(2007•淮安模拟)用长为L的细线拉一质量为m的小球,小球带电量为+q,细线一端悬于固定点O,整个装置放在水平向右一足

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  • 解题思路:(1)小球静止A点时,受到重力、电场力和绳子的拉力而平衡,根据平衡条件求出电场强度的大小.(2)将小球拉至O点正下方最低点由静止释放,小球向上摆动过程中经过平衡位置时速度最大,根据动能定理求出最大速度.(3)小球到最高点时,速度为零,向心力为零,绳子的拉力等于重力和电场力沿法线方向的合力.(4)当小球恰好到达A点关于悬点的对称点时,由电场力和重力的合力提供向心力,根据牛顿第二定律求出小球经这点的速度,由动能定理求出初速度.

    (1)小球静止A点时,受力如图所示

    据三力平衡条件,得

    tanθ=[qE/mg]

    解得,E=[mgtanθ/q] ①

    (2)小球运动到平衡位置时速度最大,由动能定理,得

    qELsinθ-mgL(1-cosθ)=[1/2]mv2

    将①式代入,得

    v=

    2gL(1−cosθ)

    cosθ ③

    小球从最底点到最高点时,速度为零,向心力为零,细线与竖直方向成α角,由动能定理,得

    qELsinα-mgL(1-cosα)=0 ④

    将①式代入④式,得

    tanθsinα=1-cosα

    解得,α=2θ

    在最高点,重力与电场力合力的法线分力与拉力平衡,设线的拉力为F

    F=mgcos2θ+qEsin2θ=mgcos2θ+mgtanθ•sin2θ=mg(2cos2θ-1)+mgtanθ•2sinθcosθ=mg

    (3)设B点与A点对悬点O对称,即AB为圆轨迹的直径,当小球恰好能运动到B点时,就能在竖直面内恰好做完整的圆周运动

    在B点,重力与电场力的合力提供向心力

    [mg/cosθ]=m

    v2B

    L

    设将小球拉至O点正下方最低点时给它一水平向右的初速度为v0,由动能定理,得

    -2mgLcosθ-qELsinθ=[1/2]mvB2-[1/2]mv02

    解得

    v0=

    2gLcosθ+

    3gL

    cosθ

    答:

    (1)匀强电场的电场强度大小E=[mgtanθ/q];

    (2)将小球拉至O点正下方最低点由静止释放,小球向上摆动过程中的最大速度大小v=

    2gL(1−cosθ)

    cosθ;

    (3)在(2)问中,小球运动到最高点时细线对小球的拉力大小为mg;

    (4)若将小球拉至O点正下方最低点时给它一水平向右的初速度,小球在竖直面内做完整的圆周运动,这个初速度至少是v0=

    2gLcosθ+

    3gL

    cosθ.

    点评:

    本题考点: 动能定理的应用;共点力平衡的条件及其应用;牛顿第二定律;向心力.

    考点点评: 本题小球的运动类似于单摆,关于平衡位置具有对称性,α=2θ.B点相当于竖直平面内圆周运动的最高点,也称为物理最高点.

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