在光滑绝缘水平面上固定一个内壁光滑的竖直圆筒S,其俯视图如图,圆筒半径为1m.圆筒轴线与水平面的交点O处用一根不可伸长的

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  • 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.

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