题目内容

15.如图所示,ABCDF是放在光滑绝缘水平桌面上的绝缘挡板轨道,并置于E=1.0×103V/m的水平匀强电场中,AB与电场方向平行,BCDF是直径为20cm的有缺口的圆,AB=15cm,一质量为0.01kg,带电量为1.0×10-4 C的小球由静止在电场力作用下自A点沿轨道运动,不计小球与轨道间的摩擦.求:
(1)它运动到C点速度多大?
(2)运动到C点时挡板对小球的压力多大?
(3)若对小球施加平行于水平面、大小为0.1N的恒力,为使小球能沿轨道运动到F点,小球开始运动的位置A′至少离B点多远?

分析 (1)对小球应用动能定理可以求出到达C点的速度.
(2)应用牛顿第二定律可以求出挡板对小球的作用力.
(3)根据题意求出小球经过等效最高点时的临界速度,然后应用动能定理求出小球初位置到B点的距离.

解答 解:(1)从A到C过程,由动能定理得:
qE(AB+R)-mgR=$\frac{1}{2}$mvC2-0,
代入数据解得:vC=$\sqrt{3}$m/s;
(2)在C点,由牛顿第二定律得:
N-qE=m$\frac{{v}_{C}^{2}}{R}$,
代入数据解得:N=0.4N;
(3)水平恒力应水平向右,如果水平向左,则小球所受合力为零,将静止不动;
小球受到的合力为:F合=$\sqrt{(mg)^{2}+(qE+F)^{2}}$=$\sqrt{(0.01×10)^{2}+(1×1{0}^{-4}×1×1{0}^{3}+0.1)^{2}}$=0.1$\sqrt{5}$N,
合力与水平方向夹角θ,有:tanθ=$\frac{mg}{qE+F}$=$\frac{0.1}{0.1+0.1}$=$\frac{1}{2}$,sinθ=$\frac{\sqrt{5}}{5}$,cosθ=$\frac{2\sqrt{5}}{5}$;
小球到达等效最高点时的临界速度为v,由牛顿第二定律得:F合=m$\frac{{v}^{2}}{R}$,
从A′点到等效最高点过程,由动能定理得:(qE+F)(s-Rcosθ)-mgR(1+sinθ)=$\frac{1}{2}$mv2-0,
解得:s≈0.2177m=21.77cm,小球开始运动的位置A′至少离B点21.77cm;
答:(1)它运动到C点速度大小为$\sqrt{3}$m/s.
(2)运动到C点时挡板对小球的压力大小为0.4N.
(3)小球开始运动的位置A′至少离B点21.77cm.

点评 本题考查了求速度、压力距离问题,分析清楚小球运动过程是解题的前提与关键,应用动能定理与牛顿第二定律可以解题;解第(3)问时要注意:只要小球能经过等效最高点,小球一定能通过F点.

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