解题思路:(1)圆周是圆心处点电荷的等势面,小球圆周运动过程中只有重力做功,根据动能定理作答;
(2)小球在运动过程中分F≥mg和F<mg两种情况讨论,得出小球经过最高点的临界条件,再根据动能定理作答.
运动到轨道最高点时速度最小
在圆心处电荷产生的电场中,圆轨道恰好在它的一个等势面上,小球在圆轨道上运动时,库仑力不做功,当小球运动到圆轨道最高处时,其重力对它做的负功最多,此时速度最小.
在最低点,小球受到的电场力F与重力mg方向相同,小球不会脱离轨道.
在最高点,小球受到的电场力F与重力mg方向相反,
当F≥mg时,在最高点小球也不会脱离轨道.此时,小球在最高点的速度v应满足:v≥0 ①
小球从圆轨道最底处运动到最高处的过程中由动能定理得:
-mg×2R=
1
2mv2−
1
2m
v20 ②
由①和②解得:v0≥2
gR
这就是在F≥mg条件下,小球在最低点速度应满足的条件在最高点.当F<mg时,小球在最高点的速度v 应满足:
mg−F+FN=m
v2
R ③
FN为轨道对小球向向下的压力,根据意知FN≥0 ④
由②③④可解得:v0≥
5gR−
FR
m 这就是在F<mg条件下,小球在最低点速度应满足的条件.
答:(1)小球A运动到最高处时其速度最小,因为小球圆周运动过程中只有重力做功,根据动能定理有克服重力做功最多时,小球动能最小即速度最小.
(2)要使小球A在运动中始终不脱离圆轨道而做完整的圆周运动,小球A在圆轨道的最低处的初速度应满足:v0≥2
gR(F≥mg),v0≥
5gR−
FR
m(F<mg).
点评:
本题考点: 动能定理的应用;牛顿第二定律;向心力;电势能.
考点点评: 抓住小球在竖直面你做圆周运动能通过最高点的临界条件是解决本题的关键.