精英家教網(wǎng)如圖所示,在豎直平面內放置一長為L、內壁光滑的薄壁玻璃管,在玻璃管的a端放置一個直徑比玻璃管直徑略小的小球,小球帶電荷量為-q、質量為m.玻璃管右邊的空間存在著勻強電場與勻強磁場.勻強磁場方向垂直于紙面向外,磁感應強度為B;勻強電場方向豎直向下,電場強度大小為mg/q,場的左邊界與玻璃管平行,右邊界足夠遠.玻璃管帶著小球以水平速度V0垂直于左邊界進入場中向右運動,由于水平外力F的作用,玻璃管進入場中速度保持不變,一段時間后小球從玻璃管b端滑出并能在豎直平面內自由運動,最后從左邊界飛離電磁場.運動過程中小球的電荷量保持不變,不計一切阻力,求:
(1)小球從玻璃管b端滑出時的速度大。
(2)從玻璃管進入磁場至小球從b端滑出的過程中,外力F所做的功;
(3)從玻璃管進入磁場至小球離開場的過程中小球的最大位移.
分析:(1)小球的運動分解為水平方向和豎直方向,如圖.在y軸方向,重力與電場力平衡,小球受到洛倫茲力向上的分力,大小Fy=qv0B不變,則小球在y軸方向做勻加速直線運動.由牛頓第二定律和運動學公式求解.
(2)水平方向上外力F與洛倫茲力水平方向分力平衡,根據(jù)運動的分解求出vy、小球在管中運動的時間和水平位移x,研究外力F與水平位移的關系,根據(jù)功的計算公式求解.
(3)小球飛離管口后在磁場中做勻速圓周運動,畫出軌跡,根據(jù)幾何知識求出最大位移.
解答:解:(1)由E=
mg
q
得,qE=mg,即小球的重力與電場力平衡.
     小球在管中向上運動的加速度為a=
Fy
m
=
qv0B
m
,不變
設小球運動到b端時沿y方向的分速度為vy,則
      vy2=2aL
故小球從玻璃管b端滑出時的速度大小為
     v=
v
2
0
+v
2
y
=
v
2
0
+
2qv0BL
m

    (2)由平衡條件可知玻璃管受到的水平外力為
     F=Fy=qvyB,vy=at=
qv0B
m
t
解得F=
q2B2v0
m
t

   又L=
1
2
at2
,得t=
2L
a
=
2mL
qBv0

   水平方向位移x=v0t,得到F=
q2B2x
m

可見F是變力,而且大小隨玻璃管的位移增大而均勻變化,
   則F所做的功為
   W=
1
2
(0+
q2B2v0
m
2mL
qBv0
?v0
2mL
qBv0
=qBv0L
(3)由于小球的重力與電場力平衡,則小球離開玻璃管后做勻速圓周運動,設半徑為R,其運動軌跡如圖.
t時間內玻璃管運動的距離x=v0t=v0
2mL
qBv0

   由牛頓第二定律得qvB=m
v2
R

   由幾何關系得:sinα=
x-x1
R

        又
x1
R
=
vy
v

  則x1=
vy
v
R
=
qBv0t
mv
?
mv
qB
=v0t=x精英家教網(wǎng)
得到sinα=0.故小球飛離磁場時速度方向垂直于磁場邊界向左.
   則小球在磁場中運動的最大位移為
     S=L+R(1+cosθ)
其中cosθ=
v0
v
2
0
+
2qBLv0
m

     得到S=L+
m
qB
(
2qBv0L
m
+
v
2
0
+v0)

答:(1)小球從玻璃管b端滑出時的速度大小為
v
2
0
+
2qv0BL
m
;
    (2)從玻璃管進入磁場至小球從b端滑出的過程中,外力F所做的功為qBv0L;
    (3)從玻璃管進入磁場至小球離開場的過程中小球的最大位移為L+
m
qB
(
2qBv0L
m
+
v
2
0
+v0)
點評:本題第(2)問也可以用動能定理求解:對系統(tǒng)W=
1
2
m(v2-
v
2
0
)
=
1
2
m
v
2
y
=qBv0L.
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(1)若要使小球始終緊貼外圓做完整的圓周運動,初速度v0至少為多少
(2)若v0=3.8m/s,經(jīng)過一段時間小球到達最高點,內軌道對小球的支持力F=2N,則小球在這段時間內克服摩擦力做的功是多少
(3)若v0=3.9m/s,經(jīng)過足夠長的時間后,小球將在BAD間做往復運動,則小球經(jīng)過最低點A時受到的支持力為多少?小球在整個運動過程中減少的機械能是多少.

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