(2014•普陀区二模)如图,A为位于一定高度处的质量为m、带电荷量为+q的小球,B为位于水平地面上的质量为M的用特殊材

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  • 解题思路:(1)小球A从第一次进入盒子到第二次进入盒子所经历的时间分为两部分,A在盒子内运动时运动牛顿第二定律求出加速度,再用运动学基本公式求出时间,A在盒子外运动的时间根据运动学基本公式即可求得,时间之和即为经历的总时间;

    (2)分别求出小球在盒内和盒外时的盒子的加速度,进而求出小球运动一个周期盒子减少的速度,再求出从小球第一次进入盒子到盒子停下,小球运动的周期数n,要保证小球始终不与盒子相碰,盒子上的小孔数至少为2n+1个;

    (3)分别求出盒子在每个周期内通过的距离,观察数据得特点,通过数学等差数列知识求出盒子通过的总路程.

    (1)A在盒子内运动时,有:qE-mg=ma,

    E=

    2mg

    q,

    由以上两式得:a=g

    A在盒子内运动的时间为:t1=

    2v0

    g,A在盒子外运动的时间为:t2=

    2v0

    g,

    A从第一次进入盒子到第二次进入盒子的时间为:T=t1+t2=

    4v0

    g,

    (2)小球在盒子内运动时,盒子的加速度为:a1=

    μ(Mg+qE)

    M=2μg,

    小球在盒子外运动时,盒子的加速度为:a2=

    μMg

    M=μg,

    小球运动一个周期盒子减少的速度为:△v=a1t1+a2t2=6μv0

    从小球第一次进入盒子到盒子停下,小球运动的周期数为:N=

    6v0

    △v=

    1

    μ=n,

    故要保证小球始终不与盒子相碰,盒子上的小孔数至少为2n+1个.

    (3)小球第一次在盒内运动的过程中,盒子前进的距离为:

    s1=v1t1−

    1

    2a1t12=12

    v02

    g−

    4v02

    ng,

    小球第一次从盒子出来时,盒子的速度为:v2=v1−a1t1=6v0−

    4v0

    n,

    小球第一次在盒外运动的过程中,盒子前进的距离为:s2=v2t2−

    1

    2a2t22=12

    v02

    g−

    10v02

    ng,

    小球第二次进入盒子时,盒子的速度为:v3=v2−a2t2=6v0−

    6v0

    n,

    小球第二次在盒子内运动的过程中,盒子前进的距离为:s3=v3t1−

    1

    2a1t12=12

    v02

    g−

    16v02

    ng,

    小球第二次从盒子出来时,盒子的速度v4=v3−a1t1=6v0−

    10v0

    n,

    小球第二次在盒外运动的过程中,盒子前进的距离为:s4=v4t2−

    1

    2a2t22=12

    v02

    g−

    22v02

    ng,

    分析上述各组数据可知,盒子在每个周期内通过的距离为一等差数列,公差d=

    6v02

    ng,项数是2n项,最后一项是:

    s2n=12

    v02

    g−

    [4+6(2n−1)]v02

    ng=

    2v02

    ng.

    所以总路程为:s=

    (s1+s2n)×2n

    2=

    12nv02

    g−

    2v02

    g.

    答:(1)小球A从第一次进入盒子到第二次进入盒子所经历的时间为

    4v0

    g;

    (2)盒子上至少要开2n+1个小孔,才能保证小球始终不与盒子接触;

    (3)小球第一次进入盒子至盒子停止运动的过程中,盒子通过的总路程为

    12nv02

    g−

    2v02

    g.

    点评:

    本题考点: 匀强电场中电势差和电场强度的关系;匀变速直线运动的速度与时间的关系;匀变速直线运动的位移与时间的关系.

    考点点评: 该题是较为复杂的往复运动,要求同学们能正确分析每个过程的受力情况,求出加速度、时间和位移,还要善于观察数据,总结数据之间的规律,要求较高,难度很大,属于难题.