题目内容

9.如图所示,在足够大的空间中有一水平方向匀强电场和一水平方向匀强磁场,且电场方向和磁场方向相互垂直,在电磁场正交的空间中有一足够长的固定粗糙绝缘杆,与电场正方向成45°夹角且处于竖直平面内.一质量为m,带电量为+q的小球套在绝缘杆上.初始,给小球一沿杆向下的初速度v0,小球恰好做匀速运动,电量保持不变.已知,磁感应强度大小为B,电场强度大小为E=$\frac{mg}{q}$,则以下说法正确的是(  )
A.小球的初速度为v0=$\frac{2mg}{qB}$
B.小球的初速度为v0=$\frac{\sqrt{2}mg}{qB}$
C.若小球的初速度变为$\frac{mg}{qB}$,则小球将做加速度不断增大的减速运动,最后停止
D.若小球的初速度为$\frac{3mg}{qB}$,则运动中小球克服摩擦力做功为$\frac{7{m}^{2}{g}^{2}}{2{q}^{2}{B}^{2}}$

分析 小球受重力、摩擦力(可能有)、弹力(可能有)、向右上方的洛伦兹力、向左的电场力,当受到的合外力等于0时,小球做匀速直线运动.当小球受到的合外力不为0时,要判断出支持力的方向,明确支持力的大小随洛伦兹力的变化关系,然后做出判定.

解答 解:A、对小球进行受力分析如图,
电场力的大小:F=qE=$q×\frac{mg}{q}=mg$,由于重力的方向竖直向下.电场力的方向水平向右,二者垂直,合力:${F}_{G+F}=\sqrt{{F}^{2}+{(mg)}^{2}}=\sqrt{2}mg$,由几何关系可知,重力与电场力的合力与杆的方向垂直,所以重力与电场力的合力不会对小球做功,而洛伦兹力的方向与速度的方向垂直,所以也不会对小球做功.所以,当小球做匀速直线运动时,不可能存在摩擦力,没有摩擦力,说明小球与杆之间就没有支持力的作用,则洛伦兹力大小与重力、电场力的合力相等,方向相反.所以qv0B=$\sqrt{2}$mg.
所以v0=$\frac{\sqrt{2}mg}{qB}$.故A错误,B正确;
C、若小球的初速度为$\frac{mg}{qB}$,则洛伦兹力:f=qv0B=mg<FG+F,则在垂直于杆的方向上,小球还受到杆的垂直于杆向上的支持力,而摩擦力:f=μFN.小球将做减速运动;随速度的减小,洛伦兹力减小,则支持力逐渐增大,摩擦力逐渐增大,小球的加速度增大,所以小球将做加速度不断增大的减速运动,最后停止.故C正确;
D、若小球的初速度为$\frac{3mg}{qB}$,则洛伦兹力:f=qv0B=3mg>FG+F,则在垂直于杆的方向上,小球还受到杆的垂直于杆向下的支持力,则摩擦力:f=μFN.小球将做减速运动;随速度的减小,洛伦兹力减小,则支持力逐渐减小,摩擦力减小,小球做加速度不断减小的减速运动,最后当速度减小到v0=$\frac{\sqrt{2}mg}{qB}$时,小球开始做匀速直线运动,运动中克服摩擦力做功等于小球的减少的动能,所以W=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$-$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$=$\frac{7{m}^{2}{g}^{2}}{2{q}^{2}{B}^{2}}$.故D正确.
故选:BCD

点评 本题考查小球在混合场中的运动,解答的关键明确小球的受力情况,并能够结合受力的情况分析小球的运动情况,要知道小球何时做加速度减小的减速运动,何时做加速度增大的减速运动,当加速度减为零时,做匀速运动.

练习册系列答案
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19.像打点计时器一样,光电计时器也是一种研究物体运动情况的常见计时仪器,其结构如图甲所示a、b分别是光电门的激光发射和接收装置.当有物体从a、b间通过时,光电计时器就可以显示物体的挡光时间.现利用图乙所示装置设计一个“探究物体运动的加速度与合外力、质量关系的实验,图中NQ是水平桌面、PQ是一端带有滑轮的长木板,1、2是固定在木板上的两个光电门(与之连接的两上光电计时器没有画出).小车上固定着用于挡光的窄片K,让小车从木板的顶端滑下,光电门各自连接的计时器显示窄片K的挡光时间分别为t1和t2.

(1)用游标卡尺测量窄片K的宽度d(已知l>>d),光电门1,2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为t1、t2.则窄片K通过光电门1的速度表达式v1=_$\frac{d}{{t}_{1}}$.
(2)用米尺测量两光电门间距为l,则小车的加速度表达a=$\frac{({t}_{1}^{2}-{t}_{2}^{2}){d}^{2}}{2l({t}_{1}^{2}+{t}_{2}^{2})}$.
(3)该实验中,为了把砂和砂桶拉车的力当作小车受的合外力,就必须平衡小车受到的摩擦力,正确的做法是不挂砂和砂桶,与两个光电门相连的计时器读数相等为止.
(4)实验中,有位同学通过测量,把砂和砂桶的重力当作小车的合外力F,作出a-F图线,如图丙中的实线所示.试分析:图线不通过坐标原点O的原因是平衡摩擦力时木板倾角太大;曲线上部弯曲的原因没有满足小车质量远大于砂和砂桶的质量.

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