题目内容

【题目】如图所示,间隔一定距离的金属薄板M、N竖直平行放置,水平绝缘直杆从N板中央的小孔穿过,左端与M板固接;N板左侧的直杆光滑;N板右侧的直杆粗糙,处于磁感应强度为B的匀强磁场中。质量为m、带电量为+q的中空小球P,套在直杆上,紧靠M板静止放置。当在M、N板间加上一定电压U后,P球将沿水平直杆从N板的小孔射入磁场中。设运动过程中小球电量不变,重力加速度大小为g。

试问:

(1)M、N哪块板的电势高;

(2)若M、N间电压为U0时,P球沿直杆从N板的小孔射入磁场后,恰好做匀速直线运动,则U0为多大;

(3)若磁场足够大,水平直杆足够长,试讨论M、N间施加不同电压U时,小球在磁场中运动的整个过程中,摩擦力对小球做的功Wf(计算结果用U和题目中的已知条件表示)。

【答案】(1)M板电势高于N板电势;(2);(3)当U=U0时,摩擦力做功为0;当U>U0时,摩擦力做功为;当U<U0时,摩擦力做功为-qU。

【解析】

(1)正电荷在电场中被加速,故M板电势高于N板电势。

(2)设P球射出电场时的速率为vN,由动能定理得:

P球在磁场中作匀速直线运动,有:qvNB=mg

联立得:U0=

(3)小球P射入磁场后受到竖直向上的洛伦兹力作用,可能出现三种情况:

i.当U=U0时,恰好f洛=mg,则小球不受摩擦力,做匀速直线运动,故摩擦力做功Wf=0

ii.当U>U0时,f洛>mg,则直杆对小球有向下的压力,小球受摩擦力减速,当减速到v=v0时开始做匀速运动。

全过程由动能定理得:

解得:Wf=

iii.当U<U0时,f洛<mg,则直杆对小球有向上的支持力,小球受摩擦力减速,最终停止。

全过程由动能定理:qU+Wf=0

解得:W=-qU

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