复运动,最后只能在P、D之间运动,
设小环克服摩擦力所做的功为W2,则qE•5R-mg•2R-W2=0,
解得,小环克服摩擦力做的功为:W2=$\frac{1}{2}$mgR.
答:(1)D、M间的距离x0为4R;
(2)小环第一次通过与O等高的A点时,弯杆对小环作用力的大小为:$\frac{7}{2}$mg+qB$\sqrt{3gR}$;
(3)小球在整个运动过程中克服摩擦力所做的功为:$\frac{μmgR}{1+2μ}$、或$\frac{1}{2}$mgR.

点评 本题是一道力学综合题,分析清楚物体运动过程是正确解题的关键,运用动能定理解题需合适地选取研究的过程,根据动能定理列出表达式求解.

练习册系列答案
相关题目

违法和不良信息举报电话:027-86699610 举报邮箱:58377363@163.com

精英家教网