题目内容

20.如图所示,AB为一绝缘的水平直轨道,BCDF为一绝缘的光滑圆形轨道,B为圆轨道最低点,竖直放置在竖直方向的匀强电场中,BCDF是半径为R的圆形轨道,今有质量为m的带正电的小滑块(可视为质点)以一初速度v0由A点开始沿轨道向右运动,小滑块恰好能沿竖直圆轨道做完整的圆周运动,已知小滑块与AB轨道间的动摩擦因数为μ,A与B之间距离为L,电场强度E=$\frac{mg}{q}$,重力加速度为g,求:
(1)小滑块在AB轨道上所受的滑动摩擦力的大小;
(2)恰能沿圆轨道经过最高点D时的速度vD的大小;
(3)小滑块的初速度v0的大小.

分析 (1)由滑块的受力情况求出滑块对AB轨道的压力,再由f=μN求滑动摩擦力.
(2)小滑块恰好能沿竖直圆轨道做完整的圆周运动,在D点,由重力和电场力的合力提供向心力,由牛顿第二定律求vD.
(3)对整个过程,运用动能定理列式求解初速度v0的大小.

解答 解:(1)滑块所受的电场力大小 F=qE=mg,方向竖直向下,则小滑块在AB轨道上所受的滑动摩擦力的大小 f=μ(mg+F)=2μmg;
(2)在D点,由牛顿第二定律得
   F+mg=m$\frac{{v}_{D}^{2}}{R}$
则得 vD=$\sqrt{2gR}$
(3)对整个过程,由动能定理得
-fL-(F+mg)•2R=$\frac{1}{2}m{v}_{D}^{2}$-$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
解得  v0=$\sqrt{10gR+4μgL}$
答:
(1)小滑块在AB轨道上所受的滑动摩擦力的大小为2μmg;
(2)恰能沿圆轨道经过最高点D时的速度vD的大小为$\sqrt{2gR}$;
(3)小滑块的初速度v0的大小为$\sqrt{10gR+4μgL}$.

点评 在本题中物体不仅受重力的作用,还有电场力,在解题的过程中,一定要分析清楚物体的受力和运动过程,特别是小球恰好过D点的条件,根据动能定理和牛顿第二定律灵活列式求解.

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