稿件来源:高途
| 带电粒子在等效重力场中的运动题目答案及解析如下,仅供参考!
选修3-1
第一章 静电场
1.9 带电粒子在电场中的运动
带电粒子在等效重力场中的运动
如图所示,空间存在水平向右,电场强度大小为$E=\dfrac{2mg}{q}$的匀强电场。$abc$是竖直面内的光滑固定轨道,$ab$水平,长度为$3R$;$bc$是半径为$R$的四分之一圆弧,与$ab$相切于$b$点。一质量为$m$,带电荷量为$q$的正电物块,自$a$点处从静止释放,重力加速度大小为$g$。求:
$ac$两点间的电势差大小
$\\dfrac{8mgR}{q}$
"]]由公式$U=Ed$
得$ac$两点间的电势差大小$U_{ac}=E(3R+R)=\dfrac{8mgR}{q}$
物块运动到$c$点时对轨道的弹力大小;
$16mg$
"]]物块从$a$到$c$,由动能定理有$U_{ac}q-mgR=\dfrac{1}{2}m{v_{c}}^{2}$
设在$c$点轨道对物块的支持力为$N$,有$N-Eq=m\dfrac{{v_{c}}^{2}}{R}$
得$N=16mg$
由牛顿第三定律有物块运动到$c$点时对轨道的弹力大小为$16mg$。
物块到达与$c$点等高的$d$点(图中未画出)时,距$c$点的水平距离;及求出$c$到$d$过程中的速度最小值。
$56R$,$2\\sqrt{\\dfrac{14gR}{5}}$
"]]由($2$)可知,在$c$点速度$v_{c}=\sqrt{14gR}$
在$c$之后,物块做类平抛运动,在竖直方向有$mg=ma_{y}$
上升到最高点时有$0=v_{c}-a_{y}t_{1}$
解得$t_{1}=\sqrt{\dfrac{14R}{g}}$
根据运动的对称性,则到达$d$点的总时间有$t=2t_{1}=2\sqrt{\dfrac{14R}{g}}$
在水平方向上有$qE=ma_{x}$,$x=\dfrac{1}{2}a_{x}t^{2}$
解得$x=56R$
物块离开$c$点后受到的合力为$F=\sqrt{(Eq)^{2}+(mg)^{2}}=\sqrt{5}mg$
设合力与水平方向夹角为$\theta$,有$\tan\theta=\dfrac{mg}{Eq}=\dfrac{1}{2}$
所以$\sin\theta=\dfrac{1}{\sqrt{5}}$
$c$到$d$过程中当速度方向与合力方向垂直时,速度有最小值,则最小速度等于$v_{C}$沿垂直合力方向的分量,大小为$v_{\min}=v_{C}\cos\theta=2\sqrt{\dfrac{14gR}{5}}$
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