5.(09·四川·25) (20分)如图所示,轻弹簧一端连于固定点O,可在竖直平面内自由转动,另一端连接一带电小球P,其质量m=2×10-2 kg,电荷量q=0.2 C.将弹簧拉至水平后,以初速度V0=20 m/s竖直向下射出小球P,小球P到达O点的正下方O1点时速度恰好水平,其大小V=15 m/s.若O、O1相距R=1.5 m,小球P在O1点与另一由细绳悬挂的、不带电的、质量M=1.6×10-1 kg的静止绝缘小球N相碰。碰后瞬间,小球P脱离弹簧,小球N脱离细绳,同时在空间加上竖直向上的匀强电场E和垂直于纸面的磁感应强度B=1T的弱强磁场。此后,小球P在竖直平面内做半径r=0.5 m的圆周运动。小球P、N均可视为质点,小球P的电荷量保持不变,不计空气阻力,取g=10 m/s2。那么,

(1)弹簧从水平摆至竖直位置的过程中,其弹力做功为多少?

(2)请通过计算并比较相关物理量,判断小球P、N碰撞后能否在某一时刻具有相同的速度。

(3)若题中各量为变量,在保证小球P、N碰撞后某一时刻具有相同速度的前提下,请推导出r的表达式(要求用B、q、m、θ表示,其中θ为小球N的运动速度与水平方向的夹角)。

解析:(1)设弹簧的弹力做功为W,有:          

        ①

代入数据,得:W=J          ②

(2)由题给条件知,N碰后作平抛运动,P所受电场力和重力平衡,P带正电荷。设P、N碰后的速度大小分别为v1和V,并令水平向右为正方向,有:   ③

而:                ④

若P、N碰后速度同向时,计算可得V<v1,这种碰撞不能实现。P、N碰后瞬时必为反向运动。有:           ⑤

P、N速度相同时,N经过的时间为,P经过的时间为。设此时N的速度V1的方向与水平方向的夹角为,有:

                   ⑥

              ⑦

代入数据,得:             ⑧

对小球P,其圆周运动的周期为T,有:

                   ⑨

经计算得: <T,

P经过时,对应的圆心角为,有:      ⑩

当B的方向垂直纸面朝外时,P、N的速度相同,如图可知,有:

联立相关方程得:

比较得, ,在此情况下,P、N的速度在同一时刻不可能相同。

当B的方向垂直纸面朝里时,P、N的速度相同,同样由图,有:

同上得:

比较得, ,在此情况下,P、N的速度在同一时刻也不可能相同。

(3)当B的方向垂直纸面朝外时,设在t时刻P、N的速度相同,

再联立④⑦⑨⑩解得:

当B的方向垂直纸面朝里时,设在t时刻P、N的速度相同

同理得:

考虑圆周运动的周期性,有:

(给定的B、q、r、m、等物理量决定n的取值)

3.(09·天津·11) (18分)如图所示,直角坐标系xOy位于竖直平面内,在水平的x轴下方存在匀强磁场和匀强电场,磁场的磁感应为B,方向垂直xOy平面向里,电场线平行于y轴。一质量为m、电荷量为q的带正电的小球,从y轴上的A点水平向右抛出,经x轴上的M点进入电场和磁场,恰能做匀速圆周运动,从x轴上的N点第一次离开电场和磁场,MN之间的距离为L,小球过M点时的速度方向与x轴的方向夹角为.不计空气阻力,重力加速度为g,求

(1)电场强度E的大小和方向;

(2)小球从A点抛出时初速度v0的大小;

(3)A点到x轴的高度h.

答案:(1),方向竖直向上  (2)    (3)

解析:本题考查平抛运动和带电小球在复合场中的运动。

(1)小球在电场、磁场中恰能做匀速圆周运动,说明电场力和重力平衡(恒力不能充当圆周运动的

向心力),有

                     ①

                    ②

重力的方向竖直向下,电场力方向只能向上,由于小球带正电,所以电场强度方向竖直向上。

(2)小球做匀速圆周运动,O′为圆心,MN为弦长,,如图所示。设半径为r,由几何关系知

                        ③

小球做匀速圆周运动的向心力由洛仑兹力白日提供,设小球做圆周运动的速率为v,有

                 ④

由速度的合成与分解知

                        ⑤

由③④⑤式得

                       ⑥

(3)设小球到M点时的竖直分速度为vy,它与水平分速度的关系为

                       ⑦

由匀变速直线运动规律

                      ⑧

由⑥⑦⑧式得

                     ⑨

 0  378379  378387  378393  378397  378403  378405  378409  378415  378417  378423  378429  378433  378435  378439  378445  378447  378453  378457  378459  378463  378465  378469  378471  378473  378474  378475  378477  378478  378479  378481  378483  378487  378489  378493  378495  378499  378505  378507  378513  378517  378519  378523  378529  378535  378537  378543  378547  378549  378555  378559  378565  378573  447090 

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