高中 | 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,半径为$r$的内壁光滑的绝缘轨道沿竖直方向固定,整个空间存在与水平方向成$45^{\circ}$的匀强电场,其电场强度大小为$E=\dfrac{\sqrt{2}mg}{q}$,图中$a$$c$两点与圆心等高,$b$$d$分别为圆轨道的最高点和最低点,$s$$t$两点分别为弧$ad$和弧$bc$的中点。一质量$m$、电荷量为$+q$的小球在圆轨道内侧的$d$点获得一初速度,结果小球刚好能在圆轨道内做完整的圆周运动,规定$d$点的电势为$0$,重力加速度为$g$。下列说法正确的是$(\quad\ \ \ \ )$

["

小球在$t$点时小球动能最小

","

小球在$d$点获得的速度大小为$\\sqrt{3gr}$

","

小球电势能的最大值为$\\left( \\sqrt{2}-1\\right)mgr$

","

小球在$a$$c$两点对轨道的压力差大小为$6mg$

"]
[["BCD"]]

$\rm A$.小球在电场中受到的电场力为$F=qE=\sqrt{2}mg$,则在竖直方向上${{F}_{y}}=F\sin 45{}^\circ =mg$,即电场力在竖直方向的分力与重力平衡,在水平方向的分力为小球所受到的合力${{F}_{合}}={{F}_{x}}=F\cos 45{}^\circ =mg$,所以,小球等效受到水平向右的等效重力,等效重力大小为${G}'={{F}_{合}}=mg$,所以,$a$点为等效最高点,动能最小,故$\rm A$错误;

$\rm B$.小球在等效最高点等效重力恰好提供向心力时,小球刚好能在圆轨道内做完整的圆周运动,此时根据牛顿第二定律${G}'=m\dfrac{v_{a}^{2}}{r}$,解得${{v}_{a}}=\sqrt{gr}$,则小球由$d$$a$的过程,根据动能定理$-{G}'r=\dfrac{1}{2}mv_{a}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{d}^{2}$,解得$v=\sqrt{3gr}$,故$\rm B$正确;

$\rm C$.根据${{E}_{\text{p}}}=q\varphi $可知,带正电的小球所在位置的电势越高,电势能越大,由题意可知,小球在$s$点时电势最高,电势能最大。又因为$d$点电势为$0$。则${{U}_{sd}}=E{{d}_{sd}}=Er\left( 1-\sin 45{}^\circ \right)=\dfrac{\left( \sqrt{2}-1 \right)mgr}{q}={{\varphi }_{s}}-{{\varphi }_{d}}$,则$s$点的电势为$\varphi_{s}=\dfrac{\left( \sqrt{2}-1\right)mgr}{q}$,小球的电势能为$E_{\text{p}}=q\varphi_{s}=\left( \sqrt{2}-1\right)mgr$,故$\rm C$正确;

$\rm D$.由以上分析可知,$a$点为等效最高点,小球在等效最高点等效重力恰好提供向心力,此时轨道对小球的支持力为零,即${{N}_{a}}=0$,根据牛顿第三定律可知,小球对轨道的压力大小等于轨道对小球的支持力大小,即${{F}_{a}}={{N}_{a}}=0$,小球运动到$c$点,根据动能定理${G}'\times 2r=\dfrac{1}{2}mv_{c}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{a}^{2}$,小球在$c$点时,轨道对小球的支持力和小球等效重力的合力提供向心力${{N}_{c}}-{G}'=m\dfrac{v_{c}^{2}}{r}$,联立解得${{N}_{c}}=6mg$,根据牛顿第三定律可知,小球对轨道的压力大小等于轨道对小球的支持力大小,即${{F}_{c}}={{N}_{c}}=6mg$,则小球在$a$$c$两点对轨道的压力差大小为$\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }F={{F}_{c}}-{{F}_{a}}=6mg$,故$\rm D$正确。

故选$\rm BCD$

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如图,竖直平面内有一光滑绝缘轨道,取竖直向上为轴正方向,轨道形状满足曲线方程。质量为、电荷量为()的小圆环套在轨道上,空间有与轴平行的匀强电场,电场强度大小,圆环恰能静止在坐标()处,不计空气阻力,重力加速度大小取 。若圆环由()处静止释放,则 如图所示,场强为的匀强电场方向竖直向下,所带电荷量为,质量为的带电小球用长为的绝缘细线拴住,小球可以在竖直平面内绕О做圆周运动,、分别是轨迹的最高点和最低点。已知小球静止时的位置是点,重力加速度大小为,小球可以看成质点,下列说法正确的是 将一游戏装置放置在大小为,方向竖直向下的匀强电场中,该装置的轨道倾角可以改变,当倾角为时,质量为、带电量为的绝缘物块恰好能沿着轨道匀速下滑。现将倾角调为,使物块从某高处由静止下滑,一段时间后物块无碰撞地进入光滑水平面,与质量为、带电量也为的绝缘物块(被一根绳子悬挂,与水平面接触但不挤压)发生弹性正碰,碰后、各自的电量不变且恰好能做完整的圆周运动,已知绳长为,取重力加速度大小为。求: 如图,质量为、带电荷量为的小金属块以初速度从光滑绝缘水平高台上飞出。已知在足够高的高台边缘右面空间中存在水平向左的匀强电场,场强大小。则 如图所示,三个完全相同的半圆形光滑绝缘轨道竖直放置,图乙、图丙分别置于匀强磁场和匀强电场中,轨道两端点在同一高度上。现将、、三个相同的带正电小球同时从轨道左端的最高点由静止释放,小球均能经过轨道最低点。已知小球的带电荷量不会发生变化,则、、三个小球 如图,在竖直平面内,一半径为的光滑圆弧轨道与光滑水平轨道相切于点,为圆弧轨道的直径,为圆心,和之间的夹角。整个装置处于水平向右的匀强电场中。一质量为、电荷量为的带电小球(可视为质点)可以在圆弧轨道上的点保持静止。现将该带电小球从水平轨道某点静止释放,小球经点沿圆弧轨道恰好能通过点。已知重力加速度大小为,。求:
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