| 带电粒子在等效重力场中的运动 题目答案及解析

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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$U=Ed$

$ac$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$$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$N-Eq=m\dfrac{{v_{c}}^{2}}{R}$

$N=16mg$

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$$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$v_{c}=\sqrt{14gR}$

$c$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$$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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