Question

如圖所示，ABCD為表示豎立放在場(chǎng)強(qiáng)為E=10⁴V/m的水平勻強(qiáng)電場(chǎng)中的絕緣光滑軌道，其中軌道的BCD部分是半徑為R的半圓環(huán)，軌道的水平部分與半圓環(huán)相切A為水平軌道的一點(diǎn)，而且

.

AB

=R=0.2m，把一質(zhì)量m=100g、帶電q=10^-4C的小球，放在水平軌道的A點(diǎn)上面由靜止開始被釋放后，在軌道的內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)．（g=10m/s²）
求：
（1）它到達(dá)C點(diǎn)時(shí)的速度是多大？
（2）它到達(dá)C點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道壓力是多大？
（3）小球所能獲得的最大動(dòng)能是多少？

Answer 1

分析：本題（1）的關(guān)鍵是可以應(yīng)用動(dòng)能定理直接求出速度；（2）題關(guān)鍵是應(yīng)用牛頓第二定律可求壓力；（3）題的關(guān)鍵是首先找到動(dòng)能最大的位置即所謂“等效最低點(diǎn)”的方法，即小球能夠平衡的位置，然后結(jié)合動(dòng)能定理即可求解．

解答：解：（1）設(shè)小球在C點(diǎn)的速度大小是V_c，則對(duì)于小球由A→C的過程中，應(yīng)用動(dòng)能定律列出：
qE.2R-mgR=

1

2

mv

2 c

-0，解得

v

c

=

4qER-2mgR m

=2m/s
故小球到達(dá)C點(diǎn)時(shí)的速度為2m/s．
（2）小球在C點(diǎn)時(shí)受力分析如圖，應(yīng)滿足

N

c

-qE=

mv 2 c

R

，解得

N

c

=3N，由牛頓第三定律可知小球?qū)�軌道的壓力�?N．
故小球到達(dá)C點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力大小為3N．

（3）由mg=qE=1N，可知小球受到合力的方向垂直于B、C點(diǎn)的連線BC指向圓心O，所以“等效最低點(diǎn)”在BC的中點(diǎn)E，
設(shè)小球的最大動(dòng)能為

E

km

，由動(dòng)能定理可得

E

km

=qER（1+sin45°）+mgR（1-cos45°）
解得

E

km

=

2

5

J
故小球所能獲得的最大動(dòng)能為

2

5

J．

點(diǎn)評(píng)：對(duì)與圓周運(yùn)動(dòng)結(jié)合的題目，一般要用到動(dòng)能定理、牛頓第二定律以及速度最大或最小的臨界條件，應(yīng)記住在復(fù)合場(chǎng)中速度最大即等效“最低點(diǎn)”是物體能夠平衡的位置，速度最�。ǖ刃ё罡唿c(diǎn)）位置則是最低點(diǎn)關(guān)于圓心的對(duì)稱點(diǎn)．