题目内容

17.如图所示,一绝缘细线Oa下端系一轻质小球a(重力不计),地面上固定一光滑的绝缘$\frac{1}{4}$圆弧管道AB,圆心与a球位置重合,一质量为m,带负电的小球b由A点静止释放.小球a由于受到绝缘细线的拉力而静止,其中细线O′a水平,Oa悬线与竖直方向的夹角为θ.当小球b沿圆弧管道运动到a球正下方B点时对管道壁恰好无压力,在此过程中(a、b两球均可视为点电荷)(  )
A.b球所受的库仑力大小为3mgB.b球的机械能逐渐减小
C.水平细线的拉力先增大后减小D.悬线Oa的拉力先增大后减小

分析 先根据机械能守恒求出小球在B点的速度,然后由牛顿第二定律求出库仑力的大小,由共点力的平衡分析两根绳子上的拉力的变化.

解答 解:A、由题可知,小球a位于圆轨道的圆心处,所以小球b运动的过程中受到的库仑力始终与库仑力的方向垂直,所以小球运动的过程中库仑力不做功,小球b的机械能守恒,设圆的半径为R,则:$\frac{1}{2}m{v}_{B}^{2}=mgR$
小球b在最低点:${F}_{库}-mg=\frac{m{v}_{B}^{2}}{R}$
联立得:F库=3mg.故A正确,B错误;
C、由题,小球b沿圆弧管道运动到a球正下方B点时对管道壁恰好无压力,说明小球b受到a的吸引力.当小球b与a的连线与水平方向之间的夹角为α时,小球a受到的力如图,则:
竖直方向:F1cosθ=mg+F库sinα=mg+3mgsinα
可知当小球b向下运动的过程中,α逐渐增大,所以oa的拉力一定是逐渐增大;
水平方向:F2=F1sinθ+F库•cosα
联立得:F2=mgtanθ+3mgtanθsinα+3mgcosα=mgtanθ+$\frac{3mg}{cosθ}•(sinθsinα+cosαcosθ)$=mgtanθ+$\frac{3mg}{cosθ}cos(θ-α)$
由三角函数可知,当α从0增大到90°的过程中,$\frac{3mg}{cosθ}cos(θ-α)$先逐渐增大到1,然后再减小,所以水平细线的拉力F2先增大后减小,故C正确,D错误.
故选:AC

点评 该题考查的知识点比较多,难度大,解答的关键是正确判断水平细绳对小球a的拉力的变化,要合理使用三角函数的关系.

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