题目内容
【题目】如图所示,某空间存在水平向右的匀强电场,现将一套有小球的细直杆放入匀强电场中,小球孔径略大于细杆直径,杆足够长,如图所示,小球的质量为1kg,带电量为2×10-4C,球与杆间的滑动摩擦因数为0.5。(取g=10m/s2)
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(1)当杆在水平方向上固定时(如图虚线所示),调节电场强度的大小,使电场强度E为2×104N/C,求此时小球受到的摩擦力f1的大小。
(2)若调节细杆使杆与水平方向间夹角θ为37°并固定(如图实线所示),调节电场强度的大小,使E为2×105N/C,求小球从静止出发在细杆上2秒内通过位移的大小。(sin37°=0.6,cos37°=0.8)
(3)当电场强度为零时,调节细杆与水平方向之间的夹角θ(0<θ<90°),然后固定,使小球从杆的底端以速率v0沿杆上滑。试通过计算、分析,说明在不同的夹角θ情况下,小球在杆上可能的运动情况。
【答案】(1)f1=4N (2)s=20m(3)①当mgsinθ>μmgcosθ,即θ>arctanμ时,小球沿杆先匀减速上滑,再匀加速下滑;②当mgsinθ<μmgcosθ,即θ<arctanμ时,小球沿杆匀减速上滑至停止
【解析】试题分析:小球在水平方向上受电场力与滑动摩擦力作用而静止,由平衡条件可以摩擦力;对小球进行受力分析,受重力、电场力、支持力和摩擦力,根据牛顿第二定律求出加速度,有运动学的公式求出位移;结合它们的条件与最大静摩擦力的关系等分析即可。
(1)当杆在水平方向固定时,小球受到的最大静摩擦力为fmax=μN=μmg=0.5×10=5N ,
当电场强度E为2×104N/C时,所受的电场力为:
,由于4N<5N,说明小球处于静止状态,则此时的摩擦力大小f1=4N。
(2)受力分析图如图 ![]()
取沿斜面向上为正方向,电场力为:![]()
根据牛顿第二定律得:Fcos37-mgsin37°-μ(mgcos37°+Fsin37°)=ma
代入数据 a=10m/s2
小球从静止出发在细杆上2秒内通过位移的大小:![]()
(3)①当mgsinθ>μmgcosθ,即θ>arctanμ时,小球沿杆先匀减速上滑,再匀加速下滑;
②当mgsinθ<μmgcosθ,即θ<arctanμ时,小球沿杆匀减速上滑至停止