解题思路:(1)当细线转过90度的过程中,只有电场力做功,根据动能定理求出细线断裂时小球的速度大小.
(2)为保证小球接下来的运动过程中细线都不松弛,1、转动90度的过程中速度减为零,2、转动到最低点有临界最小速度.结合动能定理求出电场强度的范围.
(3)根据动能定理求出小球与内壁碰撞时的速度,再将该速度沿半径方向和垂直于半径方向分解,得出沿圆筒做圆周运动的初速度,当小球运动到图示的最低点时,速度最小,根据动能定理求出沿圆筒内壁继续做圆周运动中的最小速度值.
(1)从开始到转过90°的过程中,根据动能定理,有:
-qEL=[1/2m
v21−
1
2m
v20]
解得:
v1=3
10m/s(或v1=9.49m/s)
(2)分两种情况:
①从图示位置转过900,小球速度减为0,则:
-qE1L=0-[1/2m
v20]
解得:
E1=4×105N/C
②从图示位置转过1800,绳刚好松弛,则:
−qE2•2r=
1
2m
v2min−
1
2m
v20
在速度最小点,电场力恰好提供向心力,根据牛顿第二定律,有:
qE2=m
v2min
r
解得:
E2=1.6×105N/C
所以E≤1.6×105N/C或E≥4×105N/C.
(3)细线断裂后,做匀减速直线运动直到碰到圆筒,设碰前瞬间速率为v2,则
−qE•
r2−L2=
1
2m
v22−
1
2m
v21
解得v2=
90−10
3m/s (或v2=8.53m/s)
小球碰筒壁后,沿圆筒切向速度为:
v3=v2sin30°
对小球继续做圆周运动过程,根据动能定理,有:
-qE•r(1-cos30°)=[1/2m
v24−
1
2m
v23]
解得最小速率:
v4=
5+15
3
2m/s (或v4=3.94m/s)
答:(1)细线断裂时小球的速度大小为9.49m/s.
(2)为保证小球接下来的运动过程中细线都不松弛,电场强度E的大小范围E≤1.6×105N/C或E≥4×105N/C.
(3)小球碰到圆筒内壁后不反弹,沿圆筒内壁继续做圆周运动中的最小速度值为3.94m/s.
点评:
本题考点: 匀强电场中电势差和电场强度的关系.
考点点评: 本题是动能定理和牛顿第二定律的综合应用,难点是第三问,确定临界情况,找到等效的最高点.