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高中 | 带电粒子在等效重力场中的运动题目答案及解析如下,仅供参考!
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$6mg$
"]$\rm A$.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$d$到$a$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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