解题思路:撤去细线,现将该小球从电场中的A点竖直向上抛出,带电小球在水平方向的匀强电场中竖直向上抛出,小球在竖直方向受到重力,在水平方向受到电场力,从而做曲线运动,因此可将曲线分解成竖直方向与水平方向的两个运动.利用运动学公式可求出小球速率最小值;再运用动能定理,可求出小球从抛出至达到最小速率的过程中,电场力对小球做的功.
(1)小球静止在电场中时,根据力的平衡条件qE=mgtan37°=[3/4]mg 小球被抛出以后,受到重力和电场力的共同作用,沿重力方向的分运动是匀减速运动,加速度为g,设t时刻的速度为v1;沿电场方向的分运动是初速度为0的匀加速运动,设加速度为a,t时刻的速度为v2,则有
v1=v0-gt,v2=at和a=[3/4] g
小球t时刻的速度大小为v=
v21+
v22
由以上各式得出:
[25/16]g2t2-2v0gt+(v02-v2)=0
解得v的最小值为vmin=[3/5]v0
vmin的方向与电场力和重力的合力方向垂直,即与电场的方向夹角为37°.
(2)小球沿电场方向的位移为sE=
v22
2a
而小球在到达最小速度时,沿电场方向的速度为v2=vmincos37°
得小球沿电场方向的位移为sE=
96
v20
625g,
电场力做功为WE=qE•sE=
72m
v20
625
答:(1)小球在电场内运动过程中的最小速率
3v0
5.
(2)小球从抛出至达到最小速率的过程中,电场力对小球做的功
72m
v20
625
点评:
本题考点: 带电粒子在匀强电场中的运动;功的计算.
考点点评: 考查了运动的合成与分解研究的方法,并让学生掌握运动学公式、牛顿第二定律、动能定理等规律.同时让学生形成如何处理曲线的方法.如果将速度按照合力方向和垂直合力方向分解,当沿合力方向的速度减为零时其速度达到最小值,也可以解出最小速度.运用速度矢量合成的三角形法则也可求解.