题目内容

【题目】如图所示,水平轨道与半径为r的半圆弧形轨道平滑连接于S点,两者均光滑且绝缘,并安装在固定的竖直绝缘平板上.在平板的上下各有一块相互正对的水平金属板P、Q,两板间的距离为d.半圆轨道的最高点T、最低点S、及P、Q板右侧边缘点在同一竖直线上.装置左侧有一半径为L的水平金属圆环,圆环平面区域内有竖直向下、磁感应强度大小为B的匀强磁场,一根长度略大于L的金属棒一端置于圆环上,另一端与过圆心O1的竖直转轴连接,转轴带动金属杆转动,在圆环边缘和转轴处引出导线分别与P、Q连接,图中电阻阻值为R,不计其它电阻.右侧水平轨道上有一带电量为+q、质量为的小球1以速度向左运动,与前面静止的、质量也为的不带电小球2发生碰撞,碰后粘合在一起共同向左运动,小球和粘合体均可看作质点,碰撞过程没有电荷损失,设P、Q板正对区域间才存在电场.重力加速度为g.

(1)计算小球1与小球2碰后粘合体的速度大小v;

(2)若金属杆转动的角速度为ω,计算图中电阻R消耗的电功率P;

(3)要使两球碰后的粘合体能从半圆轨道的最低点S做圆周运动到最高点T,计算金属杆转动的角速度的范围.

【答案】(1) (2) (3) ≤ω≤

【解析】

(1)两球碰撞过程动量守恒,则

解得

(2)杆转动的电动势

电阻R的功率

(3)通过金属杆的转动方向可知:P、Q板间的电场方向向上,粘合体受到的电场力方向向上.在半圆轨道最低点的速度恒定,如果金属杆转动角速度过小,粘合体受到的电场力较小,不能达到最高点T,临界状态是粘合体刚好达到T点,此时金属杆的角速度ω1为最小,设此时对应的电场强度为E1,粘合体达到T点时的速度为v1.

在T点,由牛顿第二定律得

从S到T,由动能定理得

解得

杆转动的电动势

两板间电场强度

联立解得

如果金属杆转动角速度过大,粘合体受到的电场力较大,粘合体在S点就可能脱离圆轨道,临界状态是粘合体刚好在S点不脱落轨道,此时金属杆的角速度ω2为最大,设此时对应的电场强度为E2.

在S点,由牛顿第二定律得

杆转动的电动势

两板间电场强度

联立解得

综上所述,要使两球碰后的粘合体能从半圆轨道的最低点S做圆周运动到最高点T,金属杆转动的角速度的范围为:.

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