题目内容

如图所示,光滑绝缘的细圆管弯成半径为R的半圆形,固定在竖直面内、管口B、C的连线是水平直径,现有一带正电小球(可视为质点)从B点正上方的A点自由下落,A、B两点间距离为4R,从小球进入管口开始,整个空间中突然加上一个匀强电场,电场力在竖直向上的分力大小与重力大小相等,结果小球从管口C处脱离圆管后,其运动轨迹最后经过A点,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)小球受到的电场力的大小和方向;

   (3)小球经过管口C处时对圆管壁的压力。

(1)小球从开始自由下落到到达管口B的过程中机械能守恒,故

到达B点时速度大小

(2)设电场力的竖直分力为Fy、水平分力为Fx,则=mg(方向竖直向上)

小球从B运动到C的过程中,由功能定理得―Fx?2R=

小球从管口C处脱离圆管后,做类平抛运动,轨迹经过A点,则

联立解得

电场力大小

电场力的合力与方向水平方向成角,则tan=

小球所受电场力方向与水平方向间的夹角=45°

(3)小球经过管口C处时,向心力由Fx和圆管的压力N提供,设压力N的方向向左,

得N=3mg(方向向左)

根据牛顿第三定律可知:小球经过管口C处时对圆管的压力

N′=3mg,方向水平向右

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