题目内容

1.如图所示,用长为L的丝线悬挂着一质量为m、带电荷量为+q的小球,将它们放入水平向右的匀强电场中,电场强度大小E=$\frac{\sqrt{3}mg}{3q}$,今将小球拉至水平方向的A点由静止释放.
(1)求小球落至最低点B处的速度大小.
(2)若小球落至最低点B处时,绳突然断开,同时使电场反向,大小不变,则小球在以后的运动过程中的最小动能为$\frac{3}{8}(2+\frac{\sqrt{3}}{3})mgL$.

分析 本题的物理过程比较含蓄,弄清物理过程是关键:释放小球后,小球沿合力的方向做匀加速直线运动,当绳子张紧时,顺着绳子方向的分速度在张力作用下立即减为零,小球以切向分量为初速度做圆周运动.
(1)先求出小球受到合力的大小和方向,确定小球做匀加速直线运动的末位置.这个过程应用动能定理可以求出末速度,然后以切向分量的初速度做圆周运动,到时达B点,重力与电场力做功的代数和等于动能的增量.这样又根据动能定理求出到B点的速度.
(2)落到低点B处,绳子断开,电场反向,此时小球受到合力方向为左偏下60°,小球做类斜抛运动.最小动能的位置在速度方向与合力方向垂直的位置.此时只有垂直分速度,求出垂直分速度,也就能求出最小动能.

解答 解:(1)小球刚释放时受到的合力大小为:${F}_{合}=\frac{mg}{cos30°}$,方向与水平方向成$α=arctg\frac{mg}{Eq}=60°$,所以三角形OAC是等边三角形.从A点释放小球后,小球将沿AO方向做匀加速直线运动,到C点时绳子张紧.该过程据动能定理:
         ${F}_{合}L=\frac{1}{2}m{{v}_{C}}^{2}$       ①
所以解得:${v}_{C}=\frac{2}{4\sqrt{3}}\sqrt{gL}$,则沿切线方向的分量:${{v}_{C}}^{′}={v}_{C}cos30°=\sqrt{\sqrt{3}gL}$
从C点到B点据动能定理:
            $mgL(1-cos30°)+EqLsin30°=\frac{1}{2}m{{v}_{B}}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{C}{′}^{2}$    ②
联立解得:${v}_{B}=\sqrt{(2+\frac{\sqrt{3}}{3})gL}$
(2)小球到达最低点,绳断后,电场反向,则重力与电场力的合力对小球先做负功后做正功,则小球动能减小最多处,其动能才最小.合力对小球所做的负功最大处沿合力的反方向,的速度减为零,只有沿合力垂直方向的速度(如图所示),
        ${v}_{L}={v}_{B}cos30°=\frac{\sqrt{3}}{2}$$\sqrt{(2+\frac{\sqrt{3}}{3})gL}$,
则小球在以后运动的最小动能:
         ${E}_{kmin}=\frac{1}{2}m{{v}_{L}}^{2}$=$\frac{3}{8}(2+\frac{\sqrt{3}}{3})mgL$.
答:(1)求小球落至最低点B处的速度大小为$\sqrt{(2+\frac{\sqrt{3}}{3})gL}$.
(2)若小球落至最低点B处时,绳突然断开,同时使电场反向,大小不变,则小球在以后的运动过程中的最小动能为$\frac{3}{8}(2+\frac{\sqrt{3}}{3})mgL$.

点评 本题的关键是要分清小球的运动过程,容易搞错的是把小球运动当成向下摆动,这样就走入题设圈套.所以受力分析的重要性在此可窥一斑.小球初始合力右向下,由静止开始向右下做匀加速直线运动,直到绳子张紧.然后再做圆周运动到B点.至于第二问,涉及的是类斜抛运动,可以参照斜抛运动去处理.

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