题目内容

12.如图所示,光滑绝缘,半径为R的半圆形轨道,固定在竖直面内,B、C的连线是水平直径.现有一带正电的小球(可视为质点)从B点正下方的A点以初速度v0=4$\sqrt{gR}$向上抛出,A、B两点间距离为4R.从小球进入半圆形轨道的B点开始,整个空间中突然加上一个匀强电场,电场力在竖直方向上的分力大小与重力大小相等.小球沿轨道内侧运动,从C处脱离半圆形轨道后,其运动轨迹经过A点.在A点的右下方有一足够大的绝缘板D,D垂直于竖直面,且与水平面的夹角为450.设小球运动过程中带电量没有改变,重力加速度为g,求:
(1)小球到达B点的速度大小?
(2)小球经过C处时对轨道的压力?
(3)小球回到A点的同时,再对小球施加一个恒力F.若施加恒力后,保持板垂直于竖直面且与水平面的夹角不变,在A点右下方任意改变板的位置,小球都能垂直打在板上,求出所有满足条件的恒力?

分析 (1)由动能定理求的速度;
(2)从C到A物体在水平方向匀加速运动,根据类平抛运动求的水平方向的电场力,从B到C根据动能定理求的C点的速度,根据牛顿第二定律求的作用力
(3)求的再次到达A点的速度,根据几何关系求的即可

解答 解:(1)从A到B,由动能定理:$-4mgR=\frac{1}{2}mv_B^2-\frac{1}{2}mv_0^2$
${v_B}=2\sqrt{2gR}$
(2)从B到C,由动能定理:$-{F_x}•2R=\frac{1}{2}mv_C^2-\frac{1}{2}mv_B^2$
从C到A:$a=\frac{F_x}{m}$
$2R=\frac{1}{2}a{t^2}$
4R=vct
解得:Fx=mg${v_c}=2\sqrt{gR}$
在C点,由牛顿第二定律:$N+{F_x}=m\frac{v_C^2}{R}$
解得:N=3mg
又由牛顿第三定律得:小球在C点对轨道的压力为:N'=3mg
(3)小球再次到A的水平分速度:${v_{Ax}}=2\sqrt{gR}$
$tanα=\frac{{{v_{Ax}}}}{v_C}=1$
α=450
沿速度和垂直于速度建立x'和y'轴,设恒力F与y'负半轴的夹角为β,且顺时针为正.-450≤β<900
${F_x}cos{45^0}=Fcosβ$
$F=\frac{{\sqrt{2}mg}}{2cosβ}$

答:(1)小球到达B点的速度大小为$2\sqrt{2gR}$
(2)小球经过C处时对轨道的压力3mg
(3)满足条件的恒力为$\frac{\sqrt{2}mg}{2cosβ}$,-450≤β<900

点评 本题主要考查了在电场力作用下的动能定理和类平抛运动,关键是运动过程的分析;

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