Question

11．如图所示，空间存在着场强为E=2.5×10² N/C、方向竖直向上的匀强电场，在电场内一长为L=0.5m的绝缘细线，一端固定在O点，另一端拴着质量为m=0.5kg、电荷量为q=4×10^-2 C的小球．现将细线拉直到水平位置，使小球由静止释放，当小球运动到最高点时细线受到的拉力恰好达到它能承受的最大值而断裂．取g=10m/s²．求：
（1）小球的电性；
（2）细线能承受的最大拉力；
（3）当细线断裂后，小球继续运动到与O点水平方向距离为L时（仍在匀强电场中），小球距O点的高度．

Answer 1

分析 （1）由带电小球在电场力作用下，运动到最高点并拉断细线，则可判定电场力方向，再由电场强度方向可确定小球的电性．
（2）小球从释放到最高点，由动能定理可求出动能的变化，再由牛顿第二定律可得拉力大小．
（3）当细线断裂后，小球做类平抛运动，则将此运动分解成水平方向匀速运动与竖直方向匀加速运动，从而求出小球距O点的高度．

解答 解：（1）由小球运动到最高点可知，小球带正电．
（2）设小球运动到最高点时速度为v，对该过程由动能定理有，
（qE-mg）L=$\frac{1}{2}$mv²①
在最高点对小球进行受力分析，由圆周运动和牛顿第二定律得，
F_T+mg-qE=m$\frac{v2}{L}$②
由①②式解得，F_T=15 N
（3）小球在细线断裂后，在竖直方向的加速度设为a，
则a=$\frac{qE-mg}{m}$③
设小球在水平方向运动位移为L的过程中，所经历的时间为t，则L=vt④
设竖直方向上的位移为x，
则x=$\frac{1}{2}$at²⑤
由①③④⑤解得x=0.125 m
所以小球距O点的高度为x+L=0.625 m
答：（1）小球的电性为正电；
（2）细线能承受的最大拉力为15N；
（3）当小球继续运动后与O点水平方向距离为L时，小球距O点的高度0.625m．

点评 小球由静止释放，当小球运动最高点时细线受到的拉力恰好达到它能承受的最大值而断裂．从而可求出此时的速度，这是本题的突破口．并值得注意是细线断裂后，速度与合力相垂直，且合力恒定，所以做类平抛运动．