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精英家教网如图所示,水平地面上方分布着水平向右的匀强电场.一“L”形的绝缘硬质管竖直固定在匀强电场中.管的水平部分长为l1=0.2m,管的水平部分离水平地面的距离为h=5.0m,竖直部分长为l2=0.1m.一质量为1Kg带正电的小球从管口A由静止释放,小球与管间摩擦不计且小球通过管的弯曲部分(长度极短可不计)时没有能量损失,小球在电场中受到的电场力大小为重力的一半.(g=10m/s2)求:
(1)小球运动到管口B时的速度vB的大小;
(2)小球离开管口B后撤去电场,求:小球着地点与管口B的水平距离s.
(3)求:小球从开始到落地过程中电势能的变化量△E及时间t.
分析:(1)对A到B的过程,运用动能定理,求出小球运动到管口B时的速度.
(2)小球离开B后撤去电场,小球做平抛运动,结合高度求出运动的时间,通过初速度和实际求出水平距离.
(3)根据电场力做功求出电势能的变化量,小球在竖直管中做自由落体运动,在水平管中做匀加速直线运动,最后做平抛运动,分别求出各段运动的时间,从而得出总时间.
解答:解:(1)在小球从A运动到B的过程中,对小球运用动能定理得,
mgl2+F电l1=
1
2
mvB2-0

解得vB=
g(l1+2l2)

代入数据可得vB=2.0m/s.
(2)小球离开B点后,做平抛运动,水平位移为s,在空中运动的时间为t3,
水平方向有:s=vBt3.
竖直方向有:h=
1
2
gt2
,
联立各式,代入数据解得t3=1s,s=2m.
(3)电场力做功W=Eql1=1J  
所以电势能减少1J.
小球在竖直管运动时间为t1 球在水平管运动时间为t2
在竖直管中,L2=
1
2
gt12  代入数据解得t1=0.14s            
因为v=gt1
在水平管中,根据vB=v+at2,a=
1
2
mg
m
=
1
2
g

代入数据解得   t2=0.12s.
t=t1+t2+t3=1.26 s.
答:(1)小球运动到管口B时的速度vB的大小为2.0m/s;(2)小球着地点与管口B的水平距离s为2m.(3)小球从开始运动到落地过程中电势能的变化量△E为-1J,时间t为1.26s.
点评:解决本题的关键理清小球在整个过程中的运动情况,结合牛顿第二定律、动能定理和运动学公式综合求解.
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