题目内容
5.如图甲所示,A、B、C、D为固定于竖直平面内的闭合绝缘轨道,弧AB段、弧CD段均为半径R=1.6m的半圆,BC、AD段水平,AD=BC=8m.B、C之间的区域存在水平向右的有界匀强电场,场强E=5×105V/m,其余区域没有电场.质量为m=4×10-3kg、带电量q=+1×10-8C的小环套在轨道上.小环与轨道AD段的动摩擦因数为CaC2=0.125,与轨道其余部分的摩擦忽略不计.现使小环在D点获得沿轨道向左的初速度v0=4m/s,且在沿直线轨道DA段运动过程中始终受到方向竖直向上、大小随速度变化的力F(变化关系如图乙所示)作用,小环第一次进入半圆轨道AB时在A点对半圆轨道刚好无压力.不计小环大小,g取10m/s2.求:(1)小环第一次运动到A时的速度大小;
(2)小环第一次回到D点时速度大小;
(3)若小环经过多次循环运动能达到稳定运动状态,则到达D点时的速度至少多大?
分析 (1)小环每次到达圆弧上的A点时,对圆轨道刚好均无压力,知在A点靠重力提供向心力,根据牛顿第二定律求出A点的速度.
(2)由动能定理可求得第一次到达D点的速度;
(3)对小环的运动过程进行分析,根据动能定理及能量的转化关系可求得D点的最小速度.
解答 解:(1)进入半圆轨道AB时小坏仅受重力,在A点由向心力公式得:$mg=m\frac{{v_{A1}^2}}{R}$
得:${v_{A1}}=\sqrt{gR}=\sqrt{10×1.6}m/s=4m/s$
(2)小物块从D出发,第一次回到D的过程,由动能定理得:$\frac{1}{2}mv_{D1}^2-\frac{1}{2}mv_0^2=qEL$
$v_{D1}^{\;}=\sqrt{v_0^2+\frac{2qEL}{m}}=\sqrt{{4^2}+\frac{{2×1×{{10}^{-8}}×5×{{10}^5}×8}}{{4×{{10}^{-3}}}}}m/s=6m/s$
(3)初始位置D点时,若所加力F>mg,则小环受摩擦力而减速,同时F减小,
当F=mg时匀速,但速度一定小于4m/s;若F<mg,则小环受摩擦力而减速,同时F越来越小,摩擦力越来越大,小环继续减速直至静止,不会到达A点时速度为4m/s,综上可知小环第一次从D到A做匀速运动.
由图象知:F=kv=mg
$k=\frac{mg}{v}=\frac{{4×{{10}^{-3}}×10}}{4}Ns/m=0.01Ns/m$
所以Fm=kvm=2mg=0.08N
则可知环与杆的摩擦力f≤μ|Fm-mg|=μmg=qE
稳定循环时,每一个周期中损耗的能量应等于补充的能量
${W_损}={W_{摩最{大_{\;}}}}≤{f_m}S≤μ({F_m}-mg)S≤0.04N×\frac{1}{8}×8m≤0.04J$
而${W_补}={W_电}=qEs=1×{10^{-8}}×5×{10^5}×8m=0.04J$
所以稳定循环运动时小环在AD段运动时速度一定要大于等于8m/s
即到达A点的速度不小于8m/s
稳定循环运动时小环从A到D的过程,由动能定理得:$\frac{1}{2}mv_D^2-\frac{1}{2}mv_A^2=qEL$
$v_D^{\;}=\sqrt{v_A^2+\frac{2qEL}{m}}=\sqrt{{8^2}+\frac{{2×1×{{10}^{-8}}×5×{{10}^5}×8}}{{4×{{10}^{-3}}}}}m/s=2\sqrt{21}m/s$
达到稳定运动状态时,小环到达D点时速度应不小于$2\sqrt{21}m/s$
答:(1)小环通过A点时的速度为4m/s;
(2)小环第一次回到D点时速度大小为6m/s;
(3)若小环经过多次循环运动能达到稳定运动状态,则到达D点时的速度至少$2\sqrt{21}m/s$
点评 本题考查了动能定理和牛顿第二定律的综合运用,关键理清小环的运动过程,选择合适的规律进行求解,难度较大.
| A. | 匀速运动 | B. | 先匀速运动后加速运动 | ||
| C. | 先减速运动后加速运动 | D. | 先加速运动后减速运动 |
| A. | Y粒子为β粒子 | |
| B. | ${\;}_{53}^{131}$I的半衰期大约是8天,若取4个碘原子核,经16天就一定剩下1个碘原子核了 | |
| C. | 生成的${\;}_{54}^{131}$Xe处于激发态,放射γ射线.γ射线的穿透能力最强,电离能力也最强 | |
| D. | ${\;}_{53}^{131}$I中有53个质子和131个核子 |
| A. | 若A、B为异种电荷,B球一定做匀速圆周运动 | |
| B. | 若A、B为异种电荷,B球可能做加速度和速度均变小的曲线运动 | |
| C. | 若A、B为同种电荷,B球可能做加速度和速度均变小的曲线运动 | |
| D. | 若A、B为同种电荷,B球可能做加速度和速度均变大的曲线运动 |