如图所示,一绝缘细圆环半径为r,其环面固定在竖直面上,场强为E的匀强电场与圆环平面平行,环上穿有一电荷量+q,质量为m的小球,可沿圆环做无摩擦的圆周运动,若小球经A点时

首页 > 考试 > 物理 > 高中物理 > 向心力/2022-09-29 / 加入收藏 / 阅读 [打印]

◎ 题目

如图所示,一绝缘细圆环半径为r,其环面固定在竖直面上,场强为E的匀强电场与圆环平面平行,环上穿有一电荷量+q,质量为m的小球,可沿圆环做无摩擦的圆周运动,若小球经A点时速度vA的方向恰与电场垂直,且圆环与小球间沿水平方向无力的作用.
(1)求小环运动到A点的速度vA是多少?
(2)当小球运动到与A点对称的B点时,小球对圆环在水平方向上的作用力FB是多少?
(3)若E=
mg
q
,小球最大动能为多少.
魔方格

◎ 答案

(1)由题意可知小球到达A点时电场力提供向心力即qE=
m
v2A
r

魔方格

解得vA=

qEr
m

(2)从A到B的运动过程中,根据动能定理可得
  2qEr=
1
2
mvB2-
1
2
mvA2
在B点根据向心力公式可得NB-qE=m
v2B
r

联立以上三式得NB=6qE
根据牛顿第三定律可得小球对圆环在水平方向的作用力大小为6qE.
(3)若E=
mg
q
,由qE=mg.由于球只受到重力和电场力的作用,并且重力和电场力的大小相等,当两个力的合力沿半径向外时,如图所示经过D点时,动能最大,CD与竖直方向的夹角为45°,根据动能定理得:
 从A→B:mgrcos45°+qE(1+sin45°)r=Ek-
1
2
m
v2A

解得球最大动能为Ek=(
3
2
+

2
)mgr
答:
(1)求小环运动到A点的速度vA

qEr
m

(2)当小球运动到与A点对称的B点时,小球对圆环在水平方向上的作用力FB是6qE.
(3)若E=
mg
q
,小球最大动能为(
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