(12分)一个3/4圆弧形的光滑细圆环轨道ABC水平放置,此轨道固定在光滑的水平面上。轨道半径为R,C、O、B在一条直线上,如图所示。圆心O与A、D在同一条直线上,MN是放在AD上长

◎ 题目

(12分)一个3/4圆弧形的光滑细圆环轨道ABC水平放置,此轨道固定在光滑的水平面上。轨道半径为R,C、O、B在一条直线上,如图所示。圆心O与A、D在同一条直线上,MN是放在AD上长为2R的木板,木板的厚度不计,左端M正好位于A点。整个装置处于垂直AD方向如图所示的匀强电场中,电场强度大小为E。将一个质量为m,带电量为+q的小球(可视为质点)从过A点并垂直于AD的直线上的某点P由静止开始释放,则:
(1) 若小球由圆弧轨道经C点射出后,恰好能打到木板MN 的中点,则小球从C点射出的速度大小为多大?
(2) 在(1)的情景下,小球运动到轨道上的B点时对轨道的压力是多大?
(3) 某同学认为只要调节释放点P到A点的距离L,总可以使小球经过C后打到木板的最左端M点,试判断这位同学的说法是否合理?若合理,试计算出L的数值;若不合理,请通过计算说明理由。

◎ 答案

(2)7qE(3)不可能使小球经过C点打到木板的最左端M点。

◎ 解析

设小球经过C点的速度为,从C到木板MN的中点的时间为t
对小球,从C到木板MN的中点,有……①    ……1分
……②        ……1分
由①②:……③                           ……1分
(2)(4分)
解:设小球运动到B点时的速度为,对小球,从B到C由动能定理得:
……④                       ……1分
设在B点轨道对小球的作用力为F,则……⑤  ……1分
由③④⑤得:F=7qE ……⑥                                 ……1分
由牛顿第三定律得,小球运动到B点时对轨道的压力的大小为7qE……⑦……1分
(3)(3分)
这位同学的分析不合理。
解:设小球经过C点的最小速度为,则 ……⑧   ……1分
设此情景下小球从圆弧轨道上的C点经过时间打到木板上,且经过的水平距离为,则

                …… ⑨                         ……1分
由⑧⑨得,    ……⑩                          ……1分
由于>R,则无论如何调节释放点到A点的距离L,不可能使小球经过C点打到木板的最左端M点。
评分说明:①到⑩各1分
本题考查粒子在复合场中的运动,难度较大,小球从P点释放后受到重力和电场力作用,由动能定理可求得小球在A点速度,经过C点后受到垂直于速度的重力和电场力的作用,小球做类平抛运动,由水平方向匀速直线运动和竖直方向匀加速直线运动可求得经过C点速度大小,以小球经过BC段为研究对象,应用动能定理,克服重力和电场力做功等于动能的变化量,由此求得在B点的速度,在B点由合力提供向心力,由圆周运动公式可求得支持力大小,小球经过C点时由重力和电场力提供向心力时速度最小,由经过C点后的类平抛运动的规律可求得此时的水平距离,由此可判断该同学的分析不合理

◎ 知识点

    专家分析,试题“(12分)一个3/4圆弧形的光滑细圆环轨道ABC水平放置,此轨道固定在光滑的水平面上。轨道半径为R,C、O、B在一条直线上,如图所示。圆心O与A、D在同一条直线上,MN是放在AD上长…”主要考查了你对  【带电粒子在复合场中的运动】  等知识点的理解和应用能力。关于这些知识点的“档案”,你可以点击相应的链接进行查看和学习。

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