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.