题目内容
【题目】如图所示,有一个无重力空间,Y方向为竖直方向,在x≥0的区域内存在匀强磁场,磁感应强度的方向垂直于纸面向里,大小为B =1T,绝缘光滑空心细管縱的长度为h=3m,管内M端有一质量为m=0. lkg、带正电q=0. 1C的小球,开始时小球相对管静止。管带着小球沿垂直于管长度方向,以恒定速度v0=5m/s向右方运动。求:
(1)已知进入磁场后小球将匀加速上升,求小球上升的加速度;
(2)小球在从管的M端到N端的过程中,管壁对小球做的功;
(3)当细管以v0=5m/s进入磁场时,若给管一定的外 力,使其以a=2.0m/s2的恒定加速度向右匀加速运动,小球将不能以恒定加速度上升。为保证小球仍能在管中匀加速上升,需让细管与小球间具有一特定的摩擦因数μ。试求该μ值,及小球相对管上升的加速度ay。(要求μ<1)
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【答案】(1)5m/s2(2)1.5J(3)0.5;4.0m/s2
【解析】
考查洛伦兹力与能量问题的综合。
(1)由牛顿第二定律得
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(2)解法一、设小球离开管口时速度为v1:
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联立解得:
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小球的合速度为:
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由动能定理得小球从管的M端到N端的过程中管壁对小球做的功W为:
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解法二、洛仑兹力不做功,则洛仑兹力两个分量做功相互抵消。
管壁对小球所做的功大小应等于洛仑兹力竖直分量对小球所作的功:
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(3)小球竖直分速度为vy时,水平速度记为vx,小球受力如图所示
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水平方向上有:
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由:
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得:
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设小球从进入磁场t时刻,水平速度为:
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竖直方向的加速为ay分速度为vy,则
t时刻:
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即 :
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含t项应相等,有
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即:
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联立得
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解得
, μ= 2舍去
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